形成玄武岩的岩浆流动性好

雷琼世界地质公园地质遗迹的特征与对比研究_中国雷琼海口火

陶奎元　余明刚　戚建中　沈加林

1　雷琼裂谷与火山

1.1　雷琼裂谷地质

雷琼裂谷横跨琼州海峡，呈东西向展布，向西为北部湾盆地，其南北两侧以王五—文教断裂、界炮—黄坡断裂为界（图1）。

图1　雷琼地区第四纪地质图

1）沉积结构。自白垩纪开始沉积，最大埋深达5000m。白垩系地层最大厚度达2500m，古近系部分为海相沉积，最大厚度2500m；新近系主要为海相沉积，最大厚度2000m；下更新统为部分海相沉积。

2）岩浆活动。自始新世到全新世发生11期火山喷发，最盛期为 到Q2，其喷发物玄武岩石及其地球化学数据具有陆缘裂谷的特征。

3）基底起伏。裂谷内分为雷北隆起带、雷南拗陷带、海峡拗陷带、琼北隆起带，裂陷由中部向南北渐弱，次级拗陷与隆起明显受断层控制（图2）。

4）莫霍面深度。莫霍界面深度所反映的地壳厚度，在北部湾裂谷盆地为26—30km，比南、北两侧要薄，南侧海南岛中南部为30km，北侧华南沿海为30—38km，反映雷琼地区地幔上隆，地壳减薄。从较大范围来看，两广大陆是地幔拗陷区，莫霍界面较深，地壳较厚；南海诸岛是地幔上隆区，莫霍界面较浅，地壳较薄，南海中央海盆为洋壳；雷琼地区则位于上述两区之间，是两广大陆地幔拗陷区中相对隆起的部位。地壳剖面也反映雷琼裂谷的地壳厚度为26—30km，康腊面（上地壳与中下地壳的界面）深度约为10km。

5）基底深度。北侧以负异常为特征，南侧以正异常为特征。负异常为基底拗陷，正异常为基底隆起。雷琼裂谷的重力异常值为－2mGal左右，向北有逐渐降低之趋势，它位于华南弧形重力低与南海环形重力高的交接部位，南侧为五指山重力低，北侧为信宜重力低。

6）地温场特征。高热流值和高地热增温率说明雷琼地区热源丰富，地幔的热源物质通过断裂通道排泄出来，这也是裂谷的特征之一。雷州半岛和琼北的平均地温梯度为4.3℃/100m，远远大于世界平均的地热增温率（0.6℃/100m）。

1.2　火山活动史（表1）

古近纪

1）古近纪始新世（E2）。琼北福山盆地沙港组（E2）暗色泥岩和灰黄色沙砾岩湖相沉积中夹有玄武岩，称为流沙港期火山岩。琼北长昌和澄迈老城埋深900m以下的玄武岩和斜长辉石玄武岩也是始新世火山岩。

2）古近纪渐新世（E3）。儋州木棠埋深37.9 m的石英拉斑玄武岩为（2843.48± 87.81）×104aB.P.，文昌蓬莱小学埋深47.7m的碱性橄榄玄武岩为（2748.15±78.64）× 104aB.P.，两者均出露至地面，代表雷琼地区最老的地面火山岩，称为木棠期。

新近纪

3）新近纪中新世蓬莱期（N1）。雷琼地区中新统包括下洋组、角尾组、灯楼角组（佛罗组），均为海相沉积，含海绿石和有孔虫。下洋组在琼北临高美台夹一层玻基玄武岩和斜长辉石玄武岩，厚15m。角尾组在徐闻下洋夹一层玄武岩，厚141m；在福山夹多层玄武岩，埋深200—500m，岩性尾橄榄玄武岩或玻基玄武岩。除蓬莱新安村剖面可代表玄武岩的时代外，其余样品均埋深地下，故称蓬莱期。

4）上新世金牛岭期（N2）。雷琼地区的上新统称望楼港组（又称海口组），富含有孔虫、介形虫、双壳类、腹足类等化石，为浅海滨海相沉积，由两套生物碎屑岩和多层火山岩组成。火山岩主要是拉斑玄武岩，火山岩实测年龄为（6.9222±0.14）—2.50MaB.P.，其中地表样品年龄，海口金牛岭为3.82 MaB.P.。金牛岭埋深约6m的玄武岩古地磁为松山反向极性世。

本区埋藏的第三纪火山岩分布则较普遍，雷北、雷南、琼北都有揭露，尤其是新近系火山岩的分布显示线性的构造方向，在此基础上，继承性发生第四纪的火山活动。

第四纪

5）湛江期（雷）、屯昌期（琼）

本期火山岩于琼北分布于岭口—黄竹及牛夏坡一带；在雷州半岛分布于东坡岭、乌石、田西以及涠洲岛。埋深琼北为32—67m或84—105m，雷州半岛为107—278m。本期火山岩厚度，玄武岩为20—30m，火山碎屑岩为56—143m。出露地表比较零散，但埋藏者的分布有较明显的线性构造，与新近系火山岩的分布一脉相承。湛江组的实测年龄为1.87—0.76Ma B.P.，处于Q1中期，下伏于湛江组的火山岩，划为 期。由湛江组的沉积环境推知，本期火山的喷发环境在雷北为陆相，雷中、雷南、琼北为海相。

图2　基底埋藏深度

本期火山岩的岩性为橄榄玄武岩、玻基辉橄岩、拉斑玄武岩、粒玄岩、火山角砾岩、凝灰岩。

表1　火山活动分期与特征

本期火山活动时代较老，但地势不高，以二级台地（30±10m）为主，台地上由少数丘陵（80—150m）。尚有火山锥保存，如迈龙岭、乌石岭、加山岭、黄岭，高程88—240m，多为混合锥。

6）岭北期（雷）、琼山期（琼）

本期火山岩的岩性为橄榄玄武岩、石英拉斑玄武岩及少量火山碎屑岩。由湛江组推知，其喷发环境雷北为陆相，雷南和琼北为海相。

地貌上，雷州半岛为四级台地（70±10m），琼北二级（30±10m）和一级（20±5m）台地。台地上都有丘陵（80—150m）分布，以混合锥和熔岩锥为多。

7）石峁岭期（雷）、德义岭期（琼）

本期火山岩有9个实测年龄，为0.73—3.21Ma B.P.，古地磁测量结果均是布容正向极性期，火山岩覆于湛江组之上，其时代晚于湛江组。地貌类型比较复杂。在雷南构成雷州半岛最高的地形部位，从石峁岭丘陵向东递降为四级台地（70±10m）和二级台地（30±10m）。在琼北，一级至四级台地都有分布，总的地势由南向北递降。熔岩锥和混合锥约各占一半。

8）螺岗岭期（雷）、峨蔓岭期（琼）

本期火山岩覆盖在北海组 之上，绝大部分均出露地表，岩性主要是橄榄玄武岩、粗玄岩和火山碎屑岩。平均厚度，玄武岩为27—56m，火山碎屑岩为12—20m，埋深小于10m 或50—116m。

9）湖光岩期（雷）、长流期（琼）

其时代为晚更新世，湖光岩玄武岩的K－Ar年龄为12.7±2.13Ma B.P.，属 初期。古地磁为布容正向极性期。火山岩覆盖在湛江组之上。岩性为火山碎屑岩和橄榄玄武岩。平均厚度，前者为30—50m，后者为5—10m。多数为蒸气爆发的玛珥火山。

10）雷虎岭期（琼）

发育于琼北地区石山活水群，称为雷虎岭期，地貌为四级台地（70±10 m）。在约500km2的台地上保存着38座火山锥，高程多为100—150m。地下熔岩隧道有二三十条。这些都表明火山活动的时代是很新近的。

11）马鞍岭期

该期为公园内最新的火山，在石山马鞍岭出露，故以此为代表。其实测年龄为0.8155Ma B.P.，古地磁为布容正向极性期，覆盖于雷虎岭组之上，岩性为橄榄玄武岩、拉斑玄武岩。

上述11期火山活动（见表1），其中出露地表共为11期，第四纪共有7期。

1.3　裂谷演化与火山活动（图3）

1）初期幔隆剥蚀阶段（白垩纪—古近纪）。海南岛为大陆延伸部分，白垩纪到古近纪，受南北挤压，地幔上隆，地壳减薄，发生局部凹陷。

2）早期张裂阶段（古近纪）。处于三个方向挤压并向引张过渡，古近系陆相沉积深度为1000—1500m，始发火山活动，如蓬莱、木棠。

3）中期裂陷阶段（新近纪—）。南海扩张主要时期，台湾陆弧碰撞，印度板块向东推挤，雷琼裂谷进入全面裂陷阶段，形成古琼州海峡。

4）后期凹陷阶段 。雷琼裂谷内湛江组（Q1）以滨海和浅海沉积为主，伴有强烈火山活动，形成现今琼州海峡。

5）衰亡阶段。雷琼裂谷北海组沉积层年龄为0.95—0.23Ma B.P.，跨入Q2范畴，厚度约3—16m，最大厚度79m，表明裂谷已处于剥蚀抬升，裂谷两侧剥蚀物是北海组Q2砂砾岩来源。印度板块碰撞增强，华南板块受挤压，抬升趋于消亡，全新世雷虎岭—马鞍岭火山，即石山火山群是在这一背景下发生，有学者认为是南海盆地扩张后的玄武岩。

图3　雷琼裂谷的形成和演化（基底构造资料据陈墨香等）

2　火山与火山岩特征及其形成

2.1　喷发方式与火山类型

火山类型几乎涵盖了玄武质火山喷发的所有类型（图4），可分为两大系列：

玄武质火山岩浆喷发系列：

1.夏威夷式火山喷溢，爆发指数＜10——熔岩锥（小型盾火山）。

2.斯通博利式火山喷发，形成碎屑锥、溅落锥、降落锥、混合锥。

3.夏威夷与斯通博利式相间的火山喷发，形成混合锥（小型层火山）。风炉岭、雷虎岭、昌道岭、美社岭、道堂岭、永茂岭、吉安岭、美本岭为其中的典型代表（图5）。

图4　熔岩锥、火山渣锥、凝灰岩环、凝灰岩锥的成因图式

蒸气岩浆爆发（玛珥火山）系列：

由炽热的岩浆与冷的地下水（含水层，本区主要为湛江组）相互作用形成富含蒸气的爆发，形成玛珥火山（低平火口，凝灰岩环），尔后积水，成为玛珥火山口湖，其典型代表为湖光岩（玛珥火山口湖）。进一步演化成干枯玛珥湖，其典型代表为双池岭、罗京盘（图6）。

海口园区内火山主要特征与比较等级列于表2，地质图表示于图7。

2.2　典型岩相剖面

1）玄武岩岩流单元结构剖面

实例：海榆、群休岭、永茂岭、道堂—博山

道堂—博山村火成岩地质剖面

在该剖面上可完整观察到公园内出露的火山喷发先后形成的火山熔岩、碎屑岩等。该剖面主要为钻孔揭露剖面，自上而下描述为：

全新统石山组上段（Qh1s2）厚＞18m

第1层：浮岩状橄榄玄武岩约8m

第2层：熔渣状橄榄玄武岩约10m

石山组下段（Qh1s1）厚77m

第3层：气孔状橄榄拉斑玄武岩20m

图5　火山锥、火山口（上为风炉岭，下为雷虎岭）

图6　玛珥火山（上为罗京盘，下为双池岭）

图7　海口石山火山群地质图

表2　火山主要特征与等级一览表

（续表）

注：①括号内为寄生火山个数。
②ⅠA：特级，具典型性，具重要国际对比意义；Ⅰ：具典型性，保存相对完整，而具一定的国际意义；Ⅱ：国家级或具大区域性对比意义；Ⅲ：省级或具地区性对比意义。

第4层：气孔状橄榄玄武岩23m

第5层：橄榄玄武岩30m

第6层：含集块、火山角砾熔渣状橄榄玄武岩4m

～～～～～喷发不整合～～～～～

中晚更新统道堂组上段（Qp2－3d3）厚85m

第7层：淡黄色薄层状玄武质沉岩屑玻屑凝灰岩，发育波状层理、平行层理63m

第8层：沉火山角砾岩22m

中晚更新统道堂组中段（Qp2－3d2）厚15m

第9层：气孔状橄榄玄武岩15m

～～～～～喷发不整合～～～～～

中晚更新统道堂组下段（Qp2－3d1）厚129m

第10层：玄武质沉岩屑晶屑凝灰岩，中部夹玄武质沉晶屑玻屑凝灰岩、玄武质沉角砾凝灰岩，发育波状层理、平行层理98m

第11层：凝灰质含砾砂岩8m

第12层：灰黄色薄层状玄武质沉岩屑晶屑凝灰岩4m

第13层：暗灰色橄榄玄武岩，呈球状风化4m

第14层：灰黄色薄层状玄武质沉岩屑晶屑凝灰岩15m

地质遗迹评定等级：Ⅱ级

重点保护对象：整个地质剖面地表沿线

2）涌流凝灰岩层理结构剖面

实例：杨花岭、湖光岩、南湾、九斗平沙

杨花岭玛珥火山涌浪堆积岩相剖面（图8、图9）

自下而上描述剖面：

图8　杨花岭玛珥火山底浪堆积剖面

10层：厚约1m的浅灰色中厚层板状细粒涌浪层，粒度明显变细。出现韵律层。

9层：中薄层状微斜层理、中细粒涌浪堆积韵律层。层系厚度10—15cm。微斜层理和微斜交错层理发育，有熔结。

8层：4cm厚的灰黑色玄武质浮岩层。

7层：总厚度70cm。可以等厚度分成4套。第一套为中薄层韵律层，近水平层理。第二套层厚约20cm，显示正粒序。第三、四套为重复韵律层，在该层韵律中具有微斜层理。

6层：45cm厚的玄武质浮岩层，中间夹有两层1cm厚的灰黄色射气岩浆喷发物空降层。粗粒径火山渣较多。

5层：45cm厚的灰色薄层底浪堆积，具水平层理，粗、细粒相间频繁。

4层：60cm厚的灰黄色底浪堆积，具微斜层理。

3层：30cm厚的褐黄色中薄层底浪堆积，近水平层理。

2层：40cm厚的灰黄色厚层粗粒富岩屑底浪层，显示水平层理。

1层：40cm厚的灰色中粗粒、中厚层底浪堆积，显示近水平层理，主要成分为玄武质岩渣（该层未见底）。

3）典型混合锥、碎屑锥、熔岩锥的岩相剖面

实例：风炉岭、阳南岭、群休岭、道堂—博山

风炉岭火山渣锥岩相剖面（图10）

自下而上描述剖面：

6层：强焊接集块岩，灰色—灰褐色。

从第4层开始，产状相对较平，往上焊接程度较强，颜色由灰色向灰紫色变化。

5层：焊接集块岩，主要由火山弹和熔岩饼组成，中等焊接强度，火山弹呈透镜状或球状，紫红色。火口壁上粘有晚期碎成熔岩。

4层：强焊接集块岩，局部形成似熔岩流状碎成熔岩（灰色中层）。

3层：主要由焊接集块岩组成，熔浆团块的直径较小，粒度大小不一，一般为5—15cm。总体焊接程度较弱，碎屑大多呈圆状—椭圆状。

2层：主要由焊接集块岩组成，层厚约3m，主要由塑性熔岩饼组成，局部形成次生熔岩流，倾角为12°—15°（内倾）。

图9　玛珥火山涌流凝灰岩剖面

图10　风炉岭火山锥（壁）岩相剖面（刚性岩渣、溅落锥）

图11　阳南岭火山锥岩相剖面

1层：紫红色刚性火山渣，碎屑大小较均匀，层厚约1.5m，含少量塑性团块，岩块直径为5—10cm。

典型剖面1：阳南岭火山锥岩相剖面（图11）

自下而上描述剖面：

9层：15—20cm厚的黄褐色火山渣。

8层：1.3m厚的深灰色橄榄玄武岩。岩流中心发育气囊，并具有涡流状构造和同心圆状气孔带。

7层：30—45cm厚的灰黑色火山渣，以刚性火山渣为主，含少量火山弹。

6层：25cm厚的紫灰色气孔状玄武岩，中上部发育较多空洞。

5层：5cm厚的深灰色火山渣，横向延伸不稳定。

4层：55cm厚的紫红色气孔状玄武岩，其中发育小型熔岩隧道。

3层：1.7m厚的灰黑色火山渣，含有10％火山弹。

2层：1.2m厚的气孔状玄武岩，其上部发育小型熔岩隧道。

1层：下部50cm仍有一层玄武岩，未见底。

典型剖面2：阳南岭南侧火山锥岩相剖面（图11）

自下而上描述剖面：

5层：1.5m厚的灰色碎成熔岩，主要由火山弹组成。

4层：2.2m厚的强焊接集块岩，局部为碎成熔岩，在大约1.1m处有一层灰黑色火山渣。

3层：1.2m厚的紫色黏结集块岩，顶部为松散火山渣。

2层：1.05m厚的强焊接集块岩，主要由火山弹或熔岩团块组成。火山弹主要为透镜状，一般长轴长5—30cm。

1层：厚约3 m的碎成熔岩，未见底。主要由熔岩饼组成，厚度约20cm，长约80—150cm。

2.3　熔岩构造与岩浆抛出物

区内熔岩流长度为250—1200m，宽度在100—2500m。

熔岩流动单元：1.单一流动单元

　　　　　　　2.复合流动单元

熔岩柱状节理（图12）

图12　柱状节理

熔岩表壳构造：1.结壳熔岩　　　绳状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　爬虫状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　木排状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　波状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　面包状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　瘤状结壳熔岩

　　　　　　　　　　　　　　　挤出状结壳熔岩

　　　　　　　2.渣状熔岩　　熔渣状熔岩

　　　　　　　　　　　　　　瓦砾状熔岩

　　　　　　　3.块状熔岩

结壳熔岩、渣状熔岩、块状熔岩的形成与岩流的黏度、温度变化、冷却速率的高低有关。结壳熔岩是低黏度、高流动性的岩流，其表壳与内部冷却速率不同，玻璃质表壳首先冷凝至半塑性状态，而表层下熔岩继续流动，使得表层卷起扭曲，或因岩流边部受到阻力而形成指向流动方向的各种形态（图13）。熔岩构造类型景观极为奇特，在火山学文献或图册中提及的各种玄武岩的熔岩构造在园区均有出现（图14）。

熔岩抛出物在园区极为丰富

火山弹—熔浆从火山口被抛到空中，在急速飞行过程中受到阻力、张力作用经旋转冷凝而成。它具有特定的形态，如纺锤状、梨状、椭圆状、麻花状；如溅落地表时尚处在熔融或塑性状态，则形成扁平状、蛇状或团块状。

火山弹的内部构造通常呈同心环状，边部气孔多，气孔呈同心环状分布，火山弹表面发育不规则的扭动纹路。

当岩浆抛到空中在溅落过程中已冷却，后经崩裂而形成多孔状熔岩块，内部无一定构造，外部无一定外形，则为火山渣（块）。

公园内火山弹与熔岩饼在两类火山中均有出现。一类为斯通博利式火山喷发的碎屑锥，主要为溅落锥；另一类为玛珥火山爆发过程中，间隔着岩浆喷发形成的火山弹。

2.4　熔岩隧道及其派生景观

火山熔岩隧道是熔岩流表里冷凝速度不一致所造成的，即熔岩流在流动过程中，表层冷凝成壳，里面的岩流热量不易散失，保持高温而继续流动，当熔岩流来源断绝时，里层岩流“脱壳”而出，留下隧道状的洞穴。地质公园内，纵横交错的熔岩隧道达几十条，长度几十米至几千米不等。它们的复杂程度也不同，呈管状、隧道状、多层状，分叉合并，纵横交错，形成复杂的洞穴系统。公园内熔岩隧道较多，在海口园区尤为发育（图15）。

（1）大型熔岩隧道，发育于岩流上部气孔带与中部致密带交界处，最长超过2000m。

（2）中型熔岩隧道，发育于致密带，长度250—80m。

（3）小型熔岩隧道，发育于薄层岩流单元的上部，3—8m。

（4）熔岩气洞，发育于熔岩流单元上部气孔带，长1—8m，宽1—4m，高2.3—0.9m。

（5）熔岩隧道内部景观与派生地貌：隧道形态变化，分支复合、纵横交错，多层连洞，时小时大；边槽、岩阶、绳状、弧状、同心流动构造；熔岩堤、熔岩钟乳、天窗、天生桥、洞中岩柱、陷落谷等景观。

石山火山群国家地质公园及邻近地内熔岩隧道有30条之多，长度达2000 m，最宽8.5—23.5m，最高2.7—6.5m，顶板最厚达16—46m。从隧道数量、长度、形态变化、集中程度而言，在我国熔岩隧道景观中占前列。

图13　熔岩隧道

图14　熔岩结构

图15　七十二洞熔岩隧道

典型熔岩隧道

仙人洞

位于石山镇荣堂村，因道士在洞内修炼成仙的传说而得名。仙人洞分上、下两段，下段洞中有洞，天外有天，令人扑朔迷离，不胜嗟讶之至。岩壁上吊着、贴着各种各样的熔岩石乳，似落非落，令人惊叹。此洞石奇，水也奇，随时可以听到水滴的清逸声。水滴在不同形质的岩石上引起不同的音调，组成十分美妙的音韵。仙人洞的上段因洞顶多处塌陷而分成数十段熔岩隧洞，因此又名“七十二洞”。这些石洞，有的像互相连接的蜘蛛网，有的像开阔的地下餐馆，有的则好比离奇的古堡宫殿。阳光通过隧洞塌陷所形成的天窗照耀洞中，使阴暗的洞中景物一片清明，蔚为壮观神奇。

卧龙洞

位于石山镇儒才岭附近。该洞以平坦宽广而著名，可以同时开进两辆大卡车，容纳一万多人。洞内道路平坦，岩壁光滑发亮，空气清新，冬暖夏凉。

2.5　岩石类型与同位素地球化学

在火山岩的TAS分类图上，火山岩显示碱性系列玄武岩向拉斑系列玄武岩过渡。CIPW标准矿物计算结果，所有样品均含Hy（＞5％），不出现Ne，属于拉斑玄武岩。雷虎岭地区与马鞍岭地区玄武岩存在明显区别，前者含Ol而无Q，后者反之，所以琼北全新世玄武岩又可分为橄榄拉斑玄武岩和石英拉斑玄武岩两种类型（图16）。

图16　显微镜下玄武岩的结构

从Sr－Nd变化图上可以发现琼北火山岩截 然不同于长白山天池火山（似原始地幔）、五大连池火山（原始地幔与EM I两个地幔端元混合）两个活动火山区，落在亏损地幔区（DMM），类似于MORB的地幔源区特征（图17、图18）。而在Pb－Pb变化图上，琼北玄武岩分布范围已明显偏离Hart（1984）给出的北半球大洋玄武岩参考线，趋向于EM II富集地幔端元。这与南海海盆玄武岩具有相似的Sr、Nd、Pb同位素组成，和Pb同位素显示的EM II富集地幔特征的Dupal异常。

由于古新世开始的南海盆地扩张作用（Taylor et al.，1983；Briais et al.，1989），华南大陆边缘的裂解，导致雷－琼拗陷的形成及自古新世以来多期次火山活动。在这一构造背景下具Dupal特征火山岩的地幔源区可能有两种解释：一种是具MORB特征的亏损地幔上涌，与上覆岩石圈地幔的混合；另一种是随板块俯冲带入的地壳沉积物与具MORB特征亏损地幔的混合（Tu et al.，1991）。

2.6　岩浆起源与演化

雷琼裂谷属于我国东部陆缘裂谷，火山活动伴随裂谷作用发生与发展。在南海盆地停止扩张后（约17Ma），雷－琼拗陷（裂谷）内伴随强烈的新生代火山作用，所以又被称为扩张后（post－spreading）玄武岩。火山岩微量元素构造环境判别也支持琼北处于裂谷环境。琼北玄武岩的87Sr/86Sr相对于华北新生代玄武岩的87 Sr/86 Sr低（Zhou et al.，1982；樊祺诚等，1987）（图17、图18），可能与该区薄（地壳厚度26—30km）（黄玉昆和邹和平，1989）而年轻（晚古生代）的陆壳有关。全新世雷虎岭橄榄拉斑玄武岩含较高的相容元素Ni（194—235μg/g）、MgO（9％—10％）和Mg′（63—68），接近Sato（1977），Frey et al.（1978）和Wilkinson and Le Maitre（1987）提出的原始岩浆（Ni＝250—500μg/g，MgO＝10％—12％）和Fan and Hooper （1991）提出的中国东部新生代原始玄武岩（Ni＝200—300μg/g）、MgO（10％—13％）和Mg′（60—68）的下限。马鞍岭石英拉斑玄武岩的Ni（88—121μg/g）、MgO（6％—8％）和Mg′（56—60，个别大于60）明显低于橄榄拉斑玄武岩。樊祺诚等认为琼北全新世玄武岩浆喷发在地幔深处经历了富MgO、Ni矿物不同程度的分离结晶作用，雷虎岭橄榄拉斑玄武岩代表相对原始的玄武质岩浆，而马鞍岭石英拉斑玄武岩是相对演化的岩浆。琼北全新世橄榄拉斑玄武岩与石英拉斑玄武岩的演化关系，由MgO、Ni含量变化估计，橄榄拉斑玄武岩经约10％橄榄石的结晶分异可以形成石英拉斑玄武岩浆（樊祺诚，2004）。

图17　雷琼玄武岩的Sr、Nd同位素相关图（据朱炳泉）

图18　雷琼玄武岩的87Sr/86Sr对岩石化学参数AC－AK图解（据朱炳泉）

3　玛珥火山

3.1　概念

“玛珥”（Maar）一词来源于拉丁文。1921年德国科学家Steninger在德国Eifel第四纪圆形小火口湖研究中开始将Maar定义为一种火山类型。Macdonald（1972）采用蒸气火山作用（hydrovolcanism）一词，Scmincke（1977）采用蒸气爆发作用一词。对蒸气爆发的定义为：岩浆进入含水层、冰层，熔岩流入水盆地，地表水遇到岩浆等几种情况，水与岩浆接触，迅速蒸气化，当压力超过上覆岩层最大承受力时发生的爆炸（hydroexplosion）。Fisher等对蒸气爆发作了分类：（1）蒸气爆发（phreatic explosion），含水层受到岩浆的热而引起的爆炸，又称水热爆炸；（2）蒸气岩浆爆发（phreatic magmatic explosion），岩浆上升到地下水或湿的沉积物发生爆发；（3）水下爆发（subaqueous explosion），指停滞水体（海底、湖泊或其他水体）的爆发，即岩浆上升到水中引起的爆发；（4）滨海爆发（littoral explosion），热的岩浆或热的火山碎屑流与滨海附近的水相遇引起的爆发。蒸气爆发的产物，通常称为基底涌流堆积（base surge deposits），base指喷发柱下部、底部的，其搬运形成类似床沙载荷形式，由热蒸气携带碎屑物，所以又称湿涌流。Fisher称基底涌流（base surge）。

陶奎元于1994年出版《火山岩相构造学》一书中，将hydro－magmatic explosion译为“蒸气岩浆爆发”。樊祺诚等称“射气岩浆爆发”。Base surge deposits译为“基底涌流堆积（底浪堆积）”。低平火口凝灰岩环均为蒸气岩浆爆发常见的火山形态，低平火口其环缘向外倾斜，底面高度切入围岩以下，凝灰岩环则环缘穹状倾向，底面高于围岩。玛珥火山口湖是低平火口基础上的积水湖（又称玛珥湖）。Buchel （1993）提出Maar是一个由环形壁（ring wall）、火山口沉积物（crater sediments）、火山筒（diatreme）和溃浆通道（feeder dyke）组成的系统（图19）。

图19　玛珥火山结构图

3.2　特征

雷琼地质公园内玛珥火山总体特征：

1.总体上均属蒸气岩浆爆发。热的岩浆上升至冷的地下含水层时，相互作用产生的蒸气爆发，类似于Wohletz提出的火山蒸气爆发的图式（图20）。

2.玛珥火山为雷琼火山带的重要组成，分布广泛，时代是发生在中更新与晚更新世早期。

3.多数玛珥火山发育环形火山口、环形墙或凝灰岩环，其产状为向外倾斜，倾角小于10°，多数3°—8°，底面高度达到早期喷溢的玄武岩层，其内壁陡或向内陡倾。

4.发育典型的基底涌流堆积。杨花岭等均有典型剖面。其特征是以薄层状堆积为主，由涌流凝灰岩、火山灰空落凝灰岩为主或有熔浆溅落抛出物夹层出现。其特征是：

（1）岩石层理构造明显，容易误认为沉积岩或火山碎屑沉积岩，在以往的文献中易误定为凝灰质砂岩、沉凝灰岩、层凝灰岩乃至砂岩。

图20　火山蒸气岩浆爆发示意图（据Wohletz）

（2）发育低角度的交错层，逆行沙丘，长波状层，U型槽，槽状流，所以也误定为风暴沉积。

（3）发育平面同生滑移构造，实际为同一蒸气岩浆爆发火山的产物。

（4）涌流中含有水蒸气，流动过程中凝结水蒸气与碎屑物充分混合，使堆积物具有黏性和一定的可塑性，而形成柔性弯曲或在外来的岩石下落时使涌流层发生弯曲。

（5）物质组成比较复杂，含有大量同期火山碎屑，蒸气爆发的火山灰、火山角砾、火山岩块，间歇有岩浆爆发时出现火山弹、熔岩饼乃至“短小片状、渣状熔岩”。同时含有围岩物质，包括蒸气岩浆爆发所处的含水层内岩石和爆发涉及层位的岩石和火山盖层的一些岩石。

（6）在某些层位出现增生火山砾，由火山灰、岩屑、晶屑、火山尘组成，在粒度或颜色上有同心层状构造，其外缘有泥质或硅质增多（亦称火山灰球），与空落凝灰岩中火山灰球相似。

（7）玄武质岩蒸气爆发的火山灰，均为玻璃质，有时为橙玄玻璃。岩屑成分取决于基底岩石的成分。火山灰一般为含少量气泡的等轴状玻屑，平滑断口，扇形断面。

上述岩石构造，在公园范围出露十分典型、清楚，与国内外典型地点的同类岩石构造完全可以对比。R.A.F.Gas和J.V.Wright所著的Volcanic Successions—Modern and Ancient一书中引用了澳大利亚的Western Victoria、夏威夷的Hanauma Bay以及Victoria 的Tower Hill的典型照片。对比公园的玄武质基底涌流堆积，和该书中列举的照片比照，表明公园的基底涌流堆积构造具有完整性、典型性。

3.3　玛珥火山形成过程

喷发期过程：

玛珥火山是承压地下水与上涌岩浆相互作用而产生剧烈爆炸形成的。岩浆和水是两个不同的相，当它们初始机械混合后，水会变得异常的热，产生巨大的蒸气，形成爆发性膨胀（Zimanouwski et al.，1991）。这种膨胀对围岩构成了巨大的压力，迫使岩石出现碎裂。此时岩浆碎屑、水蒸气和碎裂的围岩碎屑组成的混合体，便沿着一个窄的通道达到地表猛烈地喷射到了大气中或紧贴地面快速流动。这样的过程可能会不断地重复，直至岩浆被耗尽或是没有更多的地下水参与而终止。

喷发后过程：

随着喷发期过程的结束，火口坑底切到了地下水面，火口坑会积水形成一个湖泊，或大气降水汇聚也会成为湖泊，这就是玛珥湖。玛珥是一种不稳定的地貌形态，其喷发后的演化过程主要是受外动力作用控制。在初始阶段，由于玛珥火山有较陡的火口墙和较深的火口坑，因此，在重力作用下，周围的堆积物会出现滑动和塌陷，从而火口墙倾斜度降低，并出现不断增长的碎屑坡；高速沉积堆积，推进湖泊的快速充填，使湖变得越来越浅，泥炭沼泽相代替了湖泊相；同时斜坡不断被冲刷，岩屑、泥流碎屑最终掩盖了泥炭沼泽，仅环形墙留在地面上。随着侵蚀的不断进行，环形墙和火口沉积物也逐渐被侵蚀，成为一个地貌上低凹地，如区内青桐洋、九斗洋、田洋第四纪玛珥湖就是这种形态（图21）。

图21　玛珥火山——火山口湖演化过程

4　国际对比

4.1　综合对比

世界著名的6个裂谷（古裂谷）火山带基本特点列于表3，列入世界遗产地的19处火山区的基本特点列于表4。

表3　国外裂谷和古裂谷火山带基本特点

（续表）

表4　火山区世界遗产地、国家公园主要特征及评价主要特征

（续表）

雷琼裂谷及石山火山群与世界裂谷火山带或列入世界遗产的火山区以及我国十大第四纪火山群比较，其总体特点是：

1）雷琼裂谷火山带处于特定的全球重要的大地构造位置。它处于欧亚板块的南端，西南临近印度—澳大利亚板块，东近太平洋—菲律宾板块，更多地受到欧亚板块与印度洋大陆板块相互作用。具备裂谷火山带的总体特征，而又与陆内裂谷火山带有较大差别，属于典型的陆缘裂谷。

2）岩石类型主要为拉斑玄武岩和碱性橄榄玄武岩，没有出现流纹岩、粗面岩及碱性岩。其地球化学组成与洋中脊玄武岩（MORB）、大洋岛弧玄武岩相似。岩浆源区是亏损地幔与富集岩石圈或亏损地幔与俯冲洋壳混合源区，这明显不同于五大连池、腾冲与长白山火山岩的岩浆源区特点。

3）雷琼裂谷火山带火山岩分布面积达7295km2，其中琼州海峡北部雷州半岛占3136km2，琼北（海口）占4159km2。火山区面积在我国第四纪火山区中占首位。牡丹江—穆棱火山区3000km2，腾冲、五大连池火山区均小于1000km2，大同火山区小于150km2。雷琼裂谷火山带共有火山177座（其中雷州半岛76座，海口101座），在我国新山代火山中占首位。雷琼裂谷火山带与世界大型裂谷火山带比较仍属小型裂谷火山带，但以火山单体规模较小、数量众多为特点。

4）雷琼裂谷火山始自上新世至全新世，在更新世达到高潮。有些全新世火山（10.27ka，9.91ka，8.15ka）属于休眠火山。多期次的断续喷发，其中有保存完整的全新世火山带。

5）雷琼裂谷火山带总体上呈EW向展布，分布于琼州海峡两岸及临近岛屿和海峡之中。火山活动中心具南北向迁移的趋势，而其中的火山群受到北西向基底断裂控制，而呈北西向分布，如雷北火山群、雷南火山群、石山火山群等，同时形成小型的火山岛（涠洲岛、斜阳岛、硵洲岛）。以火山为背景的地貌景观具多样性。

6）火山喷发方式既有火山岩浆夏威夷式喷发、斯通博利式喷发，又有岩浆与地下水相互作用形成的射气岩浆喷发。火山类型齐全，有碎屑锥（溅落锥、岩渣锥）、熔岩锥和玛珥火山与火口湖（低平火口）。

7）火山的熔岩构造景观丰富、奇特、典型、系统，涵盖了结壳熔岩、渣状熔岩、块状熔岩等多种熔岩构造。熔岩隧道数量多、长度大、形态多变，内部地质景观及派生地貌景观丰富，可以和世界著名玄武岩火山区的熔岩景观相媲美。

8）石山火山群处于海口市西南，距主城区仅8km，被称为“城市火山”，而列为我国火山灾害与预测研究的地区之一。

9）火山带（群）处于热带或亚热带过渡区，发育独特的热带生态群落，展现热带火山生态诸般的自然特性，被称之为东方的“夏威夷”。这明显不同于亚热带、温带、寒带火山生态特性。

10）在火山与玄武岩地学背景下，人类活动创造出具民族性的火山文化，包括耕作文化、火山石器文化、玄武岩建造古村落文化和火山神文化，以及众多的民俗文化。其中，火山石古村落文化为国内外罕见。

4.2　玛珥火山对比

世界著名的玛珥火山的特征

玛珥（Maar）是由爆发而成的一种特殊的低平火山（口），最早用来描述德国西部埃菲尔（Eifel）地区第四纪发育的小而圆形的火山口湖。近几十年来，许多火山学家对玛珥的概念、类型及形成机制进行了深入系统的研究，确认它起源于蒸气喷发（phreatic explosion）或岩浆蒸气喷发作用（phreatomagmatic explosion）。Buchel建议玛珥应包括它的整个结构和发展过程，即它是一个由环形墙（ring wall）、火口沉积物（crater sediments）和火山通道（diatreme）等组成的系统，其内积水后便成了玛珥湖。玛珥湖与其他湖泊相比有一些突出特点：①为小型封闭湖泊，汇水面积接近湖水面积，水位平衡主要由降水和蒸发因子控制；②湖盆底部平坦，水位较深并与湖体成一定比例，因而最有利于纹层形成和保存，特别是生物成因的纹层；③湖盆深度较大，沉积速率快，其沉积物常常具有连续的、真实的高分辨率古环境记录。玛珥湖这些独特的优势，受到了人们越来越多的关注。欧洲从20世纪80年代后期以来开展了GEOMAARS（1986—1989）、EUROMAARS（1990—1993）、European Lake Drilling Project（ELDP）（1996—2000）等研究计划，亚洲也实施了湖泊钻探计划（ALDP）（1998—2004），取得了一系列的重要成果，显示出玛珥湖在古气候研究方面的巨大潜力。

玛珥在世界上的分布比较广，如德国西部的埃菲尔（Eifel）火山区、法国中央高地（Massif Central）火山区、意大利中南部火山区以及中国的雷琼火山区、龙岗火山区等地均有玛珥和玛珥湖分布。此外，在美国的阿拉斯加（如Ukinrek Maars）、亚利桑那州（Hopi Buttes火山区中的玛珥）等地以及墨西哥（Valle de Santiago火山区中的玛珥湖）、澳大利亚（如Newer Volcanic Province中的玛珥）、新西兰（如奥克兰火山区中的玛珥湖）、捷克（如Eger裂谷带中的含化石玛珥）、斯洛伐克（如Princina玛珥）、匈牙利（如Pula Maar）、印度尼西亚的东爪哇（如Ranu Klindungan玛珥湖），甚至南极洲的Coombs Hills地区也有有关玛珥和玛珥湖研究的报道。尽管有这么多国家和地区均有玛珥火山分布，但真正有名的玛珥火山和玛珥湖并不多，这除了它们本身的特点外，还要通过科学家的研究并在国际刊物上发表论文才能让更多的人知晓。相对而言，在这方面做了大量研究工作并在世界上有名的主要是德国的西埃菲尔（West－Eifel）火山区、意大利中南部火山区、法国中央高地火山区、美国的阿拉斯加以及中国的雷琼火山区和龙岗火山区（表5）。

表5　世界著名玛珥火山湖一览表

（续表）

Eckfelder干玛珥是德国Eifel火山区最老的玛珥。根据哺乳动物地层学研究估计，其形成年代约在44—45Ma的中始新世。Eckfelder玛珥之所以著名，很重要的一个原因是在其油页岩地层中发现了丰富的化石。

在Eifel火山区的西部，火山喷发始于约70万年前，产生了250个喷发中心，有50多个玛珥，其中8个玛珥积水成湖。27个玛珥和8个玛珥湖集中在西埃菲尔火山区南部的Daun镇和Manderscheid镇周围较小范围内。在这8个玛珥湖中，Lake Holzmaar和Lake Meerfelder研究程度很高，在世界上也比较著名。Meerfelder玛珥湖（40°56′N，16°35′E，656ma.s.l.）的形成年龄目前仍然未知，但估计最小年龄应该在35000年前，它是西埃菲尔火山区中最大的玛珥湖，最大长度约700m，最宽约500m，最大深度约为18m，湖泊面积约0.248km2。Holzmaar玛珥湖（50°7′N，6°53′E，425ma.s.l.）是一个小玛珥湖，最宽约325m，湖泊面积约0.058km2，最大深度20 m，其形成年龄不确定，估计至少在25000年前。

意大利是一个多火山的国家，因此也拥有几个著名的玛珥湖。Lago Grande di Monticchio（40°56′N，16°35′E，656ma.s.l.）玛珥湖位于意大利南部的Basilicata地区。它是两个相邻的玛珥湖中较大的一个，湖泊面积约0.405km2，最大水深36m，但该湖的湖盆不对称，大约有2/3的湖盆深度小于12m且相对平坦，该湖形成的年龄大约在480—130kaBP。Lago di Mezzano（42°37′N，11°56′E，452ma.s.l.）是意大利中部的一个小玛珥湖，直径约800m，最大深度31m，湖面面积约0.445km2，形成年龄约为100kaBP。

在法国的中央高地，第三纪到第四纪的水－岩浆作用非常普遍，目前在中央高地大约有774个蒸气岩浆火山作用的机构已得到确认。在Auvergne北部约20个玛珥大致呈南北向分布，这些玛珥大多数都非常年轻（160—6ka），比较有名的玛珥湖有Lac Pavin，Lac du Bouchet，Ribains等。

美国的Ukinrek玛珥在世界上之所以著名，是因为它是很少几个被人们亲眼目睹而详细描述喷发过程的玛珥。Ukinrek玛珥位于美国阿拉斯加半岛上部，是在1977年3月30日至4月9日11天的火山喷发后形成的，因此被认为是研究水－岩浆喷发过程的天然实验室。Ukinrek玛珥由先期形成的较小的西玛珥（West Maar）和相距600m后期形成的东玛珥（East Maar）组成，其中东玛珥直径约300m，深70m。

雷琼地区具有全球少有的玛珥火山和玛珥湖群

雷琼新生代火山区中的玛珥湖主要形成于中更新世石峁岭期和晚更新世湖光岩期。石峁岭期的玛珥湖主要包括雷州半岛南部的田洋、青桐洋、九斗洋和琼北的罗京盘。这期的火山爆发规模和强度大，形成的火山口大而深，形态也不够规则，积水成湖后接受大量沉积，形成很厚的沉积物，后来多数湖泊干枯成为耕地。晚更新世湖光岩期形成的玛珥湖主要包括湛江市湖光岩玛珥湖和海南岛琼北石山的双池岭玛珥湖。与石峁岭期的玛珥湖相比，这期的玛珥湖面积和深度小，沉积物的厚度小，火山机构保存完好，形态标准，封闭性好，现在仍然成湖泊状态。与世界上其他地区的玛珥湖以及我国东北龙岗火山区的玛珥湖相比，雷琼火山区当初的火山爆发规模和强度都很大，形成的巨大玛珥和玛珥湖在其他地区非常少见。该地区又处于低纬度的热带地区，受亚洲季风影响明显，是研究古全球变化的良好载体，已在田洋、湖光岩等玛珥湖打过钻，获取了完整的沉积物岩心，开展了广泛研究。

5　科学研究和主要文献

由于公园所处地质位置的重要性和地质遗迹的科学价值，吸引了众多专家到园区进行综合地质调查与学术性专题的研究。

1）综合性地质调查研究

该区已完成1∶500000，1∶200000，1∶50000区域地质调查与填图。重要的出版专著有：

汪啸风、马大铨、蒋大海的《海南岛地质》（1991）

黄镇国、蔡福祥、韩中元等的《雷琼第四纪火山》（1993）

2）雷琼裂谷与第四纪地质的研究，如：

丁国瑜的《海南岛第四纪地质的几个问题》

黄玉昆、邹和平的《雷琼新生代断陷盆地构造特征及其演化》（1989）

韩中元等的《海南岛北部火山地貌》（1987）

3）雷琼地区火山学、岩石学、地球化学方面的研究，如：

孙建中的《琼北地区第四纪地层年代学研究》（1988）

曾广策的《海南岛北部第四纪玄武岩岩石学》（1984）

朱炳泉等的《雷琼地区MORB－OIB过渡型地幔源火山作用的Nd－Sr－Pb同位素证据》（1989）

白志达、徐德斌、魏海泉等的《琼北马鞍岭地区第四纪火山活动期次划分》（2003）

魏海泉等的《琼北全新世火山区火山系统的划分与锥体结构参数研究》（2003）

史兰斌、林传勇等的《琼北第四纪玄武岩中微型地幔岩捕虏体的发现及意义》（2003）

樊祺诚、孙谦等的《琼北火山活动分期与全新世岩浆演化》（2004）

4）刘东生、刘嘉麒、储国强等对湖光岩田洋玛珥湖沉积物、古气候和古环境的研究，如：

刘嘉麒、刘东生、储国强等的《玛珥湖与纹泥年代学》（1996）

储国强、刘嘉麒、刘东生的《中国玛珥湖中两种沉积纹层的辨识及意义》（2000）

郭正府、刘嘉麒、储国强等的《湖光岩玛珥湖火山灰的成分及其来源》（2002）

雷琼世界地质公园湛江园区的湖光岩是德国地球科学研究中心与中国科学院地质研究所共同选定合作研究玛珥湖的典型地，也是中国研究玛珥湖沉积物与全球气候变化的起始地。刘嘉麒院士与德国沉积专家J.F.W.Negendank等50位专家进行长期的研究，共发表论文60余篇。由于公园火山地质遗迹的典型性，一些全国性的火山学术会议均在此举行。2000年，湖光岩成立了玛珥湖研究会；2001年6月举行了玛珥湖发展研讨会；2001年10月，该地区的玛珥湖与德国Eifel地区的玛珥湖结为姊妹玛珥湖；2002年12月于海口石山举行全国第三届火山学术会议，会议有涂光炽、丁国瑜、滕吉文、於崇文、张本仁等5位院士出席，并提出进一步加强海口火山防灾与资源开发的倡议。

【注释】

[1]该文摘自2007年9月《申报中国雷琼世界地质公园综合考察报告》。