吉林龙岗火山群金龙顶子火山机构及灾害区划
赵波1, 张焘2, 徐德斌3, 白志达3
1.中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
2.美国宝石研究所, 卡尔斯巴德 92008
3.中国地质大学(北京), 北京 100083;

〔作者简介〕 赵波, 男, 1983年生, 2010年于中国地震局地质研究所获构造物理学博士学位, 助理研究员, 主要从事火山地质和火山碎屑岩石学研究, 电话: 010-62009135, E-mail:zhaobo@ies.ac.cn

摘要

金龙顶子火山是吉林龙岗火山群全新世喷发规模最大的火山。前人研究表明, 该地区火山活动活跃, 具有潜在喷发危险。通过对金龙顶子火山机构的解析, 确定历史火山灾害类型主要有火山溅落灾害、 空降火山渣灾害和熔岩流灾害等。在限定金龙顶子火山未来再次喷发类型和规模与上次相当的条件下, 火山溅落灾害局限于火口2km范围内; 空降火山渣灾害, 距火口2~9km为高危险区, 9~14km为中危险区, 14~18km为低危险区; 使用Volcflow模型对熔岩流进行模拟, 结果表明熔岩流主要分布在金龙顶子火山周围低洼地带。

关键词: 龙岗火山群; 金龙顶子火山; 火山机构; 火山灾害区划
中图分类号:P317.9 文献标识码:A 文章编号:0253-4967(2017)02-0423-13
PRELIMINARY VOLCANIC HAZARD ZONATION IN JINLONGDINGZI VOLCANO, LONGANG VOLCANO AREA, JILIN PROVINCE, CHINA
ZHAO Bo1, ZHANG Tao2, XU De-bin3, BAI Zhi-da3
1.Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2.Gemological Institute of America, Carlsbad 92008, America
3.China University of Geoscience, Beijing 100083, China
Abstract

Longgang volcano cluster is 150km away from the Tianchi volcano, located in Jingyu and Huinan Counties, Jilin Province, China. It had a long active history and produced hundreds of volcanoes. The latest and largest eruption occurred between 1 500 and 1 600 years ago by Jinlongdingzi(JLDZ)volcano which had several eruptions in the history. This paper discusses the volcanic hazard types, and using the numerical simulations of lava flow obtained with the Volcflow model, proposes the hazard zonation of JLDZ volcano area. JLDZ volcano eruption type is sub-plinian, which produced a great mass of tephra fallout, covering an area of 260km2. The major types of volcanic hazards in JLDZ area are lava flow, tephra fallout and spatter deposits. Volcflow is developed by Kelfoun for the simulation of volcanic flows. The result of Volcflow shows that the flows are on the both sides of the previous lava flows which are low-lying areas now. According to the physical parameters of historical eruption and Volcflow, we propose the preliminary volcanic hazard zonation in JLDZ area. The air fall deposits are the most dangerous product in JLDZ. The highly dangerous region of spatter deposits is limited to a radius of about 2km around the volcano. The high risk area of tephra fallout is between 2km to 9km around the volcano, and between 9km to 14km is the moderate risk area. Out of 14km, it is the low risk area. Lava flow is controlled by topography. From Jinchuan Town to Houhe Village near the volcano is the low-lying area. If the volcano erupts, these areas will be in danger.

Keyword: Longgang volcano area; Jinlongdingzi volcano; volcanic edifice; volcanic hazard zonation
0 引言

龙岗火山群位于长白山火山群以西, 吉林省东部辉南县、 靖宇县境内的龙岗山脉中段。龙岗火山区从新近纪开始活动(刘嘉麒, 1987), 一直延续到全新世(刘祥等, 1997)。第四纪火山活动频繁, 具有多旋回、 多期次和多阶段喷发特点(王雨钧等, 1980; 刘祥等, 1989; 刘尔义, 1990; 王彦生等, 1999; 樊祺诚等, 2002; 于福生等, 2003; 白志达等, 2006; Liu et al., 2009), 是中国近代主要火山活动区之一。

前人对龙岗地区的研究重点主要集中在火山构造、 喷发产物及分布、 火山地层、 岩石学、 地球化学以及地幔动力学等方面。龙岗火山群夹在敦化-密山断裂带和鸭绿江-图们江断裂带之间, 区内断裂发育, 主要有NE向、 NW向和近EW向3组(欧祥喜等, 1984)。岩石类型为单一的粗面玄武岩, 来自于地幔(樊祺诚等, 1999)。火山喷发产物主要为熔岩流、 基浪堆积物、 火山空降碎屑席、 火山溅落堆积物以及所携带大量地幔橄榄岩的捕掳体(罗照华, 1984a; 刘祥等, 1991, 1997; 隋建立等, 1999; 魏海泉等, 1999; 刘若新, 2000; 张秉良等, 2005; 白志达等, 2006; 隋建立, 2007; 刘强等, 2009; 赵波等, 2010)。部分研究者开展了橄榄岩地球化学和其所代表的地幔动力学特征研究(罗照华, 1984b; 史兰斌等, 1999; 徐义刚等, 2003; 张志海等, 2006; 杨清福等, 2011)。刘嘉麒等(2000)、 贺怀宇等(2000)、 刘强等(2004, 2005)和储国强等(2005)研究了本地区玛珥湖纹层泥及古环境变化, 郭正府等(2005)在四海龙湾湖沉积物中发现长白山千年大喷发的碱流质火山灰。徐德兵等(2005)、 于红梅等(2008)和赵波等(2008)对本区基浪堆积物地层、 岩石和粒度分布进行了成因分析及探讨。

金龙顶子火山是龙岗火山群全新世喷发规模最大的火山, 在1, 500~1, 700a前, 发生了亚普尼林式喷发, 形成了分布广泛的四海火山碎屑席(刘祥等, 1997; 刘若新, 2000; 樊祺诚等, 2002; 于福生等, 2004; 李智等, 2006)。白志达等(2006)认为四海火山碎屑席是由多次喷发形成的。此外, 于红梅等(2013)对金龙顶子火山灰灾害概率性分布进行了研究; 綦伟等(2013)和刘俊清等(2013)通过水准复测资料和地震活动分析, 认为龙岗火山活动性有增强趋势。

以上研究结果表明, 全新世以来龙岗火山群火山活跃, 其中金龙顶子火山发生过多次喷发, 该地区火山活动仍处于相对活跃期, 但是研究重点集中在岩石学、 地球化学以及年代学等方面, 对金龙顶子火山机构类型和火山灾害区划等研究相对薄弱。

本文以龙岗火山群金龙顶子火山为研究对象, 对火山机构进行解析, 确定了金龙顶子火山的主要历史火山灾害类型; 根据历史火山喷发规模和Volcflow模型, 对未来可能发生的金龙顶子火山灾害进行了初步区划。

1 火山机构

龙岗火山群EW长约70km, SN宽约40km, 涉及范围达2, 500km2。金龙顶子火山位于火山群西北部, 辉南县金川镇东南3.5km处, 最高海拔992m(图1)。

图1 金龙顶子火山分布位置示意图Fig. 1 The location of Jinlongdingzi volcano.

火山机构是指一定空间、 时间范围内, 形成的火山通道及其附近各种堆积物和构造的总称。根据金龙顶子火山成因、 地貌形态及喷发产物特征等, 火山喷发类型为亚普尼林式(刘祥等, 1997), 火山机构由火山锥体、 火山碎屑席和熔岩流3部分组成(图2)。

图2 金龙顶子火山地质简图Fig. 2 The geological sketch of Jinlongdingzi volcano.

1.1 火山锥体

在龙岗地区, 第四纪玄武质火山活动, 部分火山发生爆炸式喷发, 在火口之上形成了以浮力上升为主要营力的喷发柱, 并形成范围较广的火山碎屑席(图4)。金龙顶子火山是这一类型的典型代表, 是亚普尼林式喷发形成的(刘祥等, 1997)。普尼林式火山通常以岩浆黏度大的流纹质与粗面质为主, 而金龙顶子火山是玄武质爆炸式喷发形成的。部分研究者认为两者在成分上存在明显差异, 金龙顶子火山不适用亚普尼林式喷发。亚普尼林式喷发作为喷发强度介于斯通博利式和普尼林式之间的1种喷发类型, 就是Walker根据冰岛海克拉火山1970年玄武质爆发提出的(Walker, 1973; Lockwood et al., 2010)。

金龙顶子火山锥体由早期降落火山渣锥、 晚期降落火山渣锥及末期溅落锥共同组成(图3), 其整体形态呈椅子型, 在西南方向有1个缺口, 为末期熔岩流溢出破坏形成。

金龙顶子早期降落式火山渣锥的玄武质火山渣已遭受较强的风化, 为土黄色, 并有一定的胶结, 顶部出现0.8~1.3m厚的黄土层, 坡度较缓。该期爆发的残存火口推测位于现今火口的NE方向。

在金龙顶子早期降落火山渣锥顶部的风化黏土层之上是金龙顶子晚期降落火山渣锥, 构成了现今的金龙顶子火山锥体的主体部分, 该锥体底部直径约2km。

在晚期降落锥之上叠加的是末期溅落锥, 锥底直径约1km, 锥体陡峻, 锥体坡度25° ~35° , 最陡处高达40° , 锥体主要由砖红色和灰黑色的熔结集块岩组成。

图3 金龙顶子火山锥体剖面图Fig. 3 Cross sections of Jinlongdingzi volcano.

图4 金龙顶子火山碎屑席厚度拟合曲线分布图Fig. 4 Iso-thickness fitting distribution map of tephra from Jinlongdingzi volcano.

1.2 火山碎屑席

金龙顶子火山碎屑席(俗称四海火山灰)是金龙顶子火山爆破式喷发作用的产物(魏海泉等, 1999)。根据野外火山地层调查结果, 金龙顶子火山碎屑席主要分布于黄泥岗村— 南阳屯— 徐家店村— 蛤蟆塘所围成的范围内, 平面上呈略向NE偏转的近椭圆形(图4), 为灰色、 灰黑色火山渣, 局部见有少量火山弹、 熔岩饼, 比重相对较轻, 顶部为厚20~30cm的现代腐殖土层, 分布面积约260km2。根据野外火山渣地层剖面厚度数据, 建立了金龙顶子火山碎屑席的厚度拟合曲线分布图(图4)。

1.3 熔岩流

金龙顶子溅落锥形成后, 由于玄武质岩浆的供给快速提高, 位于火口内的岩浆在密度作用下, 沿着锥体底部与基底接触面上的中性浮力界面流动, 在锥体西南方向形成岩浆溢出口, 并在岩浆向外溢流时把锥体肢解。大量岩浆自溢出口向西沿低洼的沟谷流淌, 在岩浆流动过程中将被锥体破坏(图2)。根据野外地质调查结果, 金龙顶子熔岩流的展布严格受地形制约, 形成带状熔岩流, 部分熔岩流流入大龙湾, 其余继续向西和西南流动。由早到晚划分为L1、 L2、 L3、 L4和L5五套熔岩流单元, L1、 L2、 L3和L4熔岩流单元沿沟谷向西流淌, 其中L1和L2流动距离长, 最远接近10km, 呈带状分布(图2)。最晚的L5熔岩流单元向西流到大龙湾附近, 流动距离最短。熔岩流流动单元的长度由早到晚逐渐变小。熔岩流的构造类型早期为结壳熔岩, 晚期为渣状熔岩, 表现出在时间与空间上由结壳熔岩向渣状熔岩转化的特征(Kilburn, 2004)。

2 金龙顶子地区火山灾害区划

根据对金龙顶子火山机构的解析, 历史火山灾害类型主要有火山溅落堆积物灾害、 空降堆积物灾害和熔岩流灾害等。在限定喷发规模和灾害类型不变的条件下, 对金龙顶子火山灾害进行区划。

2.1 火山溅落堆积物灾害区划

根据野外地质调查, 从火口向外约2km范围内, 堆积厚度> 5m, 主要是溅落堆积物, 具体包括火山弹、 熔岩饼、 围岩碎块以及粗粒级火山渣。该区堆积物为弹道喷射, 撞击能量大, 受风力影响小, 温度高, 堆积厚度大, 是高危险区。

2.2 火山空降火山渣灾害区划

若从火山空降火山渣对住宅等建筑物以及农作物的重压等角度考虑, 房顶受力超过700kg/m2时, 几乎所有类型房屋都会压垮; 200~700kg/m2时, 部分屋顶会垮塌; 10~200kg/m2时, 对农作物会产生破坏性影响(Mastrolorenzo et al., 2008; 于红梅等, 2013)。

金龙顶子火山渣能浮在水上, 密度一般< 1g/cm3。通过换算, 把压强转化为火山渣堆积物厚度: 厚度> 0.7m, 几乎所有类型房屋会压垮; 厚度在0.2~0.7m, 部分屋顶会垮塌; 厚度在0.01~0.2m, 对农作物会产生破坏性影响。

如果金龙顶子再次发生火山爆发, 可能的规模大致和上次相近, 考虑现今盛行的季风(西偏北风), 火山碎屑降落堆积物的分布仍是1个长轴呈NWW向展布的椭圆形。自火口向外2~9km为空降堆积物灾害的高度危险区, 该区域是火山碎屑物主要降落区, 降落火山碎屑厚度> 0.7m, 几乎所有建筑物都会遭到破坏。9~14km为中等危险区, 降落堆积物以细粒火山渣、 火山灰为主, 厚度在0.2~0.7m, 部分建筑会垮塌。14~18km为低危险区, 堆积厚度为0.01~0.2m, 对建筑物的影响则小, 对农作物会造成严重损害。18km以外, 火山灰厚度< 0.01m, 主要是火山灰尘及有害气体危害。

2.3 熔岩流模拟及灾害区划

2.3.1 Volcflow模型

熔岩流模拟, 国外研究主要分为2类: 一类是以灾害研究为主, 基于GIS和DEM, 主要用于人员分散和应急救援, 如Magflow模型和Volcflow模型; 另一类就是随着灾害研究的不断深入, 逐渐变成了基于物理模型的数学研究, 如FLOWGO模型, 需要高度的数学运算, 研究流体复杂的运动过程。与热流变运动学为基础的FLOWGO等模型相比, Volcflow在流体物理参数方面考虑少, 以DEM等地形数据为基础, 在确定流体流动路径方面与实际喷发有较好的吻合(Kelfoun et al., 2005, 2008, 2011)。本文采用Volcflow模型对金龙顶子火山进行熔岩流流动路径模拟。

图5 Volcflow网格计算模型示意图Fig. 5 Schematic model of grid computing.

Volcflow模型基本原理就是获取火山研究区域高精度的DEM(数字高程)数据, 建立基于地形的数字三维网格单元, 以火口为中心进行计算, 在每个时间增量计算流体各个方向边缘速度, 根据速度大小自动选取第一流动方向, 然后根据算法算出平均项, 计算网格单元中心的平均厚度和速度(图5), 以此类推, 直到各个方向的速度为0。

计算方法主要包括质量深度平均方程和能量守恒方程:

(1)质量深度平均方程

bt+x(hu)+y(hv)=0(1)

(2)能量守恒方程

t(hu)+x(hu2)+y(huv)=ghsinax-12Kactpassx(gh2cosa)+Txρ2t(hy)+x(huv)+y(hv2)=ghsinay-12Kactpassy(gh2cosa)+Tyρ3Kactpass=21±[1-cos2ϕint(1+tan2ϕbed))12cos2ϕint-1(4)Tx=-ρh(gcosa+u2r)tanϕbeduu5

2.3.2 模拟结果

龙岗地区火山岩岩性主要为玄武岩(Liu et al., 2009), 1, 200℃玄武质岩浆的黏度在1, 000~10, 000Pa· s(Lockwood et al., 2010), 设置熔岩流从金龙顶子火山海拔950m处向四周溢流, 总共溢出体积为0.59km3, 其他具体参数见表1。

表1 熔岩流模型输入参数表 Table1 Input parameters of lava model

Volcflow模拟的结果显示: 熔岩流主要分为南北2部分, 向N流动的熔岩流被三角龙湾火山挡住分成2股, 一股向W到金川镇, 规模较大, 另一股向E, 沿着山脚流动, 规模较小; 向S流动的熔岩流在参场也分为2股, 大部分向W流向吴家蹚子村, 少量向E流; 还有少量熔岩流向W被大龙湾东南部高地阻挡。从地形上看, 熔岩流所在区域均为地势低洼区域。

2.3.3 熔岩流灾害区划

熔岩流能到达的地方, 都是高危险地区, 因为高温炽热的熔岩流几乎对所有生物极其建筑物造成毁灭性灾害, 金龙顶子以往熔岩流由于受地形制约, 基本沿低洼沟谷呈带状展布, 熔岩流最长为10km, 以此规模为参照, 划分金龙顶子未来喷发熔岩流的灾害区域。

根据熔岩流作用特点、 金龙顶子地区地形和Volcflow模拟结果, 熔岩流灾害区主要在金龙顶子火山周围低洼地带和以往熔岩流的南北两侧河谷低洼地带(图6)。因此未来喷发的熔岩流会向W沿金川镇至蛤蟆塘低洼地带流动, 或沿着吴家蹚子山前低洼地带向W流动, 或是沿着金龙顶子火山周围的低洼地带流动。这些地带是高危险区。

后河农场以东金龙顶子早期熔岩流所覆盖区域。虽然地势比金川镇和吴家蹚子高, 但从模拟结果来看, 仍有小部分熔岩流沿着早期熔岩流路线向W流动到大龙湾附近, 如果未来喷发溢出率高, 则有可能继续往W流动; 该地带南北两侧洼地是熔岩流活动区, 且宽度不超过2km, 容易形成被熔岩流所围绕的孤岛。因此, 该地带是中危险区。

后河农场以西地区, 在喷发规模不变的情况下从这里溢出岩浆的可能性很小, 故应是低危险区。但如果喷发规模变大, 这片开阔带危险性则会提高。

图6 金龙顶子火山熔岩流Volcflow模拟结果图Fig. 6 The map of lava simulation from Jinlongdingzi volcano by Volcflow.

3 结论

距离金龙顶子火山3.4km处的辉南县金川镇, 总人口约1.3万人, 火山喷发必定会给附近人民群众造成灾害及损失。金龙顶子火山灾害分类是基于过去的火山喷发历史建立的, 理论上来说未来火山喷发灾害类型不能用确定性灾害来预见, 但对1座火山过去活动模式的了解有助于对其未来喷发行为的认识(Scarpa et al., 1996)。本文基于野外地质调查和金龙顶子火山机构的建立, 认为火山活动具有继承性(图3), 用历史火山灾害类型来为未来火山灾害进行初步区划。

图7 金龙顶子火山灾害区划图Fig. 7 The hazard zonation map of Jinlongdingzi volcano.

根据对金龙顶子火山机构的解析, 金龙顶子火山活动具有多期性特征, 历史火山灾害类型主要为火山溅落灾害、 空降火山渣灾害和熔岩流灾害等。在限定金龙顶子火山未来再次喷发类型和规模与上次相当的条件下, 初步建立了金龙顶子火山灾害区划图(图7)。火山溅落灾害局限于火口2km范围内; 空降火山渣受风影响较大, 距火口2~9km为高危险区, 9~14km为中危险区, 14~18km为低危险区; 熔岩流灾害受地形影响大, 金龙顶子周围低洼地带、 金川镇到蛤蟆塘一带, 吴家蹚子山前低洼地带均是高危险区, 以往熔岩流流动区域为中危险区, 后河农场以西为低危险区。在未来可能的火山喷发前, 金龙顶子火山灾害区划可以给相关部门提供初步参考, 做出相应的预防计划。龙岗火山区常见的火山碎屑涌浪在金龙顶子历史火山灾害中没有出现过, 但是不能保证以后的喷发不会有; 次生的火山灾害没有涉及, 比如大龙湾的湖水, 如果金龙顶子火山喷发导致湖水的倾泻, 会产生什么破坏性影响, 都是未知的。

研究活火山高分辨率火山结构, 建立火山区灾害区划图, 是开展火山监测、 预测未来火山喷发危险性以及应急响应机制的基础。

致谢 感谢Karim Kelfoun无偿提供Volcflow软件; 感谢于红梅副研究员在论文撰写中提出的宝贵意见。

The authors have declared that no competing interests exist.

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