火山產物的機械混合作用：岩漿混和作用與熔積岩

[No. 26] 星期五地質 – Friday Geology

火山作用包括了岩漿(magma)的形成、於岩漿庫內的活動與演化機制，以及當岩漿噴發於地表後冷卻、並形成火山/噴出岩等過程。而自然界中，當兩物質相遇，若成分融合為一種新成份，稱為混合作用(mixing)，亦即化學混合作用；但若彼此仍能保有各自原有的成分，則稱為混和作用(mingling)，為一種物理的機械混合作用。在中文的使用上，雖多數人”合/和”混用分不清楚，但這兩個字確實代表了不同之意義。今天，我們要來認識兩個由岩漿噴發的產物所形成的混和作用，分別為：當異質的岩漿，於近地表或噴出後相遇，所發生的岩漿混和作用(magma mingling)；以及當火山所噴發的物質，與未固結的沉積物相遇時，所形成的一種特殊岩石-熔積岩(peperite)。

本文使用位於海岸山脈富東公路段小馬隧道口旁的火山岩露頭為例，Lai et al. (2008)介紹了一個全長約160公尺，且同時具有上述兩種混和作用的剖面(圖一A)。圖一B與C分別可見較基性(SiO₂: 54-56wt.%，呈較深色)與較酸性(SiO₂: 62-64wt.%，成較淺色)兩種岩漿共存，並且相遇後彼此各自仍保存著原本的特性(圖一D)，說明兩岩漿相遇時，發生了岩漿混和作用(magma mingling)，因而產生一種類似油水混和不相溶的情形。由兩成分相接處的岩石樣本(圖二A至D)，可看出接觸面各自呈現兩成分相互侵入或相嵌的構造，顯示兩岩漿相遇時可能仍皆為流體或半固結的狀態，也就是兩種不同成分的岩漿，是在同一時期噴發，且在近地表或噴出地表後相遇的。Lai et al. (2017)與Lai et al. (2018)，分別使用火山岩基質(groundmass)進行氬氬年代分析、以及火山岩中鋯石(zircon)的鈾鉛定年分析。氬氬年代分析結果中，較酸性的火山岩年代為7.4Ma；而鋯石鈾鉛定年結果中，兩種火山岩年代分別為8.0Ma與7.8Ma，若考慮誤差範圍，兩者可視為同一年代。因此，年代學的研究證明了兩種岩漿確實為同時噴發，但，又是在甚麼情形下相遇的呢？

▲圖一	▲圖二

此時，我們要先來關注這個剖面的另外一個主角-熔積岩(peperite)。早期對熔積岩的定義，是在說明熔岩流與未固結的含水沉積物相遇，所形成的一種混和岩類，此岩石同時具有來自火成作用的岩漿物質與來自沉積作用的沉積物，並且混和後冷卻保存下來(Scrop, 1827)。此岩類雖然很早就被報導，但直到1998年於南非舉辦的國際火山會議，才特別將熔積岩相關的研究做彙整，並整理成special issue羅列了至當年為止熔積岩的相關研究(JVGR, 2002, v.114(1-2))。而[熔積岩]這個中文名詞的使用，則是中國學者白志达等人，於2004年首度於中國識別了peperite，並進行相關研究時所命名。熔積岩本身為一成因用詞，同時保有火成作用的[熔]與沉積作用的[積]，確實為peperite的中文命名做了非常恰當的翻譯。在2002年的特別期刊中，大多聚焦在討論野外產狀的敘述上，而對熔積岩的分類方法尚未有明確的共識，大部分的研究者皆同意將其大致分為塊狀(blocky peperite)與流體狀(fluidal peperite)熔積岩，但對於產狀的細節、形成的機制、或沉積物需不需為富含水分的狀態，則是眾說紛紜。回到海岸山脈，熔積岩也出現在這個剖面中，圖三顯示了較酸性的岩漿與泥質沉積物，發生混和作用(mingling)而形成的熔積岩(圖中I為來自岩漿的產物；S則來自泥質沉積物)。一般島弧地區的熔積岩，多半出現在島弧火山體的兩個位置：一是岩漿剛噴出海床時，炙熱的物質與海床上未固結的沉積物相遇，形成的熔積岩包覆在枕狀熔岩中；第二種情形為岩漿於火山島頂部或側向噴發，岩漿作用物質與火山島出露海面周圍堆積的沉積物混和所形成。本文所指之剖面所出露的熔積岩，與前述岩漿混和作用的產狀兩者為整合出露，考量兩種岩相同時出現的合理及可能性，其形成的環境應於火山島頂部或側面與海水面交界處。
 

▲圖三
 

關於熔積岩，Lai et al. (2013)將其視為海岸山脈火山岩的層序裡，頂部石梯坪凝灰岩(Shihtiping tuff)中可能普遍存在的一種岩相，同時其也代表了火山島成長至出露海水面之後的陸上噴發相。然其在海岸山脈全段之石梯坪凝灰岩層中，所呈現的成分、產狀與分布範圍並不一致，是否能對應不同構造時期的火山噴發環境，或有其他可延伸討論的機制與變因，則尚需更多的證據來支持。另外，其產狀所對應的火成物質與沉積物各自的成分、形成環境、混和機制等等，於國際上的火山學研究中均尚未有定論，故此種岩類的研究仍有很多工作需進行。雖如此，台灣具有能形成此種特殊岩類的環境甚多，除本文之海岸山脈與澎湖本島(Song et al., 1994)已有報導外，臺北盆地周邊與其他火山離島均存在可能出現熔積岩產狀的環境。下次，諸位於旅遊時，不妨多留意火山岩的產狀，或許會有更有趣的發現呦！