火山喷发物及其显微结构特征记录了喷发之前岩浆体中物理、化学过程的信息,喷发时的爆炸程度、岩浆与地下水的相互关系、在地表的侵位方式(如熔岩流、火山灰空降或火山碎屑流),以及在喷发后期风化特征等有关信息。因此,通过对火山喷发产物的显微构造研究,可以获得许多由宏观研究所无法获得的有关岩浆喷发前、喷发期间和喷发后的作用过程的重要信息。本论文将显微构造分析方法,尤其是定量研究方法,应用到火山学研究中。本次对腾冲的黑空山火山、打莺山火山、马鞍山火山、龙岗的南龙湾火山和长白山天池火山的喷发产物进行了显微构造研究,并通过这些火山喷发产物的微观特征来探讨这几个活动火山的喷发层序、类型和机制以及火山喷发的运动学和动力学特征,为火山灾害预警提供一定的科学依据。一、论文研究内容及方法1.关于腾冲火山熔岩的研究腾冲火山熔岩研究的内容包括熔岩的显微结构、斑晶、基质和包体的分析:(1)首先把采集的样品切制成薄片,利用光学显微镜观察熔岩的结构和矿物组成,并进行定性的描述;(2)对熔岩样品进行全岩化学分析,并对其中的基质和典型斑晶成分进行电子探针分析,判断熔岩和斑晶的成分类型;(3)测量熔岩中斑晶的含量和大小,基于晶体大小分布(CSD)理论,计算晶体大小分布及CSD参数,讨论其反映的岩浆运动学和动力学特征;(4)对熔岩中的微晶进行CSD统计分析,讨论其反映的岩浆活动特征;(5)观察熔岩中的包体的显微结构特征,进行电子探针测试,计算包体的平衡温度和压力,分析其形成原因及反映的地质意义。2.关于龙岗南龙湾火山碎屑的研究龙岗南龙湾火山碎屑的研究内容包括碎屑的粒度及形貌特征分析:(1)首先是利用粒度筛分仪对碎屑进行粒度筛分,统计粒度分布特征,计算粒度参数和粒度分维值;(2)对每一级的颗粒切制成薄片,在光学显微镜下观察其矿物组成和形貌特征,并进行详细的描述;(3)在体视镜下观察颗粒的形貌及矿物成分,挑选代表性碎屑颗粒;(4)把挑选的碎屑颗粒进行扫描电镜(SEM)分析和能谱(EDX)分析,观察碎屑的表面结构特征并测定碎屑的成分;(5)结合碎屑粒度分布、显微形貌特征、表面结构和成分讨论火山喷发机制及特征。3.关于长白山天池火山千年大喷发空降碎屑的研究长白山天池火山千年大喷发空降碎屑的研究内容包括:(1)首先对碎屑进行粒度筛分;(2)拍摄不同粒度下碎屑的形貌图像,利用Photoshop软件对图像进行处理;(3)利用NIH Image软件统计碎屑形貌参数,讨论不同粒径下形貌参数的变化;(4)计算不同形貌参数下碎屑最终沉降速度和扩散范围,进而探讨碎屑颗粒形貌对最终沉降速度和扩散范围的影响。二、论文的研究结果(一)腾冲火山熔岩研究结果通过对腾冲黑空山、马鞍山和打莺山火山熔岩的化学成分分析、显微结构分析和斜长石斑晶大小分布分析(CSD)等得到了以下主要结论:1.关于黑空山火山熔岩显微结构的研究通过对腾冲黑空山火山熔岩化学成分和显微结构的分析,得到以下主要结论:(1)根据全岩化学成分,黑空山第I期熔岩为玄武质粗安岩,第II ~ IV期熔岩为粗安岩。此外,还发现一些熔岩为粗面岩,按正常岩浆的演化序列应为最后一期(第V期)熔岩。该三种岩石类型的熔岩具有三种不同的结构类型,表现为斑晶类型、含量、大小,以及基质的成分和结构的不同,反映了岩浆房内物理环境的变化。(2)熔岩中斜长石斑晶大小分布(CSD)分析结果表明,CSD参数(斜率、截距、斜长石斑晶特征长度和晶体的停留时间)随着喷发期次具有起伏式变化特征,说明岩浆在演化过程中有多次新岩浆的注入,新岩浆与残余岩浆的混合作用造成斜长石斑晶CSD曲线呈微上凹形。(3)综合分析把黑空山火山喷发划分为四个周期,每个周期都经历了岩浆的注入、混合、停留、结晶和喷发几个过程。2.关于黑空山、打莺山、马鞍山粗安岩对比研究通过对腾冲黑空山、打莺山、马鞍山熔岩的成分、结构和显微构造的对比研究,得到以下认识:(1)成分分析显示,三个火山熔岩成分包括有粗面玄武岩、玄武质粗安岩、粗安岩和粗面岩,但均以粗安岩为主。(2)显微镜下分析表明,黑空山粗安岩中辉石斑晶与斜长石斑晶含量相近,而马鞍山和打莺山粗安岩中辉石斑晶很少。马鞍山和打莺山粗安岩中斑晶斜长石多发育有反应边,黑空山粗安岩中这种现象较少。另外,马鞍山粗安岩中含较大量的橄榄石斑晶,而黑空山和打莺山粗安岩中极少。(3)上述分析结果表明,黑空山粗安岩与马鞍山粗安岩和打莺山粗安岩的显微结构特征、熔岩成分和斑晶含量具有一定的差异,反映了不同的岩浆环境,推测它们来自不同的岩浆房。(4)马鞍山和打莺山粗安岩的微斑晶CSD分析显示,CSD曲线呈很好的线性关系,说明微斑晶形成时的环境相对稳定,并推测这些微斑晶是在岩浆上升过程中,停留在地壳的某处时受围岩的冷却作用产生。计算得到的熔岩中微斑晶停留时间和成核速率的不同,反映每期岩浆受到的过冷度不同,可能是因为岩浆上升速率不同所致。3.关于黑空山火山熔岩中包体的研究通过对黑空山熔岩中包体结构、矿物成分和平衡温度、压力的研究,得到以下结论:(1)腾冲黑空山粗安岩中含有较多的镁铁质和超镁铁质微型包体,主要为辉长岩类、辉石岩类和极少量的二辉橄榄岩,直径多小于2.5 cm。(2)辉长岩类包体具有“开放”结构,常有气孔和基质的贯入,辉石岩类包体以等粒结构和镶嵌结构为特征,它们的矿物成分(斜长石+单斜辉石+斜方辉石)与熔岩斑晶成分相近。辉长岩类和辉石岩类包体平衡温度为1000~1125℃,与熔岩斑晶结晶温度(998~1108℃)基本一致。辉长岩和辉石岩类包体结构和成分均有别于下地壳和幔源包体,应来源于岩浆房内部,其中辉长岩类包体是岩浆房顶部的岩浆发生结晶作用后形成的晶体-气泡-液体带,而辉石岩类包体则为岩浆房底部形成的堆积体。(3)极少量的二辉橄榄岩包体具残斑结构,组成矿物及成分类似于我国东部幔源包体特征,应来源于上地幔,由补给岩浆将其带入岩浆房中,并且在岩浆喷发到地表之前可能经受过冷却作用。(4)辉长岩类和辉石岩类包体的平衡温度在1000~1125℃之间,压力在0.49~0.99 GPa之间,反映了岩浆房的温压条件。(5)岩浆房内部的岩浆由于分离结晶程度不同有可能形成不同的成分分层,补给岩浆的侵入引起的强烈对流作用使这些成分层发生混合作用,导致熔岩基质成分的复杂性。(二)龙岗南龙湾火山碎屑研究结果通过对龙岗火山群南龙湾火山的一个剖面上不同层位火山碎屑颗粒的显微形貌观测、粒度分析和扫描电镜形貌观测,得到以下主要结论:(1)南龙湾火山碎屑颗粒的显微镜下观测表明,不同的爆炸性喷发类型,其所产生的碎屑颗粒具有不同的物质组成和显微形貌特征。(2)南龙湾火山碎屑颗粒的粒度分析表明,射汽岩浆爆发的粒度小,分选差,分维值高,而岩浆爆发的粒度大,分选好,分维值低,粒度的大小可能跟火山爆发时岩浆的爆炸程度有关。(3)南龙湾火山碎屑颗粒的扫描电镜分析,清晰的表明在南龙湾火山喷发的不同阶段,水参与的程度不同。气体脱溶和水的参与均可产生爆炸性的喷发,火山碎屑颗粒棱角尖锐并为多孔状,说明脱溶作用促使了火山喷发;龟裂、面包皮结构、花椰菜形状及阶梯状断口等特征则表明岩浆与水发生了强烈的反应作用,水蒸汽为爆炸性喷发的主要动力。(4)南龙湾火山喷发为爆炸式喷发,包括早期的射汽岩浆爆发,到岩浆爆发至晚期以射汽爆发为主的射汽岩浆爆发的不同阶段。(5)能谱分析表明,随着喷发的进行,Mg值呈升高趋势,除一些风化严重的Si值淋失,其他碎屑中Si起伏不大。较早喷发的碎屑Na值严重丢失,部分碎屑在风化作用下生成了铁氧化物,部分发生了铝土矿化。(三)长白山天池火山千年大喷发空降碎屑研究结果通过对长白山天池火山千年大喷发的空降碎屑形貌的定量化分析,得到以下主要结论:(1)长白山天池火山千年大喷发空降碎屑以浮岩为主,浮岩碎屑的形态不规则,从等轴状到拉长状,从次圆状到棱角状都有。随着浮岩碎屑粒径的减小,颗粒拉长现象明显,拉长碎屑的比例从15.02%上升到47.5%。并且,浮岩碎屑的粒度越小,颗粒棱角状越明显。(2)通过对样品的形貌分析,得到其平均形态参数F = 0.72。如果假设长白山天池火山千年大喷发浮岩碎屑为球形(F = 1)时,计算的最终沉降速度是浮岩碎屑形态参数F = 0.72时最终沉降速度的1.52倍,而当假设颗粒为椭球(F = 0.5)时,计算的最终沉降速度是浮岩碎屑形态参数F = 0.72时最终沉降速度的0.89倍。(3)风速为10m/s时,不同形态参数的碎屑的沉积等厚线图显示,火山碎屑的扩散范围随着形态参数F值的减小而扩大。(4)上述结果表明,碎屑颗粒的形貌特征对最终沉降速率的计算以及碎屑扩散范围的模拟均有显著的影响,在今后工作中必须给予重视。三、论文主要的创新点本论文具有以下几个主要的创新点:(1)本次研究是国内首次把显微手段综合运用到火山研究中,包括显微镜下观测、SEM和EDX分析、CSD分析、粒度分析、表面结构分析、化学成分分析等,来研究活动火山喷发时的物理、化学过程,探索岩浆活动信息。(2)通过斑晶大小定量化来计算晶体的停留时间和成核速率,探讨活动火山的岩浆的运动学和动力学特征等在国内属首例。(3)前人曾报道过腾冲火山熔岩中存在铁镁质和超铁镁质包体,但是未曾对这些包体的特征和来源进行过详细的研究。本论文是首次对腾冲黑空山火山熔岩的包体的显微结构、成分、平衡温度和压力进行详细的研究,并确定了包体的来源和成因及其地质意义。并且本论文是首次提出大部分黑空山火山熔岩中的包体并非来自下地壳或上地幔。(4)首次对长白山天池火山空降碎屑物的形貌特征进行定量化,计算了碎屑颗粒的形貌特征参数(AR、FF、CC和RT),并讨论碎屑形貌对火山空降物的沉降速度和扩散范围的影响。