冰岛南部卡特拉火山冰内熔岩供给三角洲的就位：时间、古环境与景观改造

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Emplacement of an englacial lava-fed delta at Katla volcano, south Iceland: Timing, paleoenvironment and landscape modification

　　

摘要

冰川火山产物是火山地区古环境重建的重要指示物，尤其当这些产物能够被准确测年时更是如此。冰岛南部卡特拉火山侧翼海拔400至800米出露的一片熔岩供沙三角洲地层序列，是由喷发并沉积到当时的冰内湖中形成的。水下相与水上相岩相之间上升的过渡带表明，在三角洲推进过程中湖面存在动态变化，最终高程约为海拔790米。环绕湖泊的冰川表面估计约为海拔900米，且冰川规模小于新仙女木冰期最大值。对三角洲序列中熔岩的两个??Ar/3?Ar年代进行了测定：底部熔岩为13.6 ± 3.6千年，上部熔岩为11.1 ± 3.2千年。这些年代得到了三角洲熔岩地层位于含有浮石和流纹岩碎屑的沉积物之上的地层位置的支持，而这些碎屑在成分上与约12千年前的韦德火山灰完全一致。这一受年代约束的冰内沉积模型，为末次冰期末期冰岛南部冰盖厚度和范围的稀薄实证证据作出了贡献。熔岩年代还为估算沟谷切割速率提供了依据，这些沟谷已将熔岩供沙三角洲从卡特拉火山侧翼切割分开。自上部熔岩沉积以来形成约200米深的沟谷，表明发生了快速切割，这种切割因后续喷发及相关冰川失稳引起的气候变暖过程中周期性冰川洪水而增强。因此，在重建冰川火山地区演化时，必须谨慎考虑地表形态的改造。

引言

火山地貌可作为古环境的有用指示物（Smellie, 2018）。例如，火山体的形态可以指示喷发是发生在陆上还是冰下。在相对平缓的地形中出现过度增厚、侧壁陡峭的火山体，是其在被构建时受到已移除的物质体限制的证据。如果构成火山体的火山产物含有快速冷却或与水体相互作用的证据，则可以合理地推断出冰川环境（Edwards等人, 2015）。最具特色的冰川火山地貌之一是"图亚"，这个词最初用于命名平顶、陡侧的火山体，其平面形状为圆形至椭圆形，由向外倾斜的砾岩和近水平的熔岩覆盖而成（Mathews, 1947）。这些火山地貌与冰内湖中被限制喷发和火山体生长有关，首先在冰岛（Kjartansson, 1943），随后在加拿大（Mathews, 1947）被研究。Jones（1968a）确定了图亚构建的三个阶段，由三个岩相代表：一个水下溢流相产生底部枕状熔岩，随后是一个露头的爆发相形成凝灰岩外壳，最后当火山体突破湖面后，一个水上熔岩溢流形成熔岩帽。熔岩供沙三角洲形成于水上熔岩沿火山体侧翼下降并进入积聚的融水时，因此是图亚的常见特征，并负责形成平顶形态（Skilling, 2002, Skilling, 2009; Smellie, 2006）。从水下相到水上相的转变是"过渡带"（Jones, 1968a），这个边界的性质和海拔可用于估算湖水位及其是静态还是波动的（Skilling, 2002; Smellie, 2006）。该序列成为了玄武岩图亚的"标准"模型（Jones, 1970; Skilling, 1994; Smellie和Skilling, 1994; Smellie和Hole, 1997; Jakobsson和Gudmundsson, 2008）。经过数十年的冰川火山系统研究和火山地貌词汇与分类方案的丰富，Russell等人（2014）为图亚提出了更新的定义，即"具有因喷发期间被冰限制而形成的形态的正地形火山，由反映岩浆与冰/融水直接相互作用的一组岩相组成"。根据这个新定义，用于分类图亚的岩相多样化，包括溢流、爆发和过渡形式，但明确指出由侵蚀而非被冰川限制的建设过程形成的地貌形态不在其中（Russell等人, 2014）。

在此，我们展示了莫林斯海德这一独特地貌的详细岩相描述、地质图和主要元素地球化学分析，它位于冰岛南部卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山合并侧翼以北（图1）。虽然莫林斯海德具有熔岩供沙三角洲的岩性特征和图亚的形态，但我们的研究表明其形态部分是侵蚀特征，而非完全被冰限制的喷发通道的结果。这一差异对于推断熔岩供沙三角洲的喷发地点以及理解沉积后的侵蚀和该地区的景观改造具有重要意义。此外，我们结合该序列中熔岩的??Ar/3?Ar年代，利用火山产物和沉积模型重建了喷发环境。

莫林斯海德是一个无冰的平顶地貌，位于卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山之间，处于菲姆沃德哈尔斯山脊的北侧（图1）。著名的菲姆沃德哈尔斯徒步小径穿过高原顶部。在平面视图中，莫林斯海德大致呈沙漏形轮廓，沿南北方向延伸。北侧有一组狭窄的熔岩堆突出，形成一个显眼的角状特征，名为黑角。莫林斯海德长约1.6公里，最宽处为800米。莫林斯海德顶部从南端的海拔800米逐渐降低到北端的海拔760米，对应平均坡度小于1.5°，这与周围陡峭的高山地貌形成鲜明对比。莫林斯海德通过东侧和南侧深200至300米的陡峭狭窄沟谷与卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山的斜坡分离。

卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山是冰岛南部的两个覆冰火山，位于东火山带的南端（Jakobsson, 1979）。这两座火山由东西向的菲姆沃德哈尔斯山脊相连。托尔法约库尔火山和廷德菲亚德拉约库尔火山是北方的覆冰火山。马尔卡河流经卡特拉火山和廷德菲亚德拉约库尔火山之间的狭窄洪水沟谷向西南方向流动（Bj?rnsson, 2002），然后转向西，在埃亚菲亚德拉火山和廷德菲亚德拉约库尔火山之间扩展为更宽的辫状河系统（图1）。卡特拉火山是一个由直径30公里的中央火山组成，有一个深600至750米的中庭，以及一个向东北延伸的水上裂谷群，使整个系统长度接近80公里（Jakobsson, 1979; Bj?rnsson等人, 2000）。中央火山顶部覆盖着米尔达尔斯冰川，它填满了中庭，厚度从150到200米不等，达到740米（Bj?rnsson等人, 2000; Magnússon等人, 2021）。数条出露水冰从冰盖流下火山侧翼（图1）。卡特拉火山喷发产物的成分呈双峰分布，以高FeTi过渡碱性玄武岩为主，次为流纹岩产物（Jakobsson, 1979; Larsen, 2000; Larsen等人, 2001; Lacasse等人, 2007; óladóttir等人, 2008）。自公元870年以来发生了20次喷发，其中大多数在冰盖下开始，并伴随冰川洪水（冰川泥石流；Larsen, 2000; Thordarson和Larsen, 2007; óladóttir等人, 2008）。根据火山灰记录，已识别出至少300次全新世喷发（óladóttir等人, 2008），使卡特拉火山成为冰岛多产和危险的火山之一。主要喷发风格是玄武岩水岩浆喷发，全新世期间相对较少的硅质喷发（Larsen等人, 2001; Torsteinsdóttir等人, 2016; Cole等人, 2025）。溢流喷发较为罕见，但包括公元939-940年的Eldgjá熔岩流喷发（Larsen, 2000; óladóttir等人, 2008; Hutchison等人, 2024）。

埃亚菲亚德拉火山中庭在卡特拉火山以西约16公里处（中庭边缘到中庭边缘）。埃亚菲亚德拉火山是一座成层火山，历史上活动性要低得多（Sturkell等人, 2010）。然而，最值得注意的是，2010年喷发开始于从菲姆沃德哈尔斯裂谷的火喷泉和熔岩溢流。这次喷发的熔岩流从莫林斯海德周围的沟谷倾泻而下（Hoskuldsson等人, 2011; Edwards等人, 2012）。

与全新世相对详细的喷发记录相比，对卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山的火山体地质、年代和山地构建过程的了解有限。迄今为止最全面的岩相研究集中在埃亚菲亚德拉火山南侧，那里有各种火山产物，指示向水中爆发和溢流喷发，与冰川沉积物和水上熔岩互层（Loughlin, 2002）。这一序列指示了火山体构建期间喷发环境的变化。埃亚菲亚德拉火山北侧和卡特拉火山西侧以前主要被划分为"móberg"，即冰岛语中对玄武岩玻璃质碎屑岩的称呼，但实际上包括枕状熔岩、玻璃质碎屑岩和玻璃凝灰岩（Hjartarson和S?mundsson, 2014）。由于这些岩石的成因起源不同，因此需要进一步区分以了解塑造这些火山的喷发历史和环境过程。

埃亚菲亚德拉和米尔达尔斯冰盖是冰岛冰盖的高海拔残余。末次冰期冰岛冰盖范围、厚度和年代演变的实证地质证据是零散的，特别是在冰岛南部（Spagnolo和Clark, 2009; Patton等人, 2017; Benediktsson等人, 2022, Benediktsson等人, 2023a）。对近海冰川地貌的地球物理和地貌学证据表明，冰岛冰盖在末次冰盛期（约22.9千年前）扩展至陆架边缘，且冰流从冰岛中央的分水岭流下（Noredahl等人, 2008; Spagnolo和Clark, 2009; Patton等人, 2017）。热力学模拟实验给出了末次冰盛期平均冰厚估计值为940至1172米（Hubbard等人, 2006; Patton等人, 2017），而冰面高程在中央高地达到约海拔2000米，基于冰下火山的山顶海拔（Walker, 1965; Hubbard等人, 2006; Licciardi等人, 2007; Noredahl等人, 2008; Patton等人, 2017）。在冰岛南部，末次冰盛期的冰流模拟重建了从托尔法约库尔地区沿马尔卡河谷向下的强冰流，被卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山阻挡（Bingham等人, 2003; Hubbard等人, 2006）。末次冰盛期后冰盖迅速退缩，到约14.6千年前，冰缘已退缩到现代海岸线以内（Geirsdóttir等人, 2009; Patton等人, 2017; Benediktsson等人, 2023a）。冰盖范围在约13.2千年前的B?lling-Aller?d间冰期达到最小值，然后在新仙女木冰期（约12.9至11.7千年前）温度重新变冷时，冰岛冰盖在许多地方重新推进到海岸（Noredahl等人, 2008; Ingólfsson等人, 2010; Patton等人, 2017; Benediktsson等人, 2023b）。冰岛南部的湖泊沉积物表明新仙女木冰期冰盖边缘动态变化，冰在海洋环境中终止。约110米的高相对海平面在埃亚菲亚德拉火山以西形成了一个古湾（Geirsdóttir等人, 2000, Geirsdóttir等人, 2021）。被马尔卡河冲积平原掩埋的终碛、冰川削面和擦痕表明存在新仙女木冰期的冰川，沿马尔卡河向下流动并在距现代海岸约5公里处终止（Haraldsson和Palm, 1980; Haraldsson, 1981; Geirsdóttir等人, 1997, Geirsdóttir等人, 2000; Bingham等人, 2003; Geirsdóttir, 2011）。新仙女木冰期冰岛中央地区冰厚约550米（Licciardi等人, 2007; Geirsdóttir等人, 2009; Patton等人, 2017）。因此，卡特拉火山和埃亚菲亚德拉火山之间的高地形很可能从末次冰盛期到全新世初期都被冰覆盖（Ingólfsson等人, 2010）。

片段章节

地质填图和采样

研究区域的地质图是2021至2025年实地工作与偏远或不可进入区域的航空摄影测量组合而成的。在实地，岩石类型通过形态学、构造和质地特征进行区分，接触关系直接或基于地形变化或坡度中断进行推断。对每种岩石类型的样本制作了薄片，用于微观质地特征和矿物鉴定。

岩相组合

四种岩相组合构成了莫林斯海德的主要喷发产物：枕状熔岩和玻璃质碎屑砾岩（pL/HB）、层状火山砾凝灰岩和砾岩（bLTB）、叶状熔岩（lL），以及板状熔岩（sL）。这些主要地层单元被下伏的碎屑沉积物和局部上覆的土堤所限定。这里按地层顺序给出了每种岩相组合的描述，包括岩相之间接触关系的描述。不同单元之间的三维关系……

岩相学和地球化学

莫林斯海德以及Hrunagil东南侧出露的熔岩（pL, lL, sL）和玻璃质碎屑砾岩（HB）都具有非常相似的岩相学特征（表1）。这些岩石在野外表现为无斑晶，斑晶较少（<2%）。在薄片下，熔岩基质从暗灰黑色隐晶质到可分辨晶体粗细不等。

叶凸状熔岩和溢流状熔岩的基质总体上比枕状熔岩的基质更粗。在某些熔岩中，40Ar/39Ar年龄Morinsheiei熔岩的40Ar/39Ar年龄用于测年的两个叶凸状熔岩样品（MOR12和SPA8–1）具有上述及表1中描述的叶凸状熔岩的典型岩石学特征。这些样品的薄片显微照片如图S6c和d所示。对一个基底部叶凸状熔岩样品（SPA8–1）进行了两次渐进加热实验，而对Morinsheiei上部熔岩的一个样品（MOR-12）进行了三次实验。所有实验均获得了包含超过75%的39Ar的坪段。Morinsheiei的年龄Morinsheiei的年龄是根据用于40Ar/39Ar测年的两个熔岩、 eruptive产物与下伏沉积物之间的关系以及推断的喷发环境来确定的。所测熔岩的表观年龄与其在Morinsheiei火山序列底部和顶部的地层位置一致。SPA8被推断为穿入火山碎屑凝灰岩的底部，具有较老的表观年龄13.6 ± 3.6百万年，而MOR-12为…结论Morinsheiei是一个由熔岩溢流进入Katla火山侧翼冰下湖形成的熔岩补给三角洲。在喷发时，一座冰川填充了Katla与Eyjafjallaj?kull之间、Fimmv?reuháls以北的海湾，并沿Markarfljót谷地向西流动。喷发过程中产生的融水被冰川和周围地形所限制，形成了该湖泊。随着喷发的进行，熔岩补给三角洲向湖中推进，最终抬升到湖面以上。作者贡献声明Rosie P. Cole：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、项目管理、方法论、调查研究、经费获取、形式分析、数据整理、概念化。Magnús T. Gudmundsson：写作——初稿撰写、监督、资源提供、项目管理、方法论、调查研究、经费获取、形式分析、概念化。Brian R. Jicha：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、方法论、调查研究、形式分析、数据…利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢感谢útivist的工作人员，特别是Básar营地的工作人员在野外工作期间给予的帮助。与Greta H. Wells关于洪水冲沟的有益讨论有助于我们理解该地区景观的改造。感谢Wesley Farnsworth和ívar ?rn Benediktsson关于区域古环境的讨论。Rebekka Hlín Rúnarsdóttir、Jóhann Gunnarsson Robin和Guemundur H. Guefinnsson协助了样品制备和地球化学分析。EytórRosie P. Cole|Magnús T. Gudmundsson|Brian R. Jicha|Catherine R. Gallagher|Birgir V. óskarsson冰岛大学地球科学研究所，Sturlugata 7, 102 Reykjavík, 冰岛