石晓丽

摘 要：区域黄土沉积对金山火山活动有着良好的记录，但未被完全揭示出来。通过野外实地考察和实验室磁化率和化学元素的测试结果表明：1）沉积层中混入火山喷发物，其理化性质会发生变化。2）黄土沉积层中磁化率为峰值、Rb/Sr比值为谷值，疑似受到火山活动影响的层位；古土壤发育时期的磁化率值远高于其他古土壤层，可能夹杂着火山喷发物的层位。推断金山火山至少存在3期活跃期。

关键词：金山火山；黄土-古土壤序列；火山活跃期；磁化率；Rb/Sr比值

0.引言

第四纪时期，大同盆地的三个主要地质地貌事件之一是火山活动（其他两个是湖退-湖侵、古人类活动）[1-7]。大同火山群是我国六大著名火山群之一，是我国华北地区唯一保存完好的第四纪火山群，在全国各火山群中名列榜首。大同火山群集典型的地质遗迹、奇美的自然风光、独特的人文景观于一园，被誉为“东亚大陆稀有的自然遗产”和“火山地质博物馆”。大同火山群是第四纪地壳运动的典型遗存，位于平坦开阔的大同盆地东端和桑干河中游的河谷地带。在许多地学家的眼中，无论从群落整体规模和构成形态的多样性以及原始景观保留的完整性任何一个方面去看，大同火山均已成为东亚大陆地区的人们藉以认识该地区火山地质的珍稀标本。大同盆地中分布着众多火山，在大同县城周边东西跨越约30km、南北跨越约20km的范围内，分布着31座大小不一的火山（图1）。

20世纪30年代开始就有不同的学者对其活动历史展开研究。但由于测年手段的不同、野外采样层位的差异以及火山喷发的次数多等原因，目前学界对其阶段性活动历史还没有形成统一的认识，关于其活动年代仍争论不断。大同火山活动的阶段性历史是一个尚未被揭示清楚的地学问题。第四纪时期，大同盆地中覆盖着厚层黄土-古土壤沉积层；这些沉积层较好地记录着区域气候变迁与地质事件。野外实地考察发现：区域火山喷发会產生大量玄武岩质的火山渣、火山砂、火山灰和熔浆，颜色呈现出灰黑色。粗的火山渣、火山砂和熔浆会在火山锥附近沉降或者停止运动，细的火山灰物质随着风飘落到较远的沉降。第四纪大同盆地在湖泊之下形成大同古湖；区域的沉积特征显示，区域南区的火山一般位于湖泊之下，北区的火山是处于当时的湖岸之上。火山活动在时间上应具有阶段性，即活跃期和平静期之分。火山活跃期会在区域湖相沉积层和黄土沉积层中都会留下记录。本文的研究对象是金山火山活跃期，金山火山是大同火山群其中之一。金山火山位于区域的北区，主要是气下堆积的黄土沉积物。根据大量的野外调查，对金山火山活跃期在区域黄土沉积中的记录进行实验和分析，以揭示其活动期次，并拓展对大同火山活动历史的认识。

1.区域概况与研究方法

1.1 区域概况

在阳高-天镇地堑的西南和黄花梁-砂板梁地堑的东北的隆起是金山火山群，从第四纪初期开始到现在，金山火山群一直处于隆起的状态。在早更新世及中更新世时期，金山火山在湖面之上，所以这里没有湖相沉积层，上新世时期，在聚落堡处红土出露到地表之外。在中更新世时期，火山活动喷发的碎屑沉积物与红色土互层分布，说明在中更新世时期这里曾经发生过多次的火山活动。

大同火山群里最大的一个火山锥就是金山火山，在许堡-阁老庄断裂带上，属于大同火山的北区。大同火山形态多样，马蹄形火山是其的主要的形态。金山火山锥属于马蹄形火山，破口向东北敞开，北坡较缓，南坡较陡，北坡的坡度大约在16°左右，南坡的坡度大约在30°左右，南坡的相对高度比北坡高20-30 m。金山火山形态相对完整，火山山坡上部较陡，下部较缓。金山火山锥中下部的火山砾具有气孔发育的特征，火山砾呈裙状分布在火山锥的周围，因为具有气孔发育的特征使火山砾的比重要小于水的比重，可以漂浮在水体的表面，所以金山又有一个称呼叫浮石山。由于自然和人为的因素，金山火山锥附近的流水侵蚀和采石挖掘，在大同火山群中，只有金山的火山有着良好的出露，可以观察内部的结构，可以看到熔岩流的流动情况和火山碎屑的沉积层是如何堆积的。可以根据熔岩中的气孔长轴，推测出东北方向为金山熔岩流的流动方向。

金山火山在大同火山群中是保存比较好的火山碎屑锥，金山火山锥的内侧为红色的火山碎屑层并且层理发育良好，在金山火山锥的外侧沉积的是黑色的火山碎屑层[8]。在野外观察中发现金山剖面火山熔岩层以及火山碎屑物直接沉积在黄土之上，可以通过观察推断出火山喷发后熔岩流的流动方向和火山碎屑物的沉积情况。金山火山发生过多次的火山喷发，多层火山碎屑物叠加沉积，厚度不一的熔岩层，形成最后的金山火山锥。在金山火山周围裸露的剖面中，可以看到火山上面覆盖风沉黄土，下部是暗红色或者黑色火山熔岩、浮石、火山弹等火山碎屑物，火山锥周围有熔岩舌并且具有薄而窄的特点，四周有较多的羊尾沟分布。

大同盆地中分布着第四纪河湖相沉积层和黄土-古土壤沉积层，在此期间，间接性火山活动喷发一些火山碎屑物在大同盆地中沉积，在大同火山群内出现黄土-古土壤、河湖相沉积层和火山碎屑物互层分布的特殊现象。金山剖面的沉积特征是黄土与火山灰、火山渣和火山熔岩等火山碎屑物互层分布。

1.2 研究方法

根据第四纪区域沉积环境的特点，为了了解金山火山活动在黄土沉积中的记录，在野外实地考察一些出露比较好的黄土沉积剖面。在金山火山锥附近共采集了2个剖面，分别是金山西北沟剖面1和金山西北沟剖面2。

剖面样品的采集按10 cm的间隔；主要采用了磁化率和化学元素对剖面的沉积特征进行实验分析。样品的预处理主要有样品的自然风干和研磨，实验样品预处理完后开始进行磁化率测试，用10 ml圆柱形磁化率测量专用无磁性塑料杯子里称重10 g左右的样品，使用的电子天平精度为0.1 mg的美国OHAUS Explorer Pro 系列，再使用英国 Bartington 公司生产的MS2型磁化率仪器测量实验样品磁化率。对同一个样品质量磁化率进行3次测量，是为了求3次样品的平均磁化率，提高实验数据的可靠性。最后的磁化率值是平均磁化率除以样品质量然后再乘以10 g，因为质量的不同影响磁化率值的高低，磁化率就不具可比性，这样可以得到标准质量磁化率值。在上海师范大学旅游学院城市生态与环境过程重点实验室使用美国Innov-X手持型X射线荧光光谱仪实验完成化学成分的测试。要用标准样品对仪器进行校准，在每次重新测试前都需要进行校准，把样品装入密封的袋中压实测量。每个样品需要测量3分钟，之后把数据导入电脑进行数据的分析。

2.黄土沉积剖面系列特征

2.1 金山火山西北沟剖面1特征

金山西北沟剖面1（40°7′23″N、113°36′7″E，剖面底部的海拔高度是1180 m）为黄土沉积剖面，大概有12 m，裸露出古土壤S5晚期以来的黄土古土壤沉积层，有S5、S4、S3和S2发育成熟的4条古土壤层分布其中，自上而下采集了120个样品。

自上而下剖面沉积层各层特征描述如下：

1.S2 棕红色、棕褐色，亚粘土，中部有散状的钙结核，底部的钙结核成层稀疏分布，结核呈长柱状、球状和扁圆形等。

2.L3 浅黄到褐黄色，粉砂、亚砂土，质地均匀疏松，有少量小结核。

3.S3 浅红褐色，亞粘土，底部稀疏分布呈球状、长柱状和板状的钙质结核，延长分布。

4.L4 灰黄色，亚砂土，质地疏松均匀，底部有少许钙质小结核。

5.S4 棕褐色、红棕色，亚粘土，底部多为椭圆形、

长柱形和锥形等钙质结核，具有粒状和棱柱状结构。

6.L5 淡红黄色，属亚砂土，有较平整的断面。

7.S5 顶部淋溶层，棕褐色，亚粘土，粒状结构，有根孔。

8.S5 的下部是黄色砂层，混杂着一层黑色条带沉积物。

对金山剖面1进行了磁化率和化学元素的分析（图3），

剖面的磁化率曲线与野外剖面描述的黄土古土壤层位符合，说明野外剖面的判断是正确的。Rb/Sr值曲线图说明古土壤发育时期受到的风化作用较强，比值较高[9-12]。磁化率值较高的区间，元素Ti和Fe含量也呈现出较高值。

为了了解剖面古土壤S5下方砂层中所夹黑色粉砂物质的性质，用过筛法对层位中黑色粉砂物质进行了分离提纯，并进行磁化率和化学元素的实验。在金山剖面中还采集了不含黑色粉砂物质的黄砂样品、距坡麓稍远的古湖近岸处火山碎屑样用作对比，并做同样的实验（表1）。

对比测试结果发现，提纯后的黑色粉砂物质磁化率值、化学元素含量都高于其他样品，特别是比不含黑色粉砂物质的黄砂样品高出一个数量级，Ti、Fe含量也很高。金山火山坡麓处、距坡麓稍远的古湖近岸处的火山碎屑样也具有较高的磁化率和化学元素含量值；虽然其值低于提纯后的黑色粉砂物质，但是显著高于不含黑色粉砂物质的黄砂样品。测试数据显示黑色粉砂物质与金山火山坡麓处火山碎屑样品在这些参数特征上具有近似性，有化学元素Ti、Cr、Mn、Fe、Zn、Rb、Sr、Zr、Ba。

2.2 金山火山西北沟剖面2特征

金山剖面1（40°7' 8"N、113°36' 15"E，海拔高度是1190 m），剖面2出露L1到L4的沉积层，大约有17.5 m。剖面中有3条S1、S2、S3发育成熟的古土壤层和一条L1-ss弱发育的古土壤层。剖面采取了175个样品，自上而下的物理描述如下：

1.L1 灰黄、浅灰黄色，接近中部的地方略微有一点呈淡褐色，粉砂、亚砂土，质地疏松，不平整的断面垂直节理发育，呈白色斑点分布的碳酸盐。

2.S1 黄褐色、棕红色，亚粘土，具棱块状、棱柱状结构，可见白色钙膜在隙壁表面，底部钙质结核直立成层，多是圆锥形、长条形、椭圆形和树枝形等，有的结核呈现同心圆结构。

3.L2 灰黄、浅黄色，粉砂至亚砂土，质地均匀疏松，有较平整的断面，呈白色小点的碳酸盐，下端有丸粒结构。

4.S2 上部棕红色，下部浅棕褐色，亚粘土，呈白色斑点、假菌丝、管状分布的碳酸盐，中部有散状分布的钙结核，底部钙结核成层、稀疏分布，结核呈球状、扁圆形等。

5.L3 浅黄色，粉砂、亚砂土，质地疏松均匀，有白色碳酸盐小点和少量小结核。

6.S3 颜色较浅，呈浅红褐色的古土壤层，亚粘土，呈菌丝状分布的白色碳酸盐，下端增多。底部零星分布钙结核。

7.L4 黄土呈灰黄色，亚砂土，质地疏松多孔、均匀，有少许碳酸盐成白色小点，底层有较少的钙质小结核。

金山剖面2的磁化率和化学元素的分析（图4），野外剖面物理描述所判断的3条古土壤层S1、S2、S3发育成熟的古土壤层及1条L1-ss弱发育的古土壤层与磁化率值曲线变化区间是一致的。磁化率曲线图在第1、2、4、6层表现出高峰值，尤其是在第2层的磁化率值远高于其他的层位。

3.区域黄土沉积特征对金山火山活动的记录分析

金山西北沟剖面1中有2个深度区间内的磁化率值出现异常，表示在黄土沉积层中有一些高磁化率值的物质的混入。从第8层中提纯的高浓度黑色粉砂物质与金山火山锥附近的火山碎屑物在一些特征参数上虽然有差异，但是数据值都很高，反映在物源上它们具有相关性。区域火山喷发物中的磁性矿物阻挡温度较低（约580℃），磁性矿物类型应为磁铁矿[13]。在对冰岛火山的研究中发现，沉积层中混入火山喷发物，其的磁化率值会呈现出高峰值、低谷值的变化[14]。因此，判断金山西北沟剖面1中5个高磁化率深度区间内可能混入火山灰物质，第8层中直接观察到的黑色粉砂是火山喷发物聚集的结果。在L3的深度区间内，磁化率值出现小的峰值，但Rb/Sr比值没有出现小峰值，并且在野外观察到此层位有火山熔岩层的分布，推出L3的堆积时期受到火山活动的影响。金山西北沟剖面1记录金山火山曾经发生过2期火山活跃期。

金山西北沟剖面2中有3个磁化率值和Rb/Sr比值出现高峰值及一个小高峰值，分别对应野外描述的3层古土壤层和1层在L3中弱发育的古土壤层。3层古土壤的磁化率值进行对比发现，古土壤S1发育时期的磁化率值远高于其他的古土壤的深度区间；这说明古土壤S1发育时期的层位中混入了一些高磁化率值的物质，剖面的磁化率值曲线不仅仅是对曾经古气候变化的反应。因此，推断金山西北沟剖面2中古土壤S1发育时期层位中混入了火山喷发物，记录了金山火山曾有过1期活跃期。

4.结论

大同盆地中分布着大大小小31座火山，虽然火山活动年代及强度不同，但是活动喷发的岩浆源头具有一致性，即区域的火山活动是受到同以的地下岩浆源头控制。在活动年代和强度上，不同的火山应该具有一定程度上的相似性，综合表现出区域火山活动的阶段性。了解清楚金山火山的阶段性历史，对大同火山活动的阶段性历史研究可以提供相关的佐证。

1）黄土沉积层的理化性质在火山活动的影响下会发生异常变化。黄土沉积层中，含有火山灰的古土壤層，其磁化率值和Rb/Sr比值出现远高于其他古土壤层；混入火山灰的黄土堆积层，其磁化率值出现高磁化率值、低Rb/Sr比值。

2）金山火山锥附近的2个剖面分别反映出2期和1期活跃期。剖面1反映在黄土层L3堆积时期和S5古土壤层发育晚期记录了2期活跃期；剖面2反映在S1古土壤层发育时期记录了1期活跃期。综上，金山火山活动曾经至少经历过3期活跃期。

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