破火山口研究述評

丁 毅，孫繼明，吳云霞

1)河北地質大學交叉科學學院，石家莊，050031；2)河北地質大學地質調查研究院，石家莊，050022；3)河北地質大學非洲資源與環(huán)境研究中心，石家莊，050022；4)河北地質大學地球科學院，石家莊，050031

內容提要：破火山研究是火山學研究的一個重要分支，也是國內外學者持續(xù)關注的熱點，這是因為形成破火山口的巖漿演化時間長，多是大型多金屬、貴金屬、鈾礦等礦床的聚集地，大型破火山口的形成在地球生物進化史中影響很大。筆者等對破火山口的概念、容易混淆使用的分類和名詞、世界知名破火山口及其形成理論研究、大型破火山口的研究認識與礦床形成的關系、中國破火山研究和今后努力的方向進行了一個總結。實際上在科學研究的階梯上搭了一個向上繼續(xù)向上的階。期待學者在這方面又高水平的研究，為國家戰(zhàn)略資源保障和為世界破火山口研究做出中國貢獻。

破火山口研究是國內外學者持續(xù)關注的熱點，因為：① 大型破火山口的形成地質年代的研究有助于理解地球生物演化過程；② 監(jiān)視和防范大型破火山口的復活避免對人類的傷害；③ 有助于理解板塊構造理論與破火山口的成因關系；④ 破火山口區(qū)域范圍常有鈾、多金屬、貴金屬等大型礦產。這些重要意義造就了破火山口研究已經成為了火山學一個重要的分支，這個重要的分支在全球的研究進展的述評十分必要，特別是每經過三至五年，一個學科分支研究需要總結，將全球在這個學科分支上的研究成果進行歸納、集合、評論，這就等于在科研的梯子上不斷向上搭階，這是提升一個國家整體科研水平的一個手段，今后的科研就是踩在一層一層的梯子上的“階”繼續(xù)向上攀登。筆者等正是出于這個目的，對全球破火山口方面的研究作個述評。

1 破火山口的概念

火山口的大小決定了我們稱其為普通的火山口還是破火山口。Lipman(1997)認為與火山活動有關、直徑大于1 km、具有陡峭的火山口內壁和相對平坦的底部。在形成特點上，破火山口是由于火山爆發(fā)形成初始火山建造之后，火山底板下的巖漿房內的巖漿經過一定的地質時期的演化，火山活動復活再次噴發(fā)或擠出而導致巖漿房中巖漿的體量被掏空，而火山口底板失去支撐而沉降，而形成了更大的火山口(Lipman, 1997; Geshi et al., 2002; Cole et al., 2005; Michon et al., 2011)，因此，破火山口具有演化時間長、多次爆發(fā)的特點。還有另外一種情況就是當巖漿爆發(fā)碎屑噴出地表后沒有繼續(xù)噴發(fā)，則半熔融狀態(tài)的火山底板巖石失去支撐，從而巖漿房的頂部塌陷形成較大規(guī)模的凹陷(subsidence)。巖漿以侵入或噴出都使得從地下深部上到巖漿房中的巖漿體量大減而導致塌陷(Branney and Acocell, 2015)。地質調查、數值計算(Holohan et al., 2015)和實驗研究(Acocell，2007)都證實了形成破火山口的這一多次噴發(fā)而沉降理論。整個破火山口的形成過程經歷了：①巖漿沿火山管道系統(tǒng)的侵入和噴發(fā)階段，即在破火山口形成之前的火山噴發(fā)或巖漿侵入活動；②部分或全部相關的火山口崩塌導致管道系統(tǒng)的破壞；③隨機分散在火山口內或沿區(qū)域構造趨勢分布的巖漿侵入形成在破火山口中心部分隆起，這種隆起也可能是由巖床復合體侵入引起的；④熱液礦化，這可能發(fā)生在火山口的整個形成過程，但在最后的這一過程呈主導活動(Cole et al., 2005)。

2 破火山口的分類

2.1 根據地貌形態(tài)分類

有3種類型：與層火山(stratovolcanoes)崩塌有關的火山口湖型破火山口(crater-lake type)，與盾狀火山(shield volcanoes)頂部坍塌有關的玄武質型破火山口(basaltic calderas)，大型火山形成后又經歷多點噴發(fā)且崩塌的復活型破火山口(resurgent calderas)。為避免漢語音譯造成不必要的混淆，例如：僅Vulcanian(式)火山就有伏爾加諾(式)、瓦爾加諾(式)、烏爾加諾(式)火山，筆者等提及的火山或破火山口的名稱采用原文。

火山口湖型破火山口是在Plinian式火山噴發(fā)的主要階段之后，火山口下面的巖漿房被掏空失去支撐，導致之前形成的火山口塌陷，周圍形成較厚的熔結凝灰?guī)r，這是火山口湖型破火山口的標志，但并非是識別這種破火山口的必要條件。最典型的也是根據這一火山口的名字命名的就是美國俄勒岡州的火山口湖(Crater Lake)。

火山碎屑密度流(PDC, Pyroclastic Density Currents)是一種沉積性的流體，Plinian火山爆發(fā)碎屑柱體傾斜在火山側面, 碎屑物和高溫的氣體混合物受重力控制形成片流層(Acocella, 2021)，碎屑物包括巖漿源碎屑和由流體流動時裹挾的地面原有的碎屑(Brown and Andrews, 2015)。大小不同的火山噴發(fā)都可以形成PDC(Acocella, 2021)。在Plinian火山爆發(fā)和亞Plinian火山爆發(fā)時，常形成浮石和火山灰為主的沉積物，稱之為ignimbrite[教科書譯為熔結凝灰?guī)r；魏海泉等曾譯為伊格尼姆巖；魏海泉等(2022)譯為“浮巖流”，以強調其噴發(fā)柱塌陷高速向外泛濫的富浮巖質火山碎屑流成因; 丁毅(2022)強調巖漿的熾熱，認為譯為“熔接凝灰?guī)r”，更能對應于英文的welding]。包含巖漿上侵—火山爆發(fā)整個過程的源巖漿碎屑，體量小的熔結凝灰?guī)r的成分變化為玄武質—安山質，體量大的熔結凝灰?guī)r的成分為英安質—流紋質(Acocella, 2021)。熔結凝灰?guī)r含有巖屑、晶屑，塑變玻屑、漿屑等。塑性碎屑常形成壓扁拉長(如形成：紡錘體)，繞過剛性碎屑形成平行排列的火山碎屑結構顯示出可塑性和延展性，手掌大小的浮石碎片被熾熱基質緊密包裹中，這種流動性又顯得非常黏稠，形成焊接角礫碎屑流，其中的浮石碎塊和巖屑大小從火山彈狀至礫狀都有，周圍是更細的玻璃、晶體和巖屑的基質，經過流動變形、壓實、熔結和沉積后形成(Camp, 2022)。

玄武質型破火山口，許多盾型火山的頂部地區(qū)都有破火山口，如夏威夷的Mokuaweoweo 破火山口和Kilauea 破火山口，埃塞俄比亞的Erta Al caldera火山口，法屬Reunion 島的Piton del la Fournaise火山口，以及Galapagos群島Fernandina盾狀火山口。地球上大多數玄武質盾狀火山噴口的直徑為1～5 km。然而，在火星上觀測到的盾形火山巨大，如：Olympus Mons 破火山口，直徑超過60 km。

復活型破火山口，火山活動經過地質年代較長的時期復活再度噴發(fā)和侵入，形成多點噴發(fā)且復活崩塌的破火山口，是地球上規(guī)模較大的破火山口。通常是地下巖漿房較大、演化時間長、多次噴發(fā)所形成的直徑在15到100 km之間的火山口湖，這些破火山口與火山口湖型破火山的形成過程相似，區(qū)別在于直徑超大、中間有直徑約1 km的隆起(圖2)。這些復活的火山口中地質年代最年輕的是印度尼西亞蘇門答臘島Toba火山口，是74 ka前形成的。在美國有3個不到1.5 Ma前的復活火山口：美國新墨西哥州的Valles火山口、美國加利福尼亞州的Long Valley火山口和美國懷俄明州的Yellowstone火山口。復活崩塌的破火山口底部通常有流紋巖流、玄武巖流呈層狀鋪墊，也有巖漿侵入巖穹出現?；鹕娇诘男纬墒加诘貧ぢ∑?，伴隨著大量富含氣體的流紋巖漿溢出，它們沿環(huán)形裂縫從巖漿通道向外溢流到地表，同時各種氣體隨同巖漿一起逃逸。巖漿減壓導致大規(guī)模的氣泡的形成和火山灰向高層大氣中的爆炸性噴發(fā)。隨著噴發(fā)減弱，火山碎屑流開始沿環(huán)形裂縫溢出, 巖漿室中的巖漿被耗盡的同時其地殼頂部開始坍塌?；鹕娇诘撞康膹突铍A段大約需要1～100 ka才能完成。這一時期的抬升可能是由巖漿房坍塌頂板下剩余巖漿的壓縮或新巖漿進入巖漿房控制的(Goff et al., 1994)。

圖2 破火山口形態(tài)、構造、巖漿活動特征示意圖

2.2 根據成分分類

這種分類只有描述意義而不具成因意義，根據噴發(fā)物的主要成分(玄武巖、過堿性巖、安山巖—英安巖、流紋巖)對火山口進行描述，并給出了各大類的特征。噴發(fā)類型可能是噴溢式或爆炸式，前者主要是玄武巖流溢出，后者主要發(fā)生在安山巖—英安巖、流紋巖和過堿性巖漿活動。

2.3 形狀描述性分類

火山口是所有火山環(huán)境中的重要特征，通常是地熱活動和礦化的場所。然而，在過去30 a中，綜合分析破火山的剝蝕研究、火山口內部的地球物理分析、破火山形成的模擬模型的建立，對破火山進行了完全的三維研究。隨著越來越多地使用火山口的數據，它們的個性變得明顯。對破火山口的塌陷類型(圖1)有成熟的五種名詞來描述：活塞式(piston)，邊部有環(huán)狀構造；碎塊式(piecemeal)，破火山口內斷裂發(fā)育，形成內部起伏不同的塊體；活板門式(trapdoor)，不均勻對稱，一端構造發(fā)育另一端呈撓曲下凹；下凹式(downsag)，向內凹陷，但斷裂不發(fā)育；漏斗式(funnel)，下沉垂直且比較窄(Walker, 1984; Lipman, 1997; Cole et al., 2005; Acocella, 2021)。

圖1 五種描述破火山口的幾何類型(基于Acocella, 2021)

地面變形包括沉降或塌陷(破火山口的基本特征)、隆起或膨脹、復活引起的破裂。塌陷是一個描述破火山口形成過程中最常用的詞匯。然而，在各種破火山口的形成中可能發(fā)生在先前存在的區(qū)域構造的基礎上，例如：區(qū)域斷層或火山口形成間產生的環(huán)形斷裂，塌陷區(qū)域的形狀將受巖漿房的深度、大小和形狀的影響。破火山口的最終形態(tài)將取決于火山口底部的破裂方式、崩塌是在一個事件還是多個事件中發(fā)生的(垂直運動在整個噴發(fā)序列中是間歇的還是連續(xù)的)、中心塊體是在一個或多個崩塌中心均勻或無序地沉降等(圖2，圖3)。

圖3 美國俄亥俄州的Crater lake火山口形成示意圖(基于United States Geological Survey, 略有修改):(a)火山形成后，在側面又有噴發(fā)，酸雨對地區(qū)氣候有很大影響，此時巖漿房沒有大規(guī)模持續(xù)向上運移巖漿；(b)巖漿復活階段，大規(guī)模和多點式噴發(fā)，掏空巖漿房，造成初始火山崩塌, 形成很多的放射和環(huán)狀斷裂；(c)沿著斷裂初始火山形成前后的斷裂、塌陷過程形成的放射性和環(huán)狀斷裂，晚期礦化液體充填；(d)最后有中心或側翼巖漿侵入，形成小巖株穹窿或礦化穹窿

3 世界一些破火山口特征和研究

3.1 俄勒岡州的火山口湖破火山口

該火山口壁高出湖面600 m(圖4a)，是北美最深的淡水湖。這一巨大的凹陷是大約6.85 ka前Mazama層火山猛烈噴發(fā)和坍塌形成的，這次大規(guī)模噴發(fā)產生的火山灰大約是1980年圣海倫斯火山噴發(fā)產生的VEI(參見丁毅，2022)的50倍。在Plinian式火山噴發(fā)階段，約30 km3的火山碎屑物質噴出，從而消耗巖漿房中的巖漿，使其頂部無支撐。當熔結凝灰?guī)r在Plinian末期噴發(fā)時，火山大廈開始沿著環(huán)形裂縫坍塌。崩塌產生額外的火山碎屑流和10 km寬的破火山口。自那以后，火山口一直是幾次小規(guī)模噴發(fā)，噴發(fā)的安山～流紋熔巖覆蓋了火山口底部的部分區(qū)域。主要活動期時形成10 km寬的Mount Mazama山頂的破火山口和噴涌出席狀火山碎屑流(著名的Mazama熔結凝灰?guī)r)。而后，它們會逐漸下沉，形成一個由凹坑和階地組成的嵌套結構(Bacon et al., 2006; Nelson et al., 1994)。Crater lake噴發(fā)形成的礦床保存完好，交通便利，是研究火山和巖漿過程的天然實驗室。與火山口形成噴發(fā)相關的研究對火山學家來說至關重要，有助于他們了解大型爆炸性噴發(fā)、巖漿室中的成分分帶和崩塌火山口機制。

圖4 世界著名破火山口實地照片和衛(wèi)星照片:(a)美國俄勒岡州的Crater Lake破火山口;(b)俄國遠東千島群島Yankicha破火山口;(c)美國Valles破火山口衛(wèi)星照片;(d)埃塞俄比亞國Erta Ale破火山口;(e)菲律賓的Laguna破火山口;(f)美國黃石破火山口衛(wèi)星照片;(g)夏威夷Mokuaweoweo火山口;(h)印度尼西亞Toba火山

3.2 Yankicha破火山口

Yankicha破火山口(圖4b)位于俄羅斯遠東千島群島中(47.52°N，152.8°E)，是火山口湖型，是安山巖漿噴發(fā)形成，除了破火山口內有兩個熔巖穹隆外，歷史時期還有水汽噴發(fā)(Gorshkov, 1970; Sazonov et al., 1995)。Yankicha巖漿房崩塌后，海水與火山水下噴口的過熱水混合。這種混合創(chuàng)造了一個充滿獨特魚類和植物的生態(tài)系統(tǒng)。大約9.40 ka前形成的一個1.6 km寬的小火山口在南部被狹窄地沖破，使得海水能夠填滿火山口。

3.3 Erta Ale玄武質破火山口

Erta Ale破火山口(圖4d)，位于埃塞俄比亞國境內(13.6°N，40.67°E)，是玄武質破火山口，山頂是0.7 km × 1.6 km的橢圓形火山口，另一個較大的1.8 km × 3.1 km寬的凹陷，平行于Erta Ale山脈的走向延伸，以東南側的曲線斷層陡坎為界。從這些裂隙中流出的玄武巖熔巖流涌入破火山口，局部溢出其邊緣山頂火山口通常還至少有一個長期熔巖湖，該熔巖湖自1967年或1906年以來一直活躍。最近的裂縫爆發(fā)發(fā)生在北側。(Harris et al., 2005; Pagli et al., 2012; Wiart et al., 2015)。

3.4 菲律賓Laguna 破火山口

位于馬尼拉東南(14.42°N, 121.27°E), 一個12 km × 24 km的橢圓形破火山口(圖4e)，構成了呂宋島最大湖泊。由更新世玄武巖—玄武安山巖火山形成。根據Laguna火山碎屑流沉積物中木炭的放射性碳年代測定表明其年齡約為47 ka、27～29 ka前至少兩次大的爆炸性噴發(fā)期間形成，有玄武安山巖、安山巖、粗面巖、流紋巖(Catane et al., 2005; Catane et al., 2004)。

3.5夏威夷的“Mokuaweoweo”破火山口

該破火山口位于Mauna Loa火山山頂(圖4g)。美國夏威夷州夏威夷大島(the Big Island of Hawaii)面積為16636 km2，位于太平洋中，是世界上最大的島鏈，由137個火山島組成，被認為是板塊運動的熱點地區(qū)(hot spots)，大約1 Ma 至 700 ka前，構造運動導致了6000 km長的火山島鏈的形成，這里存在的都是玄武質型破火山口。位于大島的中南部的Mauna Loa火山是夏威夷大島的五座活盾火山之一，研究表明Mauna Loa約400 ka才上升到海平面以上，它是夏威夷火山國家公園的主要景點, 被認為是世界上最大的陸上活火山，海拔4169 m，估計體積為75000 km3。Mokuaweoweo破火山口面積為6.2 km × 2.5 km，深度達180 m，由三個重疊的不同洼地組成，從北向南，第一個圓形區(qū)域的直徑約為1 km, 中間部分為長方形，約為4.2 km × 2.5 km。最南端的地區(qū)直徑不到1 km。Lua Hou和Lua Hohonu是兩個小火山口位于Mokuaweoweo的西南部。Mauna Loa東部有Kilauea火山、西北部的Hualalai火山和東北部的Mauna Kea火山包圍。從1843年至今，Mauna Loa火山噴發(fā)了大約33次，平均每6年噴發(fā)一次。研究還表明，Mauna Loa玄武質火山由易流動的熔巖流組成，由于熔巖的黏度極低，火山的噴發(fā)速度很快，熔巖能夠長距離移動。大多數噴發(fā)發(fā)生在山頂火山口，然后遷移到在山谷帶中噴發(fā)。除了山頂和兩個山谷帶之外，Mauna Loa火山西北側也是一些噴發(fā)的源頭(Amelung et al., 2007; Riker et al., 2009; Zimbelman et al., 2008)。

3.6 法屬Reunion島的Piton del la Fournaise玄武質破火山口

Reunion島位于西印度洋，Piton del la Fournaise是地球上最活躍的火山口之一，噴溢出玄武質熔巖流，巴黎環(huán)球物理研究所運營的皮頓火山觀測站(Piton de la Fournaise Volcano Observatory)持續(xù)對Dolomieu這座非?；钴S的火山進行了監(jiān)測，Dolomieu是一個400 m高的玄武質破火山，在其側面530 ka中共形成Piton del la Fournaise 3個破火山口, 屬于玄武質型破火山口，分別形成在250 ka、65 ka和不到5 ka前，是由火山向東逐漸坍塌形成的。許多火山碎屑錐點綴著火山口的底部及其外側。自17世紀以來，發(fā)生了150多次噴發(fā)，其中大部分噴發(fā)產生了玄武巖熔巖流。1708年、1774年、1776年、1800年、1977年和1986年，只有六次噴發(fā)源自火山口外側的裂縫(Michon et al.,2009, Oehler et al.2008)。

3.7 印度尼西亞的Tambora火山口湖型破火山口

Tambora位于印尼桑巴瓦島北岸，是近200多年最大的火山噴發(fā)。它現在高2851 m，在1815年的噴發(fā)中失去了大部分頂部。目前火山仍然活躍；1880年和1967年發(fā)生了較小的噴發(fā)，2011年、2012年和2013年發(fā)生了地震。Tambora火山災難性的噴發(fā)始于1815年4月5日，伴隨著輕微的震動和火山碎屑流，之后發(fā)生了猛烈的爆炸將火山崩炸，火山碎屑流和海嘯造成至少1萬名島民死亡，3.5萬多人的家園被毀?；鹕絿姲l(fā)前，Tambora火山大約有4300 m高。噴發(fā)結束后為2851 m高，火山口成為一個直徑約6 km的破火山口。Tambora火山向大氣中和附近噴發(fā)了多達150 km3的火山灰、浮石和其他巖石碎塊，以及包括估計60億噸硫等有害氣體的氣溶膠。由于這種物質與大氣中的氣體混合，它阻止了大量陽光到達地球表面，最終使全球平均溫度降低了3 ℃。對印度尼西亞桑巴瓦島及其周圍島嶼的直接影響最為深遠，農作物無法生長，約有80000人死于疾病和饑荒。1816年，遠在西歐和北美東部的世界部分地區(qū)在6月、7月和8月經歷了的大雪和霜凍。這種寒冷的天氣事件導致這些地區(qū)農作物歉收和饑荒，1816年被稱為“無夏之年”。Tambora火山地區(qū)最老的熔巖的年齡約為50 ka，最年輕的是1815年沉積在印度尼西亞的火山灰和巖石層。在這些巖層之下是些更老的巖石，通過這些信息，地質學家或許能預測下次噴發(fā)的時間(Cole-Dai et al., 2009)。

3.8 Galápagos Islands玄武質型破火山口

Galápagos Islands是東太平洋上的群島，該群島由13個大島嶼和6個小島嶼，以及數10個小島組成，面積超過17000 km2。它們是南美洲厄瓜多爾的一部分，距離厄瓜多爾海岸約966 km。與夏威夷群島相似，Galápagos Islands是東太平洋一個熱點地區(qū)，由一系列盾狀火山和一些山頂火山口組成。費爾南迪納島(Fernandina Island)是火山鏈中火山活動最活躍的島嶼，有一個深橢圓形火山口，4×6.5 km。1968年，一次大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)導致了近代史上最大的火山口崩塌。像大多數盾狀火山噴口一樣，費爾南迪納火山噴口不對稱的方式坍塌，在某些地方下沉350 m(Munro et al., 1996)。

3.9 俄羅斯堪察加半島的Uzon火山口

堪察加半島位于俄羅斯遠東地區(qū)，半島總面積為270000 km2，有3個野生動物保護許多其他保護區(qū)。堪察加半島的主要景點是火山, 共有300多座火山，其中有30座是活火山。Uzon破火山口是其中熱液系統(tǒng)最強、沒有被人類改變過、自然美景仍然非常原始、以旅游為主的破火山口。Uzon火山口形成于大約40 ka前，火山爆發(fā)形成了一個直徑約10 km、總面積為150 km2。邊緣陡峭，約200～900 m深。這是一個火山湖型破火山口，像一個露天博物館，這個獨特的火山區(qū)造就的各種美麗的風景和特別的動物種群。在200～350 m 的狹窄區(qū)域分為5個熱場，包括數千個有大量蒸汽流的溫泉、火山、泥漿、池塘和熱湖。當你直接看到這個火山口時，你會感受到非凡的自然奇觀(Global Volcanism Program, 2013)。

4 超級破火山口

人類還沒有看到火山爆發(fā)指數VEI>7的超級火山爆發(fā)，但是通過熔結凝灰?guī)r的體量計算出世界上有些火山的爆發(fā)指數VEI>7、演化時間長、規(guī)模大(面積超過100 km2)。這些超大型的火山爆發(fā)曾經或者未來復活都會對全球生物演化產生影響。超級大型破火山口還有一個重要的特點，就是在沉降區(qū)域內有各種礦產。超級破火山口下方的巖漿房的結構和壽命控制著火山的危險性和資源潛力。鎂鐵質火山口的噴發(fā)的巖漿量約為0.1～8 km3, 長英火山口噴發(fā)的巖漿量約為1～5000 km3(Smith, 1979)，超級破火山口都是長英質火山～巖漿活動多次復活演化的結果。

4.1 黃石復活型破火山口

黃石火山口是復活型破火山口，是地球上VEI>7的超級火山，位于美國懷俄明州黃石國家公園(圖4f)。這座巨大的火山口經過多次噴發(fā)形成(2.1 Ma, 1.3 Ma, 0.64 Ma)。黃石火山口長達72 km。最近的科學分析表明，該火山口下面的巖漿房比之前認為的大2.5倍，測量達到令人驚嘆的程度，為：90 km×30 km×10 km(深)，含有大約25%的巖漿尚未冷凝。在150 ka前，其西側有小規(guī)模的噴發(fā)。自上次噴發(fā)以來，黃石公園一直處于不安狀態(tài)，地震活動性很高，不斷發(fā)生隆起/沉降事件，熱液活動強烈。使用歐洲航天局ERS-2衛(wèi)星的雷達干涉測量，對黃石公園的一種新的地表變形模式進行了觀測，到目前隆起了8 cm, 推斷是地下巖漿活動的結果(Wicks et al., 2006)。

4.2 美國Valles破火山口

Valles火山(圖1c)大約在1.25 Ma前爆發(fā)，形成復活型破火山口，位于新墨西哥州境內(35.908°N，106.517°W)，“超級噴發(fā)”在地面形成一個環(huán)形斷裂，并呈近圓形下沉，形成一個20 km × 23 km的火山口凹陷。火山爆發(fā)之后，巖漿沿環(huán)狀斷裂侵出，形成穹隆式巖漿充填和火山口底板的隆起，形成了Redondo Peak復活穹隆(resurgent dome)。中央火山口底部的穹窿復活發(fā)生在1.25～1.22 Ma前，以2次火山活動為主，火山活動一直延續(xù)到40 ka前。地震波調查表明，火山口下方有一個低速帶，目前存在著一個活躍的地熱系統(tǒng)，地表有溫泉和噴氣孔(Goff et al., 1994；Reneau et al.,1996; Self et al., 2005)。

4.3 印尼蘇門答臘島的Toba 破火山口

這是一個復活型破火山口(圖1h)，是地球上較大的第四紀破火山口，35 × 100 km，它是在1200 ka前，經過四次熔結凝灰?guī)r噴發(fā)形成的。其中最新的一次是大約74000年前，從今天的Toba湖西北端和東南端的噴出凝灰?guī)r，噴發(fā)出2800 km3的火山碎屑物質，是過去2 Ma來世界上最大的“超級火山”(噴發(fā)產物>1000 km3)，也是世界上最年輕的仍在活動的復活火山?；鹕娇诒谟晒派猩鶐r組成，使Toba火山口成為地球的窗口。然后，這個火山口充滿了大氣降水，變成了Toba湖(體積為240 km3)，其中薩莫西爾島位于該湖的中部。爆發(fā)了近2 Ma來最大的一次火山噴發(fā)。目前的火山口分多階段形成：發(fā)生在840 ka、700 ka和74 ka。74 ka的火山活動形成凝灰?guī)r，體積為2800 km3。在火山口周圍，凝灰?guī)r的厚度超過600 m。估算這次火山爆發(fā)導致了全球6～10年陷入低溫的環(huán)境中(Costa et al., 2014；Knight et al.1986; Rampino et al., 2000)。再加上1500 km3的PDC沉積物(Costa et al., 2014)。

4.4 阿根廷Cerro Galán破火山口

CerroGalán火山口(25°57′S; 66°57′W)是一個直徑約35 km×25 km, 形成約在 6～2.2 Ma的橢圓形破火山口(圖5)，位于阿根廷西北部安第斯山脈的頂部，在阿根廷和玻利維亞的邊界。在火山口內，熔結凝灰?guī)r累積到2 km的厚度。在新生代期間該火山復活，沿著北部火山口環(huán)斷裂，形成超過3500 km2的熔結凝灰?guī)r巖層，該火山口在形態(tài)、地質演化和構造背景上與美國新墨西哥州的Valles火山口極為相似(Francis, 1982)。這些英安巖的形成是非爆炸性的，由于其揮發(fā)性含量低，在火山口形成噴發(fā)的巖漿快速起泡(脫氣)過程中丟失。復活后形成了目前35 km × 20 km的火山口形成火山口，稱為Cerro Galán湖，在不到10 ka的時間里，周邊還形成了一些小型噴口。35 km×20 km的Cerro Galán復活火山口是迄今為止在安第斯山脈發(fā)現的最大的中新世破火山口。Cerro Galán雜巖發(fā)育前在寒武紀晚期至晚古生代的片麻巖、角閃巖、云母片巖和變形千枚巖和石英巖的基底上。早中新世，基底沿大型南北逆斷層抬升，形成地壘和地塹地形(Francis et al., 1978；Francis et al., 1983)。15 Ma之前，該地區(qū)開始發(fā)生火山活動，形成了幾個安山巖—英安巖火山，并在7～4 Ma期間導致至少九次熔結凝灰?guī)r噴發(fā)。這些熔結凝灰?guī)r被稱為Toconquis熔結凝灰?guī)r，它是在大約2 Ma的休眠期之后，流紋英安質巖漿的一次大噴發(fā)形成了1000 km3的Cerro Galán熔結凝灰?guī)r，火山口向各個方向延伸100 km，形成了30～200 m厚的流紋質熔巖流層(Folkes et al., 2011)。先期的流紋英安巖SiO2含量高于Toconquis熔結凝灰?guī)r，但K2O含量低于Toconquis熔結凝灰?guī)r。這次噴發(fā)被認為是由一個坩堝塊(cauldron block)進入巖漿房，而導致的災難性坍塌(Sparks et al., 1985)。

圖5 阿根廷Cerro Galan破火山口，是一個南北方向延展的橢圓形

5 破火山口分布規(guī)律

破火山口出現在所有全球構造—火山環(huán)境中，有一定的規(guī)律：玄武質型破火山口分布在海洋板塊內熱點的位置，但也出現在大洋中脊位置的一些不同板塊邊界(如: 東太平洋隆起，Fornari et al., 1984；冰島地區(qū)，Gudmundsson，1995)。安山巖—英安巖破火山口通常與聚斂板塊邊界有關，它們出現在島弧(如：Tofua Island, Baker et al., 1971)和大陸邊緣弧(如: Crater Lake, Bacon, 1983)中的火山上。過堿性火山口與深斷裂延展地區(qū)相關，如：東非裂谷的埃塞俄比亞的Elliptic 破火山口(Acocella et al., 2002)，但也出現在匯聚板塊邊緣局部伸展率異常高的區(qū)域(如: 新西蘭Mayor Island，Houghton et al., 1992)或板塊內海洋島嶼(如: Las Canadas caldera，Marti et al., 2000)。流紋巖火山口主要出現在大陸邊緣地區(qū)，或與聚斂板塊邊界有關(如: 新西蘭Taupo volcanic zone；Wilson et al., 1995)，也與大陸地殼的裂谷作用有關(如: 美國新墨西哥州中南部，Elston，1984)。還觀察到流紋巖火山口與大陸熱點(如: 黃石公園破火山口，Hildreth et al., 1984)，最近在一些海底弧—弧后系統(tǒng)中發(fā)現(如: 新西蘭島NE方向800 km的Kermadec破火山口, Wright et al., 2003)。

6 破火山口與礦產

破火山口有關礦產大多數發(fā)現在復活型破火山口地區(qū)：大型破火山口的巖漿演化是長期和體量大的，后期相伴的熱液活動延續(xù)時間長，因此它們所在的區(qū)域范圍大多含有各種礦產，目前已知礦化有U、Hg、Au—Ag、Mo、Li、Be、Sn、W等?；鹕娇谕ǔＲ彩堑責峄钴S的場所，使其成為發(fā)電的潛在場所，例如在新西蘭Taupo火山帶(Bibby et al., 1995)。

破火山旋回的最初階段，巖漿侵入上部地殼從而導致上伏于巖漿房的地層區(qū)域性隆起?；蛟S在最初就已經形成環(huán)狀構造，但是由于之后的火山噴發(fā)覆蓋致使火山口附近的斷裂消失而遠處的得以保存，沿著這些呈巖脈展布的斷裂方向往往被后期石英和其它物質混合的各種礦脈。

(1)俄勒岡州的Mahogany破火山口形成環(huán)狀巖墻和以環(huán)形穹隆形式的流紋巖環(huán)狀巖脈，熱液流體上升至洼地的沉積層中，形成銻礦和鈾礦床。熱水沉積型Li礦和U礦也發(fā)育在放射狀和環(huán)狀構造在破火山活化構造穹隆內，與巖脈在邊緣充填。

(2)玻利維亞索萊達破火山口最初階段是大約15 Ma前在現破火山口西南邊緣拉霍亞一帶，有小型英安巖巖株群的侵入。這些巖株與強烈的熱液蝕變及含少量As、Sb、Mn、Bi、W、Sn的低溫熱液脈型和浸染型Au—Ag—Cu—Pb—Zn礦化有關。在8.8 Ma前，破火山口邊緣外環(huán)破裂而形成了一連串小型流紋巖穹窿。破火山口塌陷發(fā)生在約5.4 Ma前，同時伴隨著索萊達凝灰?guī)r的噴發(fā)。這些構成了一套由凝灰?guī)r組成的巖石序列，面積為240 km2。該破火山口被認為是巖漿最初形成有多個突起巖株但實際上底部相連的巖基，后發(fā)生火山活動。

(3)在美國內華達州McDermitt破火山雜巖中，過堿性熱液礦脈延伸達3 km，整個巖脈為一熱液型鈾礦床。破火山口實際上起著一個封閉盆地作用，將熱液循環(huán)限制在盆地中。在McDermitt破火山雜巖中，也發(fā)現有熱液汞、鈾礦鉬礦床、貴金屬礦。

(4)西班牙的Rodalquilar破火山口在復活期形成放射狀和環(huán)狀構造的金—明礬石礦床。年齡為11.0 Ma。破火山口活化期中，環(huán)狀穹隆被沿著其南面和北面的環(huán)狀裂隙斷裂所侵入并在其中心部位形成構造穹隆。中心構造穹隆的進一步活化導致在穹隆中放射狀斷裂的發(fā)育。再生的巖漿伴隨著Lazaras火山灰流凝灰?guī)r的爆發(fā)，在Rodalquilar破火山口活化穹隆內形成Lomilla破火山口，它具有放射狀斷裂，在東部有閃長巖株的形成并造成局部隆起和斷裂帶，隨著SO2從巖漿中逸出，酸性硫酸鹽蝕變導致了沿東部環(huán)狀斷裂和裂隙中形成明礬石和發(fā)育大型水晶晶洞。

(5)美國內華達州是世界上著名的黃金產地，這一地區(qū)所分布的許多礦山都與大型復活型Valles破火山口有關，是世界上大型貴金屬礦床聚集地。其中：Lake Owyhee東部火山巖田的礦床也是由于區(qū)域斷裂復活型破火山口。在DeLamar—Duck谷斷裂帶中，16 Ma前噴發(fā)出流紋巖流層，DeLamar和Stone Cabin金—銀礦床產在其上部。礦脈的形成年代與流紋巖形成的年代一致，表明這些貴金屬礦化就是流紋巖的形成所產生的，且礦脈充填了穹隆和熔巖流中的構造斷裂(Mills et al., 1988)。

(6)美國亞利桑那州Jerome地區(qū)的破火山口的研究認為：Cu、Au、Ag礦床均與遠古宙火山爆發(fā)形成的流紋巖有關、破火山口斷裂被硫化物礦脈充填和形成硫化物穹窿，還發(fā)現了罕見的黑煙柱。20世紀初開采了3300萬噸高品位銅礦，其中以Cu為主，Cu含量為4.79%，Au為1.22 g/t, Ag為45.6 g/t。

7 中國的破火山口研究

我國學者已經在本土發(fā)現了許多破火山口，如：直徑大約6 km的河北的香爐山破火山口位于圍場縣南四道溝鄉(xiāng)一帶。地質構造位置處于康保—赤峰深斷裂邊部的清泉斷陷盆地的南緣。面積約100 km2。區(qū)內主要堆積一套 K2的中酸性火山巖、是一保存較完整的破火山口構造，邊部還有潛火山相形成。山東鄒平破火山口地層有堿性玄武質—粗面質巖石，時代為 K1, 火山碎屑厚度達4000 m，發(fā)現有熔結凝灰?guī)r。額爾古納破火山口是大面積火山巖分布區(qū)，面積約45000 km2，已發(fā)現數處大型火山巖型多金屬礦床，并在遙感解析清晰地顯出多處破火山口。此外還發(fā)現有山東的七寶山、安徽的浮山、江西的密坑山、安徽的娘娘山、浙江的芙蓉山等破火山口等。

8 結論

(1)破火山口分為火山口湖型、玄武質型、復活型破火山口。這個分類簡單、通俗、又具有成因意義。而以某巖石為主的成分分類只是具有描述意義上的分類。破火山口研究已經建立了一套人們習慣的標準的術語。

(2)初始火山的形成和后來破火山口的形成都與地下巖漿房不斷演化有關，隨著巖漿的演化，礦化液或沿著初始火山形成之前的區(qū)域斷裂、或沿著破火山口的塌陷所形成的環(huán)形斷裂和放射性斷裂形成多點和多期的充填，甚至形成礦化穹隆，破火山口區(qū)域范圍內和附近可能存在各種礦產。世界上許多復活型破火山口地區(qū)都是大型礦產的聚集地，而礦產的種類又受區(qū)域地層、火山形成前的區(qū)域構造、巖漿種類等多種因素控制。

(3)破火山口的研究不可缺失地對破火山口類型判別、地貌的描述(范圍和深度)、火山活動分期、斷裂與礦化、礦化脈與巖漿演化階段的關系等方面進行深入的研究，包括任何破火山口之前的構造特征、區(qū)域老地層的、初始火山的形狀和成分；我們現在看到的破火山口是分幾期形成的、形成年代、崩塌事件的數量(單一事件還是多事件？)、崩塌幾何形狀(多塊，對稱還是不對稱？圓形還是橢圓形？)；是否有礦化脈、它們的礦物組合特征、沿著火山前還是破火山形成之后的斷裂充填？礦化脈與巖漿演化的關系？

(4)筆者等列舉4個大型復活破火山口，都是最初火山的爆發(fā)指數VEI>7 的超級火山，復活噴發(fā)—塌陷后成為破火山口。這些大型火山的初始爆發(fā)形成期和復活期，都影響過地球氣候和地球生物演化，研究大型古火山口的時代有助于理解地質時代中生物滅絕的因素；復活型破火山口底下的巖漿房是否還有剩余巖漿尚未冷凝？是否還將爆發(fā)？對人類的有無威脅？中國在未來還有可能發(fā)現威脅全球生命演化的復活型破火山口，作者認為：地質發(fā)現是一個對新的現象論證的過程：一種地質現象早就存在，需要有充分的國內外文獻引述和邏輯分析去充分論證。如對一個疑似破火山口從地貌、火山巖形成的期、破火山口形成的過程等方面得到全面的論證，這就是發(fā)現！ 筆者可以肯定地說，在中國發(fā)現大型破火山口才剛剛開始，期待發(fā)現大型復活型破火山口，為世界在這方面的研究做出中國貢獻同時也為國家礦產資源安全保障做出貢獻。

致謝：審稿專家對本文提出了很好的修改意見，特此致謝。本文第一作者20世紀80年代在中國地質科學院地質研究所火山巖室工作，在此表示對導師李兆鼐先生的懷念，及對其他同事的思念。