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探讨天池火山三期浮岩气孔的动力学成因与复杂特征

2020-07-11 261 上传者：管理员

摘要：爆炸式喷发过程中，火山碎屑物气孔记录了挥发分出溶、膨胀和合并等信息，其大小、形态、数量密度、空间分布等局域特征是推断火山喷发动力条件的重要参考。文章基于天池火山三期喷发（50000年前大喷发的黄色浮岩、千年大喷发的灰白色浮岩和1668年八卦庙期喷发的黑色浮岩）野外地质工作，以非线性火山喷发动力学为指导，开展了火山通道内气泡生长的流体动力学研究，揭示出岩浆流体黏性力和界面张力的共同作用对于岩浆减压和气泡生长过程的约束。在浮岩气孔结构的定量化分析基础上，进一步研究了天池火山三期喷发的浮岩气孔参数，通过气泡生长流体动力学方程得到了千年大喷发灰白色浮岩毛细管数Ca值为253，明显高于50000年前大喷发黄色浮岩（Ca值为94）和八卦庙期喷发黑色浮岩（Ca值为111），表明了千年大喷发曾发生过明显的成分变化，推测可能与幔源基性岩浆注入有关；而50000年前大喷发黄色浮岩气孔不规则形态参数（1-Ω）值为0.098，大于后两期喷发（分别为0.052和0.064），可能意味着天池火山系统动力学平衡的弛豫周期变小或浮岩气泡生长受动力学、流变学改造过程减弱，这可为进一步研究天池火山活动规律提供参考。三期浮岩毛细管数Ca量级为102，气孔不规则形态参数（1-Ω）量级为10-1，从动力学上首次证实了天池火山属于普林尼型或超普林尼型喷发。

关键词：
天池火山
形态因子Ω
毛细管数Ca
流体动力学
浮岩气孔结构
火山
爆炸式喷发
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浮岩气孔是岩浆气泡化的记录，其形态、大小、气孔壁、流变特征记载了挥发分出溶、气泡融合等信息，是探索火山喷发动力条件和喷发过程的重要途径。目前，气孔的定量化研究是火山学研究的重要课题，国内外学者已开展了大量的研究工作。这些研究工作大体可分为三个阶段：第一阶段是气孔形态和结构的定性到半定量分析阶段，该阶段主要描述了显微镜下气孔的形状、大小、气孔密度等基本外部形态[1,2]；第二阶段是气孔结构的统计学阶段，统计浮岩气孔数量、面积和大小，研究火山喷发时火山通道内的岩浆过程和获取火山喷发的物理参数[3,4,5,6,7]；第三阶段是浮岩气孔结构流体动力学和复杂性科学研究，通过统计气孔数量、大小分布等信息建立气泡生长模型，研究气泡界面张力、膨胀的黏性阻力、挥发分扩散出溶以及浓度分布对流，建立喷发强度与岩浆流体动力学之间的关系[8,9,10,11,12,13,14]。目前，有两个重要研究方向值得重视：一个是利用火山碎屑的气孔结构重建气体出溶、膨胀和逃逸过程，这部分工作自Sparks[8]开始，就不断有物理火山学家关注此领域；另一个是从气泡成核与生长等流体动力学角度，研究岩浆流体黏性力和界面张力的相互作用对于气泡生长的意义。国内研究者[15,16,17]也曾在此两方面开展过一些研究，但尚需要进一步深化。

本文选取长白山天池火山[18]（图1）三期浮岩气孔（50000年前大喷发黄色浮岩、千年大喷发灰白色浮岩和1668年八卦庙期喷发黑色浮岩）为研究对象，通过复杂性科学和流体动力学来研究浮岩气孔局域化结构和火山喷发动力学之间的关系。主要开展了以下两方面的工作：（1）从统计复杂性角度，利用浮岩气孔的数量、大小等参数来研究三期浮岩自组织临界性、形成机制与喷发周期特征，这部分工作已发表[19];（2）从流体动力学角度，研究了三期浮岩无量纲参数（形态因子Ω和毛细管数Ca），探讨爆炸性浮岩气孔结构与火山通道内气泡生长的流体动力学之间的内在联系，这是本篇研究的重点。

图1长白山天池火山位置简图（据文献[18]修改）

1、区域地质背景及采样部位

长白山天池火山属于新生代大型复式火山，位于中-朝克拉通东北缘[20]（图2）。晚中生代至新生代时期强烈的岩浆活动沿着北东向地堑型裂谷带发育。从较大范围来看，长白山火山区的区域构造基本为北东东向与北北东向，由位于松辽盆地与日本海弧后盆地之间的北北东向隆起带和桦甸白山镇—朝鲜金策北西向火山断裂带构成[21]。

北北东向断裂有宽甸—龙岗—敦化、马鞍山—三道白河、三合—图们断裂带等。这些断裂带均为超岩石圈级的断裂带，且发育火山带。北东东向断裂有伊通—舒兰断裂带、敦化—密山断裂带、图们江断裂带，这三个断裂带都属于地堑型断裂。长白山火山群位于马鞍山—三道白河北北东向断裂带、白山—金策北西断裂带与图们江断裂带西南端北西侧的交汇处。火山岩的分布与时代具有一定的规律性，从朝鲜海盆大陆一侧金策附近和松辽盆地东南侧长春—伊通等地的古近纪玄武岩，向天池方向年代逐渐变新，经新近纪玄武岩逐渐变为天池火山区的造盾玄武岩和碱性粗面岩。宽甸—龙岗—敦化北北东向断裂带和长白山天池火山区分布着晚更新世至全新世的碱性玄武岩或碱性粗面岩-碱流岩。在长白山天池附近至朝鲜海盆一侧，无论是新近纪还是第四纪，喷出的玄武岩都演化出碱性粗面岩-碱流岩，而在龙岗至松辽盆地一侧喷出的玄武岩则没有演化出碱性粗面岩-碱流岩[21,22]。

图2长白山天池火山地质构造略图（据文献[20])

本次样品采集点分别在天池火口附近、天池火山南坡公路沿线以及天池以东30km处的圆池地区，主要为天池火山50000年前大喷发黄色浮岩、千年大喷发灰白色浮岩和1668年八卦庙期喷发黑色浮岩。

2、气孔结构特征

2.1扫描电镜分析

考虑到10μm以下气孔边缘特征不易由普通显微镜观察，故选择扫描电子显微镜进行研究。我们将三期典型样品（10-CBS-01,10-CBS-04和10-CBS-07）进行了200倍、500倍和1000倍的扫描，从获得的背散射图像（图3）可看出气孔的形貌特征：50000年前大喷发黄色浮岩中气孔相对较小且排列紧密，气孔壁比较厚，多数气孔被拉长，气孔呈管状流变且定向明显；千年大喷发灰白色浮岩气孔充分发育，气孔较大，以椭圆或圆形为主，连续性较好，气孔壁较薄，气泡合并现象突出；八卦庙期喷发黑色浮岩气孔形态基本呈现卵形或圆形，排列方式较为复杂，气孔合并现象较突出。

2.2气孔参数提取

原始灰度扫描电镜图像经过AdobePhotoshop和Image-ProPlus6.0软件可以转换为二进制图像（图4）。由图4所示，黑色表示气孔，白色表示气孔壁。气泡壁过薄、磨制薄片过程中气泡壁的损坏、掉入气孔空间的玻屑等碎屑颗粒以及像素原因导致的图片边缘不清晰都会影响分析结果。为了尽量保住气泡的真实形态，须挑选清晰度较高、气泡边缘较完整的图片，甚至在某些情况下需手动编辑图像，重建破损的气泡壁。

利用Photoshop软件，对3个浮岩样品（10-CBS-01,10-CBS-04,10-CBS-07）的扫描电镜原始图像进行灰度、色阶、降噪等处理，得到清晰的二值化图像（图4）。利用Image-ProPlus6.0计算二值化图像中浮岩气孔数量、面积、气孔最佳拟合椭圆的长短半轴长、圆度等基本参数。考虑到浮岩气孔数量的统计意义，本文选择千年大喷发灰白色浮岩200倍扫描电镜数据为研究对象，统计了702组气孔参数，其中有效数据230组（表1）。

图3浮岩不同倍数下背散射图像（从左往右依次是黄色浮岩、灰白色浮岩、黑色浮岩）

图4三期浮岩二值化图像（从左往右依次是黄色浮岩、灰白色浮岩、黑色浮岩）

表1千年大喷发灰白色浮岩200倍气孔结构参数

3、气泡生长的复杂性和流体动力学

3.1形态因子

在气孔形态的定量化研究中，重点区分两个或多个气孔的合并所形成的形状。为了度量不同气孔不同形态，目前普遍使用的形态参数有拉长率[23,24]、圆度以及规则度[7]等。

式中：Ω为根据Shea等[7]定义的规则度；A为气泡面积；λl为长轴长；λs为短轴长。参数Ω不受气泡拉长的影响，但对气泡的复杂边界具有敏感性。Ω会随着气泡边缘复杂度的增加而有规律地降低，因此其可作为气泡边界形态复杂性的度量标准。在实际研究过程中，经常以1-Ω来表示气泡形态的不规则性和复杂性。

3.2毛细管数

在流体力学中，常用毛细管数和两相黏度比来表征预测两相流体中分散相液滴的形变和破裂发生的程度与可能性。毛细管数为流体黏性力和表面张力的比值，是一个无量纲数，也称界面张力数，最初由Taylor于1934年提出。在实际研究过程中，毛细管数是外部黏性力和气泡内应力的相互作用，前者导致气泡在流体运动过程中发生形变，后者能够使变形气泡实现自我恢复[25]。其数学表达式为

式中：η为流体相动力黏度；σ为表面张力；ve为气泡流体的膨胀速率，表示气泡生长时流动气泡表面扩张速率[26,27]。ve表达式为

式中：t为时间；R为理想流体气泡平均半径；vR为气泡生长速率；为气体体积分数。

Koerner[27]分析了膨胀气泡流体的演化结构与毛细管数的关系。毛细管在高气泡化流体膨胀过程中气泡重新组合，同时，毛细管应力使合并的气泡向一种规则形状转变[28]。当Ca1时，毛细管速率大于膨胀速率（σ/ηve），气泡形状使气泡与周围液体界面的曲率变化最小。当Ca1时，气泡朝向规则形状变化的速率变小，合并的气泡曲率变大。通过预测不同类型火山喷发的毛细管数，并将其与火山碎屑中的气泡体积分数>0.6时的气孔形态进行对比，可以获得气孔形态与Ca相关关系[29]。

在岩浆上升过程中，压力的降低使挥发分溶解度降低，围压pm下降使溶解挥发分形成超临界流体气泡。如果气泡生长受到黏度限制，pm可能比pg（气泡内压力）下降速率快得多，因此，气泡可能压迫周围熔体[30]，并迅速膨胀或者超压导致气泡碎屑化，进而形成多种类型的火山喷发[31,32,33,34,35,36]。

通过毛细管数和气泡形状的关系以及毛细管数对气泡生长速率vR的依赖性，可以得出气泡形状与气泡超压Δp的关系。这种依赖关系由理想球形气泡模型动量守恒确定[37,38]。

这里ηe为有效黏度，为径向依赖水而变化的黏度[39]。由公式（2）、（3）、（4）得到气泡超压另外一种表达形式：

考虑到Δp与能够触发和保持岩浆碎屑化的势能成正比[40]，所以通过气泡形态、毛细管数与Δp的关系可以间接反映火山喷发的强度。通过经验公式[40]，产生碎屑化临界破碎的Δp可由下式给出：

4、分析与讨论

在表1数据基础上，由以上公式可直接计算Ω（或1-Ω）和Ca（表2）。注意本文中对于体积分数的测定是通过浮岩背散射图像气泡面积的平均占比来近似替代的，按此方法实测到的千年大喷发灰白色浮岩气孔发育程度最高，气泡体积分数大约75%，其次是八卦庙期喷发的黑色浮岩（大约70%),50000年前大喷发黄色浮岩中的气孔发育程度最低（约为45%），与前人研究结果基本一致。本文计算了三期浮岩不同倍数下的不规则形态参数1-Ω和毛细管数Ca，得到不同类型浮岩的形状因子Ω和毛细管数Ca的关系（图5）。考虑到浮岩气孔在不同放大倍数下所呈现的外部形态有差异（气孔数量越多，1-Ω和Ca值的真实性越强），本文主要研究三期浮岩在200倍下的扫描电镜图像。

表2浮岩不同倍数下气孔参数

图5浮岩不同倍数下气孔形态Ω和毛细管数Ca的关系

4.1气泡边界形态的复杂性

气孔形态是在岩浆上升和冷却过程中形成的。气孔是否会以球形或椭球抑或是不规则形态存在，与岩浆黏度、气泡内外压力、气泡表面能以及弛豫时间尺度有关[26]。如果通过形态因子Ω来刻画形态变化，则只需考虑气孔的拓扑边界的复杂程度，不用考虑气孔拉长压缩的影响。通过以上三期浮岩在200倍下形态因子Ω的累计分布（图6），可以看出50000年前大喷发黄色浮岩的规则度最小（或不规则度最高），反映其在形成过程中，气孔边界的复杂性程度高，可能与系统达到热力学平衡的时间尺度较长，或者岩浆受动力学、流变学改造影响较大有关。

图6三期浮岩形态因子Ω累计频率分布图

将三期浮岩与国外七期火山喷发的基本参数值进行对比（表3），可发现：（1）形态因子Ω与岩浆气体体积分数存在一定的关联；（2）形态因子Ω越大，反映出火山越活跃，如形态因子Ω最大的夏威夷基拉韦厄火山和斯通博利火山等常年呈喷发状态，热力学平衡态恢复的弛豫时间较短；（3)50000年前大喷发黄色浮岩形态因子Ω最小，说明当时天池火山系统能量释放的频率不高，从另外一个角度来看这一期火山喷发的规模较大；（4）千年大喷发灰白色浮岩和八卦庙期喷发黑色浮岩的气孔形态更加规则，意味着火山活动过程中可能存在着岩浆压力迅速释放的现象。

表3气孔结构分析对比

图7天池火山三期喷发浮岩与世界典型喷发浮岩的对比关系（底图据文献[29])

4.2毛细管数流体动力学

理论上，浮岩气孔形状的形态参数（1-Ω）值与毛细管数Ca值呈正相关关系，与驱动解压的气泡生长过程有关。当岩浆上升到地表，气泡周围的围压pm减小，水扩散到不断增长的气泡中。酸性岩浆黏度主要取决于其化学成分、晶体含量以及溶解水的浓度，在其他条件不变的情况下，水浓度的增长将阻止气泡生长，并使得气泡超压Δp形成。同时，毛细管数值也将增大且远大于1。不同类型的浮岩背散射图像（图7）中可以看出，夏威夷型喷发和斯通博利型火山喷发的气孔接近圆形，而其他期次喷发受到流体剪切应力的影响较大，气泡形状较为复杂。普林尼型喷发、超普林尼型喷发和玄武岩质的普林尼型喷发Ω值较小。长白山三期浮岩喷发（Ω<1,Ca1）与普林尼型喷发、超普林尼型喷发和乌尔卡诺型喷发（Ω<1,Ca1）存在相似性，而与夏威夷型和斯通博利型喷发（Ω≈1,Ca1）相比有明显差异。天池火山三期浮岩毛细管数的量级为102，而形态参数（1-Ω）的量级为10-1，由此从动力学角度来看天池火山三期浮岩属于普林尼型喷发。

另外，从表2中可看出，千年大喷发灰白色浮岩Ca值最大，而50000年前大喷发黄色浮岩和八卦庙期喷发黑色浮岩Ca值相对较小，揭示了千年喷发曾发生过明显成分变化，这可能与幔源基性岩浆注入地壳岩浆房的动力过程有关。樊祺诚等[47]认为，天池火山之下存在地壳和地幔双层岩浆房，地幔的粗面玄武质岩浆向地壳岩浆房的注入，触发了千年大喷发。

5、结论

基于天池火山三期空降浮岩的典型样品，在扫描电镜研究基础上开展了天池火山三期浮岩气孔形态的复杂性及其动力学成因研究，初步揭示出：

（1）三期浮岩均呈泡沫状，但气孔数量、大小和气孔壁有所不同。50000年前大喷发黄色浮岩气孔致密，气孔拉长现象明显；千年大喷发灰白色浮岩和八卦庙期喷发黑色浮岩气泡化程度最高，气孔形态多成圆形或卵形。

（2)50000年前大喷发黄色浮岩气孔不规则形态参数（1-Ω）值大于后两期喷发，可能意味着天池火山系统动力学平衡的弛豫周期变小或浮岩气泡生长受动力学、流变学改造过程减弱，这为进一步研究天池火山活动规律提供参考。

（3）千年大喷发灰白色浮岩毛细管数Ca值最大，50000年大喷发黄色浮岩和八卦庙期喷发黑色浮岩Ca值较小，表明了千年大喷发曾发生过明显的成分变化，推测可能与幔源基性岩浆注入有关。

（4）喷发动力学参数研究获取的三期浮岩毛细管数Ca量级为102，气孔不规则形态参数（1-Ω）量级为10-1，从动力学上首次证实了天池火山属于普林尼型或超普林尼型喷发。

参考文献:

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彭年,朱晓艳,刘永顺,聂保锋,李苏.天池火山三期浮岩气孔形态的复杂性及其动力学成因[J].地学前缘,2019,26(06):271-280.

基金:国家自然科学基金项目(41372343,40872062);北京市自然科学基金项目(1082006).

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期刊名称：物理

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主办单位：中国物理学会,中国科学院物理研究所

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国内刊号：11-1957/O4

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