北京沿河城地区东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑分形特征及其成因*

刘永顺 冯肖兵 聂保锋 彭年 孙善平

LIU YongShun1，FENG XiaoBing1，NIE BaoFeng1，PENG Nian1 and SUN ShanPing2

1. 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048

2. 中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083

1. College of Resources，Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China

2. School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China

2014-02-18 收稿，2014-06-17 改回.

酸性火山爆发形成的火山碎屑流，是常见的极具破坏力的火山喷发现象，也是一种气-固碎屑混合的热密度流(Fisher and Schmincke，1984;Cas and Wright，1987;Sparks et al.，1997)，其快速运动与沉积常形成特征的火山碎屑流堆积和火山碎屑涌浪堆积，固结成岩后成为不同地质历史时期火山沉积盆地中的火山岩地层，其火山碎屑流堆积的典型岩石是熔结火山碎屑岩(孙善平等，1987)。火山碎屑岩的岩相结构和火山碎屑物的颗粒形态保存着岩浆房内岩浆的结晶状态(Marsh，1988，1998;McPhie et al.，1993;Bindeman，2003)、岩浆气泡化、火山爆炸程度以及火山碎屑的堆积和变形过程(Sheridan and Marshall，1983;Heiken and Wohletz，1985)，其研究是揭示酸性火山碎屑岩成因的物理过程以及认识酸性火山喷发规律的重要途径。

研究火山碎屑物颗粒形态和火山碎屑岩结构有定性描述和定量分析两种途径。形态和结构的定性描述主要是在不同观察尺度下进行的。对米-厘米级颗粒，可以直接进行宏观形态特征描述，对毫米-微米级颗粒，可以在实体显微镜直至扫描电镜下进行描述。这是传统岩相学的典型研究方法。而对形态和结构的定量分析，典型方法是测量和计算多种形态指数，如球度、圆度、平面度、凸度、凹度、角数、压实度和 延 伸 度(Pettijohn，1975;Honnorez and Kirst，1975;Eiríksson et al.，1994;Dellino and La Volpe，1996)。为了更精确地获得碎屑颗粒的形态和结构，先后发展了碎屑颗粒形态的傅立叶分析方法(Schwarcz and Shane，1969;Ehrlich and Weinberg，1970)和分形几何分析方法(Kaye，1978)，前者适用于复杂程度相对不高的碎屑颗粒形态，后者对高度复杂的碎屑颗粒形态的研究更有效，两者是互补的方法。

自Mandelbrot(1967，1977，1982)发展分形几何方法来分析复杂自然客体的形态特征以来，碎屑颗粒形态的分形规律研究逐步得到发展。对于锯齿状或边界复杂的细颗粒，其横切面的分形维可以作为定量确定其形态曲折程度的一个参数(Kaye，1978)。由于分形方法对有尖锐棱角形状的颗粒分析敏感，而且能够处理凹曲的形态，所以在地质上它特别适合定量处理高度不规则的颗粒物，如火山碎屑物、岩相结构中的复杂矿物颗粒和松散的沉积物颗粒等(Orford and Whalley，1983)。火山碎屑(晶屑、玻屑、岩屑和浆屑)通常并不具有几何学分形“在所有放大层次上准确地复制事物的几何形状”(即自相似行为)(於崇文，2006)的特征，但它们的形状还是可以依分形值(似分形维)来描述，从而可依此研究颗粒的起源、运移和沉积规律(Carey et al.，2000;Dellino and Liotino，2002;张秉良等，2005;Maria and Carey，2002，2007)。

北京西山沿河城地区中生代东岭台组的酸性火山碎屑岩是典型的火山碎屑流堆积形成的，其时空展布、岩性特征、喷发相和火山构造已得到较好地鉴别和解释。岩石的主量、微量、稀土元素和同位素的地球化学、矿物与矿物包裹体的化学成分以及岩石的形成年龄的研究积累丰富，不同研究阶段都有显著进展(鲍亦冈等，1983，1995;北京市地质矿产局，1991;魏海泉，1987，1990，1991;孙善平等，1995;李伍平等，2000;Davis et al.，2001;李晓勇等，2004;袁洪林等，2005;王蕊等，2007;汪洋和姬广义，2003;汪洋等，2009)。然而，岩石结构形成的定量物理约束，火山碎屑颗粒结构复杂性，以及它们与火山喷发类型、喷发强度、喷发过程和物理机制的关系的研究还很薄弱，从而使岩石成因进一步的深化受到了制约。本文通过北京西山沿河城东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑形态的分形特征研究，从复杂性科学角度分析和探讨了东岭台组酸性火山碎屑流的各种碎屑的形态规律及其形成的物理机制，为认识酸性火山的爆炸过程和评价火山危害具有参考价值。

1 东岭火山盆地的区域地质背景

东岭火山盆地位于北京门头沟区沿河城乡，面积约20km2。大地构造上属于中朝克拉通北缘燕山板内造山带的西部。整体上呈向南倾斜的箕状构造，盆地轴向约为北东40°。北侧和西侧主体分别受北东向沿河城断裂和北西向横岭断裂控制，其余部分以角度不整合覆盖于早侏罗世以前不同时代的地层之上。盆地的北侧为蓟县系雾迷山组、铁岭组，向南依次为青白口系下马岭组、长龙山组、景儿峪组，寒武系、奥陶系下统、下侏罗统窑坡组和南大岭组(图1)。

盆地内的东岭台组从老到新可分为4 个岩性段，第一岩性段以玄武安山质熔岩、安山质(粗安质)角砾熔岩为主夹凝灰质粉砂岩，底部发育底砾岩;第二岩性段以复成分砾岩、砂砾岩和凝灰质砂岩为主，夹流纹质熔结凝灰岩;第三岩性段以流纹质熔结凝灰岩、流纹质熔结角砾凝灰岩夹凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩和玄武安山岩为主，在整个火山盆地的中部大面积出露;第四岩性段以粗安质熔岩、流纹质熔岩为主夹粗安质角砾熔岩和凝灰岩。盆地中有潜火山岩，沿西侧横岭断裂有4 个闪长玢岩小岩体，在沿河城老卫生院附近有一个英安岩火山颈。该火山颈是侵位于流纹质熔结凝灰岩中的一个晚期小型的古火山机构中心。

图1 北京西山沿河城地区东岭盆地区域地质与火山岩构造岩相图(据魏海泉，1987 修改)Fig.1 Sketch map of regional geology and volcanic tectonic lithofacies of Dongling volcanic basin in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing (modified after Wei，1987)

根据火山岩地质产状、接触关系和岩石组合特征，东岭盆地的火山喷发可分成五个阶段(魏海泉，1987;孙善平等，1995)，每个阶段又有若干次火山活动。东岭台期火山活动主要发生在早白垩世，已得到据东岭台组内不同类型岩石获得的年龄的支持。早期研究得到的年龄区间是135 ～100Ma(北京市地质矿产局，1991)，近年研究获得的年龄区间是134 ～130Ma(汪洋和姬广义，2003;Deng et al.，2004;袁洪林等，2005)。

针对酸性火山碎屑流的碎屑形态及其成因问题，本文选择了东岭台组第三岩性段(K1d3)中的酸性火山碎屑流形成的流纹质熔结火山碎屑岩为研究对象，开展了岩相学和火山碎屑形态的分形特征研究。样品主要采自林子台-王龙口-沿河城、沿河城-龙门口、碣石-书字岭-塔上-杨树地-东岭村公路沿线附近以及沿河城南山坡，采样位置见图1。

林子台-王龙口-沿河城、沿河口-龙门口、碣石-书字岭-塔上-杨树地-东岭村这三段公路沿线的地层出露各有特点。林子台-王龙口段的流纹质熔结凝灰岩呈粉红色，具有假流纹构造，属于强熔结流纹质火山碎屑岩，其中王龙口北侧约200m 附近的岩石最典型(图2a)。龙门口北东向约700m 处则分布大量浅粉色流纹质熔结凝灰岩。沿河城三岔路口南山坡分布浅紫红色流纹质熔结角砾凝灰岩(图2b)，与王龙口附近的熔结凝灰岩不同的是它们不具有假流纹构造。书字岭附近则出露大面积的灰紫色流纹质熔结集块角砾凝灰岩，角砾长径可达15cm。沿河口到龙门口沿线分布大面积的灰绿色流纹质熔结角砾凝灰岩。

2 东岭台组酸性火山碎屑流的岩相学

图2 北京西山沿河城地区东岭台组流纹质熔结火山碎屑岩野外地质现象(a)-王龙口附近流纹质熔结凝灰岩的假流纹构造;(b)-沿河城附近肉红色流纹质熔结角砾凝灰岩Fig.2 Field phenomena of the silicic welded pyroclastic rocks of Donglingtai Formation in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing(a)-rhyolitic welded tuff with pseudo-rhyolitic structure near Wanglongkou; (b )-pink rhyolitic welded breccia tuff near Yanhecheng

东岭台组流纹质熔结火山碎屑岩在东岭盆地分布面积最大，是构成东岭台组火山碎屑流堆积的主要岩石类型。东岭台组酸性火山碎屑流的组成岩石主要为流纹质熔结凝灰岩、流纹质熔结角砾凝灰岩和流纹质凝灰岩。(1)流纹质熔结凝灰岩主要见于第二和第三岩性段，是东岭盆地分布范围最大的岩石类型，其熔结强度有强弱差异，岩石一般呈浅肉红色，熔结凝灰结构，强熔结的岩石具假流动构造，火山碎屑以火焰石(fiamme)、晶屑为主，玻屑和岩屑略少，但火焰石、晶屑、玻屑和岩屑的含量在不同的部位有较大差异，胶结物是细粒的已强烈脱玻化的火山灰和火山尘。(2)流纹质熔结角砾凝灰岩只见于第三岩性段，熔结强度总体较弱，岩石一般呈灰绿色、紫红色、灰紫色，角砾凝灰结构，块状构造。与流纹质熔结凝灰岩相比，岩屑角砾和火焰石的含量明显增多，最高可达60%。(3)流纹质凝灰岩主要分布于第三岩性段中部，与弱熔结流纹质熔结凝灰岩呈过渡关系，岩屑含量很少，玻屑含量较多。

2.1 酸性火山碎屑流中的晶屑

东岭台组酸性火山碎屑流中的晶屑以石英、长石晶屑占绝大多数，偶见黑云母晶屑。石英晶屑在不同的采样部位，含量、特征差异较大。书字岭附近流纹质熔结凝灰岩中的石英晶屑既有自形的，也有碎裂棱角状的，以破碎的颗粒为主，基本上没有被熔蚀(图3a)。而林子台南部、沿河城三岔路口南山坡的流纹质熔结凝灰岩中的石英晶屑则遭到强烈的熔蚀，呈现出火焰状、蠕虫状、剪纸状等形态，部分石英晶屑熔蚀比较严重(图3b)，熔蚀部分约占原晶体切面的15% ～30%。东岭台组第三岩性段的酸性火山碎屑流中含有大量的长石晶屑，碎屑长石的主要类型是发育卡斯巴双晶的碱性长石，以及发育钠长石双晶、聚片双晶的钠长-更长石(图3c)，有聚斑现象出现。破碎的长石边缘呈锯齿状或阶梯状，少数颗粒具有港湾状形态。长石晶屑都或多或少发生了呈褐红色的高岭土化。

2.2 酸性火山碎屑流中的玻屑

中酸性火山猛烈喷发时，大量被炸碎的岩浆气泡壁遇到外界环境迅速冷却，形成半塑性或塑性玻屑，其典型形态是凹面棱角状。在火山碎屑流快速堆积中塑性玻屑受上覆堆积物的重压而呈压扁拉长状，且略具平行排列。东岭台组酸性火山碎屑流含有大量的玻屑，熔结弱的岩石中多为脱玻化的破碎弧面多角状(图3d)，熔结较强的岩石中玻屑多呈定向的细长条状碎屑，其中层状展布的弱熔结流纹质凝灰岩的玻屑含量较多。玻屑常具梳状重结晶结构。

2.3 酸性火山碎屑流中的岩屑

岩屑是火山区基底和通道的围岩(包括早期熔岩)经火山爆炸破碎成棱角状碎块。东岭台组酸性火山碎屑流中的岩屑类型多样，既有同源的，也有异源的。岩屑种类以安山岩、粗安岩为主，其次为流纹岩、中上元古界的硅质白云岩、粉砂岩和细砂岩。岩屑呈棱角状，其岩相结构清晰，颗粒边界相对比较平展(图3e)。其中，流纹质熔结角砾凝灰岩中的岩屑含量多，可占岩石的50%，而且多呈棱角状、次棱角状，而流纹质凝灰岩的岩屑含量很少。

2.4 酸性火山碎屑流中的火焰石

酸性火山碎屑流中的火焰石是明显定向的火焰状、长条状的浆屑固结形成的，是强烈扁平化的浮岩碎屑(Branney and Sparks，1990)。东岭台组酸性火山碎屑流中的火焰石一般长宽比可达5 ～10，部分火焰石彼此之间形成了融合现象。野外可以见到含有石英、碱性长石斑晶的肉红色的火焰石，既有少气孔且流纹现象发育的，也有浮岩质的，但其塑性变形都相当明显、强烈。沿河城地区东岭台组火山碎屑流中的火焰石已全部发生了脱玻化作用，常呈花朵状、梳状重结晶结构(图3f)，有些内部还脱玻化呈球粒结构。火焰石的形态主要受控于火山碎屑的堆积过程和压实作用。

3 碎屑形态分析的分形理论和方法

3.1 碎裂作用的分形理论

维数是几何对象的重要特征量，一个图形维数的大小，表示它占有空间的大小。在欧氏几何测量中，点、直线、平面图形、空间立体图形的维数分别是0、1、2 和3 这样的整数。而对自然界中的各种不规则、不光滑、粗糙的物体形态，如曲折的海岸线，起伏的山脉，粗糙的断面等，是无法用欧氏几何的方法描述的(Mandelbrot，1977，1982)。针对这些复杂对象，可以用分形理论中的分形维数来度量。分形维数有不同的求法，如量规法、测度关系法、关联函数法、分布函数法、频谱法等。在实际应用中，对于点状要素的分形维数，常用网格法来求;线状要素的分形维数，主要采用盒维法或量规法来求;面状要素的分形维数，一般采用周长-面积法来求(孙霞等，2003)。

地壳物质在碎裂作用下常沿介质中先存的不同标度的薄弱带或薄弱面发生破裂。碎块大小的累积频率分布可以用幂律分布来近似。碎块大小的幂律分布表明碎裂作用具有标度律，即分形特征，这种特征常是自组织临界过程的结果(於崇文，2003，2006)。

图3 北京西山沿河城地区东岭台组流纹质熔结火山碎屑岩岩相学特征(a)-流纹质熔结凝灰岩中的石英晶屑，单偏光;(b)-流纹质熔结凝灰岩中被熔蚀的石英斑晶和碱性长石，单偏光;(c)-流纹质熔结凝灰岩中的碱性长石和钠长-更长石，正交偏光;(d)-流纹质熔结凝灰岩中弧面多角状玻屑，单偏光;(e)-流纹质熔结凝灰岩中的岩屑，单偏光;(f)-流纹质熔结凝灰岩中的火焰石、石英和长石晶屑以及岩屑，正交偏光Fig.3 Petrographic characteristics of the silicic welded pyroclastic rocks of Donglingtai Formation in the Yanhecheng area，Western Hills of Beijing(a)-rhyolitic welded tuff with quartz fragments under PPL;(b)-rhyolitic welded tuff with resorpted quartz phenocryst and alkali feldspars under PPL;(c)-rhyolitic welded tuff with alkali feldspar and albite-oligoclase under CPL;(d)-rhyolitic welded tuff with vitric fragments under PPL;(e)-rhyolitic welded tuff with lithic fragments under PPL;(f)-rhyolitic welded tuff with fiamme，quartz and feldspar fragments and lithic fragments under CPL

3.2 研究方法

本文应用分形理论来研究酸性火山碎屑岩二维切片下的碎屑形态特征，如石英被熔蚀边界的曲折程度、长石的破碎程度等。所用的方法是盒维法和周长-面积法来求分形维数。其优点是对形态比较复杂的颗粒的区分比较准确。镜下图像处理是应用Adobe Photoshop CS3 和NIH 软件来进行的。文中所有的数据均在0.48μm 到3097.6μm 尺度下测定的。周长的单位为微米，面积单位为平方微米。分析步骤如下:

(1)通过NIKON Eclipse LV100 Pol 偏光显微镜和配套软件获取岩石薄片的显微图像;

(2)应用Adobe Photoshop CS3 软件提取碎屑的形态，并对碎屑形态信息进行均一化处理和二值化处理;

(3)通过NIH 软件获取碎屑的面积和周长数据，并运用盒维法计算出单个碎屑的表面盒维数和边界盒维数;

(4)运用周长-面积法计算碎屑颗粒的整体分形维数。

盒维法计算的是单个火山碎屑颗粒的表面盒维数和边界盒维数，维数的数值反映了单个火山碎屑颗粒边界的复杂程度，值越大，边界越复杂，而这种复杂程度直观地反映出火山物质微结构构成的等级性以及火山爆炸时的物理状态。周长-面积法计算的是由同一作用机制所形成的大量碎屑颗粒的整体分维数，维数值反映了火山碎屑颗粒群的破碎程度，分维值越小，说明颗粒破碎的程度越强，反映火山爆炸越猛烈。

4 东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑形态的分形性

4.1 碎屑形态的分形特征

4.1.1 破碎的石英晶屑

东岭台组酸性火山碎屑流内破碎而又未受熔蚀的石英，表面比较完整，边界相对比较平直，保存了火山爆炸时原生刚性破碎的边界形态。碎屑破碎往往沿着包裹体和裂纹发育。通过对酸性火山碎屑流中的18 个破碎石英晶屑切面的分析，获得了破碎石英晶屑的表面盒维数为1.9295 ～1.9753，边界盒维数为1.1033 ～1.1362(图4)。其变化范围较小，反映出石英晶体较均匀和稳定的脆性破裂行为。对34个破碎的石英晶屑颗粒的周长和面积进行测量，其双对数曲线拟合程度较好，分形维数为1.0319，基本上接近于一维(图5)，说明颗粒间相似程度较高，总体上破碎石英晶屑边界比较平直。

4.1.2 熔蚀石英晶屑

东岭台组酸性火山碎屑流中熔蚀石英晶屑往往富集于火山碎屑流堆积单元的中下部，个体完整，熔蚀较强，颗粒边界常呈港湾状。通过对东岭台组第三岩性段酸性火山碎屑流中的29 个熔蚀石英晶屑切面的分析，获得了熔蚀石英的表面盒维数为1.8893 ～1.9530，边界盒维数为1.1267 ～1.1692(图4)。对44 个熔蚀石英晶屑的周长和面积进行了测量，其双对数关系明显，其分形维数为1.2531(图5)。总体上熔蚀石英晶屑比单纯爆炸破碎的石英晶屑边界曲折得多。

图4 东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑表面盒维数与边界盒维数的均值和范围Fig.4 Comparison between averages and ranges of surface box-counting fractals and edge box-counting fractals of various kinds of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

图5 东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑周长(P)和碎屑面积(A)的双对数关系以及碎屑的分维值Fig.5 Relationships between logarithm of peripheries and logarithm of area and fractals of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

4.1.3 长石晶屑

东岭台组酸性火山碎屑流中长石晶屑含量较多，多是碱性长石，有少量钠长-更长石，多已出现不同程度的高岭土化。通过对18 个长石碎屑颗粒的分析，获得了长石表面盒维数变化范围是1.8587 ～1.9734，边界盒维数变化范围是1.1038 ～1.1671(图4)。其边界盒维数变化相对较小。周长-面积法测得的长石晶屑分形维数为1.0887(图5)，反映出其边界的不规则程度远不及熔蚀石英，但是比石英晶屑略复杂些，主要原因是岩浆物化条件的变化未达到碱性长石斑晶受熔蚀的条件，与石英相比长石是各向异性的矿物而且发育解理。

4.1.4 玻屑

相对岩屑和晶屑而言，玻屑体积较小，轮廓不够清晰，玻屑的显微照片都是在放大100 倍基础上拍摄的。通过对13个玻屑颗粒的分析，获得了玻屑的分形维数。玻屑颗粒的分维数变化范围较大，其表面盒维数为1.7503 ～1.8883，边界盒维数为1.0988 ～1.1862(图4)。这种大的变化是玻屑的塑性和流变性以及堆积过程中变形比较大的反映。周长-面积法测得玻屑的分形维数为1.0535(图5)，但其拟合优度仅为86.6%，与以上晶屑相比较低。在一定程度上，其拟合优度的好坏与边界盒维数的变化范围的大小是高度相关的。

4.1.5 岩屑

东岭台组流纹质熔结角砾凝灰岩中含有大量的不同类型的岩屑，但是流纹质熔结凝灰岩中岩屑含量不多。本文只选了8 个岩屑颗粒进行了计算。岩屑的表面盒维数为1.9122 ～1.9709，边界盒维数为1.1190 ～1.1545(图4)，它们的变化都不是很大。周长-面积法测得的分形维数为1.0633(图5)，且其周长-面积双对数曲线拟合程度比较好。

4.2 碎屑形态的分形性对比

4.2.1 碎屑石英与熔蚀石英的分形性对比

石英遭受熔蚀后，其表面不平整，经常有小的熔蚀孔出现，这就破坏了表面的二维结构，其边界曲线虽然平滑，但是相当复杂，不是简单函数所能拟合的。未遭受熔蚀的石英晶屑，表面相对平整，但是其破碎所形成的边界曲线并不是严格一维曲线。在此，选取了15 个熔蚀石英盒维数据和15 个石英碎屑盒维数据进行了对比(图6)。

从图6 可以看出，熔蚀石英的表面盒维数总体上都在未受熔蚀的石英表面盒维数之下，而熔蚀石英的边界盒维数大致都在未熔蚀石英边界盒维数之上。经计算，未熔蚀石英晶屑表面盒维数比熔蚀石英表面盒维数平均高出0.0318。熔蚀石英的边界盒维数比未熔蚀石英的边界盒维数平均高出0.0248。

周长-面积法测得的分形维数反映了整体边界的变化情况。未熔蚀石英的维数为1.0319，熔蚀石英的维数为1.2531，整体相差0.2212。其数据相对差距明显，反映了东岭台组酸性火山碎屑岩中熔蚀石英与未熔蚀石英两者形态复杂性的差异。熔蚀石英的边界盒维数和周长-面积法获得的盒维数最大，说明熔蚀作用对石英斑晶边界形态复杂性的影响超过了其它机制对石英斑晶形态复杂性的影响。

图6 东岭台组酸性火山碎屑流中熔蚀石英与石英晶屑的表面盒维数与边界盒维数的对比Fig.6 Comparison between surface box-counting fractals and edge box-counting fractals of resorpted quartz phenocrysts and quartz fragments from silicic pyroclastic flows

4.2.2 碎屑分维值的变化范围

经研究，东岭台组酸性火山碎屑岩内各种碎屑的分形维数变化范围差别较大，表面盒维数和边界盒维数变化范围一致，从大到小依次为:玻屑、长石晶屑、熔蚀石英、岩屑和石英晶屑(图4、图5 和图6)。

其中，玻屑的表面盒维数和边界盒维数变化最大，说明其形状变化多样。长石晶屑维数的变化范围仅次于玻屑，但长石是晶体，所以其形状的复杂程度可以看作火山爆发程度的微小度量。石英晶屑变化范围最小，其稳定的物理化学性质得到了体现。通过对比可以看出，表面盒维数越大，则边界盒维数就越小，而且它们之和基本上是一定值，在3 左右波动。

计算结果显示，碎屑间的表面盒维数均值相对变化较大，其盒维数由大到小顺序为:石英晶屑(1.9557)、岩屑(1.9369)、长石晶屑(1.9239)、熔蚀石英(1.9239)、玻屑(1.8343)。碎屑的边界盒维数均值由大到小顺序为:熔蚀石英(1.1466)、岩屑(1.1377)、长石晶屑(1.1352)、玻屑(1.1317)、石英晶屑(1.1218)。周长-面积法测得分形维数由大到小依次为:熔蚀石英(1.2531)、长石晶屑(1.0887)、岩屑(1.0633)、玻屑(1.0535)和石英晶屑(1.0319)。边界盒维数均值与周长-面积法获得的碎屑分形维数相对大小是一致的，虽然数值上不等，但都可以从整体上反映其边界的复杂程度(图7)。

5 东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑分形特征的成因

东岭台组酸性火山碎屑岩中的各种火山碎屑形态，均呈现出了分形性。碎屑石英、熔蚀石英、碎屑长石、玻屑和岩屑的分形特征都有明显差异，这种差异反映了火山喷发过程中围岩结构和岩浆性质、物理化学条件以及火山作用机制的差异。

图7 东岭台组酸性火山碎屑流的碎屑边界盒维数均值与周长-面积法获得的分维数均值的对比Fig.7 Comparison between averages of edge box-counting fractals and averages of fractals from logarithm of peripheries to logarithm of areas of various kinds of fragments from silicic pyroclastic flows of Donglingtai Formation

含熔蚀石英和石英碎屑的酸性熔结火山碎屑岩是东岭台期火山猛烈爆发的产物，规模大、分布广。长石晶屑盒维数变化范围较宽，说明长石晶屑形状多样，碎裂程度较强。玻屑盒维数变化范围最大，充分显示了其碎屑的塑性和流变特性，也说明采样部位不是单元流层的中心相，也不是强熔结碎屑堆积的。岩屑的成分和形态多样，其盒维数变化范围只较石英碎屑稍大，说明其形成时期与石英碎屑形成时期大致相当。由于岩屑的强度比石英斑晶强度小，其变形程度相对较大，所以其形状较石英碎屑略不规则。

岩石中的石英形态差异和特征是由三个过程作用的结果，主要是:(1)岩浆在地下岩浆房内差异结晶作用;(2)火山爆炸过程中石英晶体的破碎作用;(3)在岩浆上升过程中与火山碎屑流堆积过程中物化条件的变化而发生熔蚀作用。石英耐高温，但却遭受较强的熔蚀，表明在岩浆运移到地壳浅部或喷出地表时，压力降低和挥发分的逃逸使斑晶遭受熔蚀，其中压力降低、快速堆积体内部的温度降低缓慢是最重要的因素。当岩浆从高温高压的地下深处上升到低压的近地表或地表的过程中，从相图中可以得到石英和碱性长石的共结线将会向石英方向移动，这样岩浆在深处晶出的石英斑晶就会被熔蚀，从而造成固相石英的体积和含量不断减少(邓晋福等，2004)。石英晶体的物理化学性质稳定，但在流纹质熔结凝灰岩中其破碎颗粒众多，说明当时在岩浆运移到近地表时，发生过极为猛烈的爆炸。对于长石晶体，虽然也已在岩浆房中结晶出来，但仅经历了差异结晶和破碎两个过程，而没有经历熔蚀过程。

根据岩相学研究，火山爆炸前，酸性岩浆主要由已结晶出来的斑晶石英、钾长石、钠长-更长石、微晶、气体和液态熔浆组成。爆炸过程中，火山上部的围岩以及岩浆中的斑晶被压力释放形成的冲击波以及自身膨胀破碎(如石英斑晶内部的大量气液包裹体膨胀导致晶体破碎;Allen and McPhie，2003)，而产生刚性岩屑、棱角状石英晶屑和长石晶屑。它们的形态复杂性反映的是脆性破裂的过程;而受熔蚀的石英晶屑是岩浆中结晶出来的石英由于物化条件变化而受到熔蚀形成的，其复杂性反映的是晶体的重新熔化过程。对于火山气体，在爆炸前，不同大小的气泡通过自组织过程而趋近爆炸临界，临界状态是气泡生长与岩浆爆炸破碎的分界状态;爆炸前的这种临界状态很好地保存在浮岩的气孔中。对于岩浆而言，爆炸时，破碎过程是一种局域的长程关联，即在临界区域内气泡之间的相互影响不论远近都是需要重视的、不可忽略的。气泡的爆炸是从处于临界状态的大气泡破碎开始的，并依次逐级破碎、连锁变化。从而导致爆炸的结果，即碎屑物的形态和颗粒分布呈现出了具有幂律规律的分形特征。

岩浆脱气作用引起火山爆炸时，被炸碎的岩浆气泡壁冷却形成玻屑，有的玻屑炸碎时圆弧形状保留完好，有的呈鸡骨状、树枝状、镰刀状等。这些玻屑随火山碎屑流快速堆积，而且随堆积地点逐渐远离火山口，其玻屑变形程度逐渐变弱，在近源相变形强烈，而远源相变形微弱。岩屑主要是火山爆炸中的碎裂作用导致围岩破碎形成的，其边界的复杂性与先成岩石的结构紧密相关。因此，可以得出，东岭台组流纹质熔结火山碎屑岩的复杂颗粒结构形态和颗粒分布特征不是单一爆炸过程形成的，而是火山系统多种过程和作用相互叠加与增强导致的高度复杂性，在火山爆炸的时空临界处并发，导致自组织临界性的发生，其分形规律不只表现在火山碎屑颗粒的几何形态上，而且表现在作用过程的分形动力学上，因此认识火山碎屑的这种现象需要从多个过程来破解。

总之，东岭台组流纹质熔结凝灰岩的结构成因过程可以总结归纳为:含石英和长石斑晶的流纹质熔浆在上升过程中，由于其压力下降，先期形成的石英斑晶遭受熔蚀。熔浆继续上升，当压强达到气体出溶临界值时，即形成大量的气泡，随着压力的下降，加速了石英斑晶的熔蚀速度。随着熔浆迅速上升到地表，火山通道被炸开，大量的挥发分、炸碎的气泡壁以及带有熔蚀石英、长石的熔浆碎屑被喷出火口，呈炽热状态悬浮于气体之中，在后续喷发物的推动下，沿山坡迅速下移堆积，在上覆物质的压力下，炽热的塑性物质开始熔结成岩，富含浆屑的碎屑堆积于离火口较近的地区，冷却后形成熔结凝灰结构。

6 结论

东岭台组酸性火山碎屑流具有典型火山碎屑流的组成特征，熔结程度和强度依单元的不同部位明显不同，主要组成岩石是流纹质熔结凝灰岩、流纹质熔结角砾凝灰岩和流纹质凝灰岩。

(1)东岭台组酸性火山碎屑岩中的各种碎屑的表面盒维数和边界盒维数的变化范围从宽到窄依次为:玻屑、长石晶屑、熔蚀石英、岩屑和石英晶屑。不同类型碎屑的表面和边界盒维数的数值范围具有一致性，玻屑作为塑性碎屑变幅较大，石英晶屑和岩屑作为刚性碎屑变幅较小。这说明碎屑的塑性和流变性对碎屑形态多样性的影响较大。

(2)边界盒维数均值由大到小依次为熔蚀石英、岩屑、长石晶屑、玻屑和石英晶屑。周长-面积双对数法获得的分形维数的均值由大到小依次为熔蚀石英、长石晶屑、岩屑、玻屑和石英晶屑。两者获得的相对大小基本一致，虽然数值上不等，但都可以从整体上反映其颗粒边界的复杂程度。在几种类型的碎屑中，熔蚀石英遭受了至少15% ～30%不同程度的熔蚀，熔蚀石英的边界盒维数和周长-面积法获得的分形维数最大，说明熔蚀作用对石英斑晶边界形态复杂性的影响超过了其它机制对火山碎屑形态复杂性的影响，表明熔浆在上升地表的过程中环境条件发生了显著变化。

(3)东岭台组酸性火山碎屑岩中的熔蚀石英、碎屑石英、碎屑长石、玻屑和岩屑的分形特征有明显差异，反映了火山喷发过程中围岩结构和岩浆性质、物理化学条件以及火山作用机制的差异。酸性火山碎屑流是由浆屑、岩屑、玻屑和晶屑以及火山气体相混合的多相密度流。火山碎屑形态的分形特征和幂率规律证明火山爆炸过程是在一种自组织临界下发生的。爆炸时的破碎过程是一种局域的长程关联，从而导致爆炸形成的碎屑物的形态展现了分形特征和幂律规律。

致谢 在本文的完成过程中，秦海鹏、李永生、郭文峰、杨小宇、张丽红、王永琴、王楠等都不同程度地协助开展了野外考察和室内工作，在此表示感谢。作者们衷心感谢於崇文院士、罗照华教授、魏海泉研究员的全面细致的评阅和中肯的改进意见。

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