1.降落的火山碎屑堆积
主要有大气、火山尘云及湖盆中水下降落的火山碎屑沉积等三种。由火山口或裂缝爆发至空中及湖中的火山碎屑物通过降落作用堆积而成。常常将喷发至空气中,并经风力分选、降落堆积而形成的火山灰沉积称为降落火山灰。它们是当熔浆喷至空中,混入了空气产生的热膨胀,炸裂成细小的火山灰屑后,进一步冲入高空对流气冲区,可升高达数百米至数千米,再向下降落堆积而成。
图8-9 降落灰沉积在顺风方向,厚度和粒度随离火山口距离增加而减小
(据Katsui,1963)
火山物质可顺风搬运,颗粒大小按降落速度不同而发生分离,降落灰沉积在顺风方向,其厚度和粒度均随离火山口的距离增加而减小(图8-9)。虽然在地质历史中火山作用是瞬时事件,但火山灰及火山尘可覆盖着广大面积,在远离火山口几千千米范围内堆积成层,层内常见正粒序构造。典型的降落灰沉积,以良好至极好的分选性为标志(图8-10),并发育有水平层理。
图8-10 降落灰沉积分选性对比图
(据Musai,1961)
日本39个近代降落灰与192个火山灰流分选程度对比
2.火山碎屑流堆积(又称火山灰流、火山砂流)
是指高黏度的富含挥发分的酸性、中性或碱性岩浆上升到地表处,因压力骤降导致气体大量膨胀、发泡,最后强烈地爆炸使气泡壁破裂,一部分被溅碎的熔岩抛入空中再沉降下来,但大部分呈密度很大的混有气体的高温碎屑流沿山坡流动(图8-11)。据费涅尔1902年对培雷火山的观察,碎屑流的流速达到33m/s,温度估计为700~800℃,并且在较长时间内保持高温状态,使塑性岩屑及塑性玻屑在堆积物的负荷压力下发生不同程度的熔结作用。
图8-11 火山碎屑岩流动遗痕
位于广东湛江东海岛上硇洲岛是一个大约20万~50万年前由海底火山爆发而形成的海岛,岛上广泛发育火山碎屑流活动留下的遗迹
岩石熔结后,孔隙度减小,体重增大,塑性岩屑扁平化,玻屑变形,边缘圆化。熔结的强度取决于:堆积时的温度;岩石的负荷,它与堆积物的厚度和密度有关;挥发分的成分与数量。除此而外,溶解于火山碎屑流之中的水也有助于熔结作用。
图8-12 熔结凝灰岩的典型剖面示意图
(据斯帕尔克斯等,1973)
P—浮岩碎屑;L—岩屑。1—热气底浪的火山碎屑沉积层;2a—细粒弱熔结凝灰岩的底屑层;2b—粗粒强熔结凝灰岩的主体层;2a+2b—熔结凝灰岩的单元流层;3—火山尘及降落的细火山灰屑层
火山碎屑流成因的典型代表岩石——熔结凝灰岩,据斯帕尔克斯等1973年的研究(图8-12),最下面的是热气底浪的火山碎屑沉积(1 段),其上才是真正的火山碎屑流沉积(2段,又称典型的熔结凝灰岩单元流层,简称单元流层),最上是火山尘云降落的细火山灰屑沉积(3段)。而单元流层又由粗粒的主体层(2b)及细粒的底屑层(2a)所组成。在剖面上主体层经常出现大的浮岩碎屑的逆向粒序及大的岩屑的正向粒序等特征,其下部则是细粒的底屑层。正是由于底屑层的存在,才有可能鉴别出每次的火山碎屑流(熔结凝灰岩层)的厚度来。例如在意大利和日本已鉴别出最薄的单元流层只有几厘米至1m厚。
在薄层的熔结凝灰岩层中,浮岩碎块仍保持为逆粒序,但岩屑则可能成逆粒序,也可能呈正粒序。
厚层熔结凝灰岩层中,一般粒序是明显的,由于呈逆粒序的是低密度的浮岩屑,呈正粒序的是高密度的岩屑,而粒序性的明显程度与粒度有关(碎屑愈大,粒序越明显),故引起粒序性的原因是由密度所致的漂浮作用,但应指出,碎屑粒度在临界直径以下,不出现粒序性。
底屑层(2a)是由细粒的岩石组成,它具有逆向粒序,此层与2b层为过渡关系。其厚度小于数米。比起熔结凝灰岩(2b),此层岩石的平均粒径低,但分选性仍较差。并且此层中的扁平颗粒常平行于地面,而且扁平颗粒也较多。
在熔结凝灰岩内部,有两种重要的成因类型,一个就是前述的底屑层沉积,另一个是“管积物”(沃克,1971)。它的典型宽度为1~10cm,垂直熔结凝灰岩层而呈弯曲状、分叉状或相交叉状,可变宽变窄,有时与同类物质组成的不规则席状体连接。
管积物由与周围熔结凝灰岩性质相同的碎屑物质组成,但与围岩相比,其分选性较好、较粗,并富含重组分(晶屑及石屑),其中的浮岩屑比较圆滑。主要的特点是较细、较轻的组分被簸选掉及浮岩的圆滑。这都是由于强烈的气流沿气孔管通过熔结凝灰岩时造成的。
管积物是一种石化的气孔。目前已知熔结凝灰岩中有两种这样的构造,一种是原生的,即形成于熔结作用前,气流通过碎屑流时,同时发生颗粒的下降作用;另一种是后生的,是一种沿孔管道的优先胶结作用、熔结作用、蚀变作用或矿化作用,是比流体中沉降作用及熔结冷却作用要晚的作用。
关于底屑层,除前述特点之外,它比熔结凝灰岩主体层的粒径低得多,而且常具陆源组分。它在成分上极似管积物,即细而轻的组分被簸选掉。它是未熔结或弱熔结凝灰岩。底部石屑富集,可能是火山碎屑流经过底板时捕获来的早期碎屑,但有时也出现大量晶屑。
3.热气底浪的火山碎屑沉积
是指火山爆发初期,大量的热蒸汽携带碎屑混合物,以床沙载荷形式进行搬运、沉积。如图8-12中1段的热气底浪沉积说明,这段火山碎屑沉积在厚度上变化很大且较薄,具有低角度交错层理及沙垄状的逆行沙波、冲槽、洼坑、叠瓦和长波长的波状层理等构造。成分复杂,除有大量的同期火山碎屑外,还有陆源碎屑物。它常常出现在熔结凝灰岩层的基底。
沃克及费希尔(1971)把由热气底浪作用的火山碎屑形成过程分为三个阶段:
(1)开始上升的水蒸气柱底部立即扩散处白色的、仅有少量碎屑物的气浪,沿气浪周围溢出气体,气浪收缩;
(2)上升爆发柱的壁上,依弹道规律发射出放射状的碎屑物,这些物质是气柱内蒸汽爆炸而被撕裂的物质;
(3)最后碎屑物、水汽、空气紊乱的混合物呈浊流聚集到地面来,大部分沿地面流动组成底浪。
与熔结凝灰岩共生的热气底浪沉积可分为两种类型:一种是高温的变种,类似一种热云的沉积,是未受外界因素影响的纯火山作用的产物。它具有较粗的粒度,没有层理,有时有不大显著的交错层理,层薄(仅数米),与其下的火山灰沉积物接触处有烘烤现象。另一种是低温的变种,可能是湿的火山灰云,具有高度的膨胀性使其流动,是受外部影响(水)改变了纯火山作用的产物。它具有较细的粒度和厚度变化很大(沉积层在低洼处厚,高处变薄)及很好的低角度(1°~14°)较粗层理,有时可过渡为平行层理。常见沙垄构造,沙垄的迎风面较陡,背风面较缓,波形背风面方向一般指向流动方向。
热气底浪沉积与底屑层沉积的粒度特点有明显区别(图8-13),它在成分上的特点是石屑和晶屑明显地比上覆的熔结凝灰岩中多。
图8-13 熔结凝灰岩底屑层Md-σ图解
(据沃克,1971;斯帕尔克斯等,1974)
1—热气底浪的火山沉积物;2—样品。点线封闭区为95%的熔结凝灰岩区
4.火山尘云降落的火山碎屑沉积
是指火山爆发时,大量尘状的固体物质与水汽、气体及大气,在高温中混合成的一种尘云,于炽热致密状的火山碎屑流之上飞腾翻动,因温度的降低及速度的减弱而降落堆积在熔结凝灰岩单之流层(2b)之上。这种沉积的厚度一般较薄且变化不大,粒度极细,具明显的成层性及水平层理。它的产出可以在熔结凝灰岩之上,而且可能侧向追索至无熔结凝灰岩的地方。以上特点说明它是大气火山尘云降落沉积的性质。这种岩石具有特征的粒度,至少有70%的颗粒是小于1/8mm,但是粒度变化的范围较大,概率累积曲线表现出双众特征,即较少量的分选不好的粗屑部分及主要的分选性较好的细屑部分。
5.火山泥石流沉积(火山泥流)
是指火山碎屑流与搬运它的介质与水混合在一起的高密度流体,由于介质内各颗粒间互相靠近,碰撞变得更为频繁,碎屑物在重力和流体力的作用下搬运,因流体的运动减弱,在适当的地段堆积下来。安德逊(1933)认为,火山泥石流有三种机理:①热的火山碎屑流流入河流、湖泊形成火山泥流;②火山喷发期间,火山口湖中的火山碎屑物和水混合形成热的火山泥流;③盖在火山口斜坡上的火山灰,由于大雨淋刷变得活动起来,可顺坡流动形成冷火山泥流。
火山泥流沉积的特征:①能在较低的坡度运行,故在区域上分布较广,其末端常与河流沉积物互层;②没有层理,碎屑物的圆度较高,分选性极差,通常含巨粒及粗粒级岩屑的百分比很高;③常有反粒序,甚至有反粒序的细粒底层;④碎屑物成分极为复杂,除火山碎屑物外,常可混入各种粒度的正常沉积物;⑤火山碎屑物的含量不定,开始占10%~30%,中、后期则更多,在个别地段,火山碎屑物能够取决于地表水的流量而增减;⑥沿灌木丛及森林流动时可混有破碎成束的木质。
与火山碎屑流比较其差异之处是:缺乏熔结凝灰岩及次生喷气孔,没有层理,粒序缺失或粒序不足,固结较疏松,分选性极差,成分极为复杂。
6.水携的火山碎屑沉积
是指陆上爆发呈液态-固态的火山碎屑物,经流水以床沙形式进行搬运,因流速减慢,而沉积。所以它也具有相似于河流环境沉积的特征,如层理构造,砾石的叠瓦构造等。但水携水的火山碎屑岩中的火山碎屑物含量大于90%,陆源碎屑物则小于10%。典型水携的火山碎屑岩,一般分布范围很窄,例如组成冲积扇沉积等。
7.火山-冰碛和火山-冰水沉积
是由于山弧或岛弧火山作用所形成火山带的位置很高,因而经常形成山峰积雪和形成冰川,在地形低洼的部位融化了的冰雪形成冰川沉积及冰水沉积两类:
(1)火山-冰碛沉积:是指山麓降落的和火山斜坡的冰川,在流动过程中捕获了火山口上的粗粒火山碎屑物、斜坡上的崩积物及洪积物和火山泥流物质,除了冰川底层的表面可补偿上述成分外,还搬运以山麓顶峰滚落的碎屑物和火山碎屑物,这些成分在冰川的滚动路径中的不同地段都会有所变化。
火山-冰碛沉积的特征是:①具有典型的切割地形,经常沿火山口斜坡呈舌形而延伸;②厚度达100m或更厚,正常冰碛沉积物厚度比它大2~3倍;③粗碎屑物为主,比正常冰碛沉积的黏土矿物大4~6倍;④分选性极差,但常有两个方向的层理;⑤砾石成分复杂,分布也极不均匀,大小混杂,排列无序,有时还见砾石嵌入微层理发育粉砂岩中;⑥碎屑物的形状及磨圆度随流动的距离不同也很不一致,尖棱角碎屑物可磨为半滚圆的形态,并且表面有磨光面或凹面。
(2)火山-冰水和火山湖-冰水沉积:它和火山-冰碛沉积的特征相似,但亦有如下的差别:常呈薄层的透镜状产出,开始有类似正常湖-冰水沉积的水平层理或微波状层理,碎屑物有磨圆,有时还有火山碎屑物的夹层。
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