引用本文
潘波, 程滔, 万园, 于红梅, 许建东. 基于热流变运动学模型的熔岩流灾害区划--新疆阿什库勒火山区的灾害区划[J]. 地震地质, 2017,39(4): 721-734.
PAN Bo, CHENG Tao, WAN Yuan, YU Hong-mei, XU Jian-dong. STUDY OF THE LAVA FLOW HAZARD ZONING BASED ON THE KINEMATIC THERMO-RHEOLOGICAL MODEL: EXAMPLE STUDY FOR THE ASHIKULE VOLCANO, XINJIANG[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(4): 721-734.  
Doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.04.008
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基于热流变运动学模型的熔岩流灾害区划--新疆阿什库勒火山区的灾害区划
潘波1, 程滔2, 万园1, 于红梅1, 许建东1
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 国家基础地理信息中心, 北京 100830

〔作者简介〕 潘波, 男, 1981年生, 2016年于中国地震局地质研究所获理学博士学位, 助理研究员, 主要从事火山地质与灾害研究, 电话: 010-62009071, E-mail:panbo@ies.ac.cn。

收稿日期: 2016-11-23
基金项目: 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1505)资助
摘要

以新疆阿什库勒火山群为研究实例, 进行了熔岩流灾害区划的探索性研究。首先, 在野外地质调查和岩石学基础上, 通过系列经验公式计算和设定了研究区岩浆的密度、 黏度和溢出温度等参数。利用熔岩流的热流变运动学模型先进行了实验性模拟, 检验了参数设定的合理性和方法的可行性; 继而开展了针对研究区的应用型模拟, 计算了未来熔岩喷发在不同喷发规模下的覆盖范围。最后通过对模拟结果的分析和借鉴国外灾害区划的方法, 进行了阿什库勒火山区灾害的极危险、 危险、 次危险和潜在危险4级区划, 同时提出了相应等级灾害的应对方案和规划建议。虽然中国近300a来未遭遇熔岩流灾害的影响, 但文中前瞻性的研究工作将为中国相关灾害研究提供思路, 也为中国活动火山区的未来灾害预警和工程建设提供方法储备。

关键词: 热流变运动学模型; 熔岩流灾害区划; 阿什库勒火山群; 溢出速率; 应用性模拟
中图分类号:P317.9 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)04-0721-14
STUDY OF THE LAVA FLOW HAZARD ZONING BASED ON THE KINEMATIC THERMO-RHEOLOGICAL MODEL: EXAMPLE STUDY FOR THE ASHIKULE VOLCANO, XINJIANG
PAN Bo1, CHENG Tao2, WAN Yuan1, YU Hong-mei1, XU Jian-dong1
1)Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)National Geomatics Center of China, Beijing 100830, China
Abstract

The lava flow hazard is an important and frequent disaster for residents in the volcanic area. In this paper, we focus on the lava flow inundation hazard zoning based on the example case of the Ashikule volcano in Xinjiang, China. Firstly, the parameters of magma such as density, viscosity and temperature are calculated by the empirical formula of magma utilizing results of previous field geological survey and petrology analysis. Then, using the kinematic thermo-rheological model, we simulated the inundation area of lava flow from Ashi volcano at the effusion rates of 200m3/s and 500m3/s. The simulation results of Ashi volcano well coincide to the geological map and verify that the method and parameters are valid. Then the applied simulations were carried out to calculate the lava flow inundation area in future eruption at Ashi, Wuluke and Daheishan crater with different effusion rates. At last, according to the analysis of the applied simulation results and drawing lessons from the foreign disaster zoning method, the four-level hazard zoning was built and set with different colors. The first level with red color is the extra-dangerous zone that is always inundated in any eruption but only distributes near the lava spillway of the crater. The second level with orange color is the dangerous zone that is inundated in the medium scale eruption. The third level with yellow color is the sub-dangerous zone that is corresponding to the large eruption. The fourth level with blue color is the potential dangerous zone that is only inundated in the extra-large eruption. In addition, we put forward the suggestion to respond to and avoid the disaster in future. Although China has not been affected by the lava flow for nearly three hundred years, the prospective study in this paper will lay the foundation for the study of related disasters, and provide the reference for the major construction projects in the volcanic area.

Keyword: kinematic thermo-rheological model; Ashikule volcano; lava flow hazard zoning; effusion rates; applied simulation
0 引言

火山喷发给人类带来丰富的旅游资源和肥沃的土壤, 但同时也带来一系列的灾害, 如在平静期的有毒气体释放, 扰动期的火山地震和地表形变, 喷发过程中的火山熔岩流、 碎屑流与火山灰和喷发后次生的泥石流、 海啸与酸雨等(许建东, 2006; Oppenheimer, 2011; Doocy et al., 2013)。据统计, 全球约20%的居民生活在火山灾害的危险区或影响范围内, 特别如东京、 墨西哥城等国际化大都市, 周边活跃的火山未来可能会对城市带来毁灭性的破坏(Magill et al., 2005; Favalli et al., 2009; Doocy et al., 2013)。

火山熔岩流为融熔的岩浆从熔岩溢出口喷出后沿地表流动形成的1套高温液态流体, 是火山喷发中最为常见的喷发类型。其流动速度受控于岩浆成分、 溢出速率和地表坡度等, 最快可达30km/h, 慢则1d仅数m的移动(Daneš , 1972; Crisp et al., 1994; Griffiths, 2000)。虽然由于熔岩较高的黏度使流动速度相对较慢, 这使人类可以有效规避灾害而避免人员的伤亡, 但炙热的熔岩所到之处淹没房屋, 毁坏森林与庄稼, 并可引起大规模的火灾和融雪性泥石流等(许建东, 2006; 潘波等, 2011)。

灾害区划是为减轻和防御灾害开展的一项基础性和前瞻性的工作, 是政府和民众关注的焦点, 也是工程选址和民房建设的重要参考(Magill et al., 2005; 许建东, 2006; Favalli et al., 2009)。熔岩流灾害区划是以具有潜在喷发危险或正在喷发的火山为对象, 通过历史熔岩流灾害的调查和数值模拟方法相结合, 来建立该火山未来熔岩流灾害分布的一项工作。目前, 发达国家经过几十年的工作, 建立起了相对完善的火山灾害区划图, 如美国的夏威夷火山、 日本的富士山火山和新西兰的奥克兰火山等(Orsi et al., 2004; Rowland et al., 2005; Koyama, 2009)。然而, 国内在此方面的研究相对比较薄弱, 仍未开展相关的研究工作。

新疆阿什库勒火山群位于青藏高原的北缘, 其1951年5月27日的喷发被认为是中国最新的1次火山喷发活动, 也因此成为了近年来研究的热点(新疆日报, 1951; 刘嘉麒等, 1990; 许建东等, 2011)。前期大量的工作认识到阿什库勒火山群第四纪以来以溢流式熔岩喷发为主, 岩性主要为玄武粗安岩和粗安岩(刘嘉麒等, 1990; 邓万明, 1991)。许建东等(2014)和赵波等(2014)通过大量的野外调查, 了解了火山岩的分布范围, 建立了主要火山的火山机构, 并绘制了 1︰5万火山地质图, 这为本文的灾害区划研究提供了良好的地质基础(图1)。

图1 新疆阿什库勒火山群熔岩分布简图及位置(赵波等, 2014; 许建东等, 2014)Fig. 1 Location and geology sketch map of lava flow at Ashikule Basin in Xinjiang (after ZHAO Bo et al., 2014; XU Jian-dong et al., 2014).

本文通过对国外熔岩流灾害区划方法的学习, 引入适用于研究区(流动特征相似)的热流变运动学模型, 对新疆阿什库勒火山区开展了熔岩流灾害区划的研究。本文开展的熔岩流灾害区划, 是国内首次开展针对熔岩流的灾害区划研究, 这为中国未来此方面的研究工作提供了借鉴, 其所积累的研究方法和经验可为未来全国性火山灾害区划图的编制提供技术支持。

1 阿什库勒火山群

阿什库勒火山群发育于青藏高原北缘阿尔金断裂带和康西瓦断裂带交会的阿什库勒盆地内(图1a)。盆地内的火山活动始于上新世, 大规模火山活动主要在第四纪, 多座规模较大且锥体完整的火山年代测试表明在晚更新世和全新式仍有喷发活动, 整体熔岩面积约200km2。盆地内火山喷发的类型主要以中心式喷发为主, 规模多为夏威夷式或弱斯通博利式, 少量可见串珠状的裂隙式-中心式喷发(冯民等, 2014; 许建东等, 2014; 赵波等, 2014)。

目前, 在阿什库勒盆地内发现了10余座主火山和数10个子火山, 其中规模较大的有阿什火山、 乌鲁克火山、 大黑山火山、 牦牛山火山和椅子山火山等(许建东等, 2014; 赵波等, 2014)。火口形貌大多为圆锥状或截顶圆锥状(图1b)。其中, 阿什火山和乌鲁克火山为盆地内规模较大、 地表出露和保存较完好的2座更新世火山。阿什火山位于阿什库勒湖的南侧, 其熔岩流主要发育3套, 其中最大的1套向NW流入阿什库勒湖内; 乌鲁克火山位于乌鲁克湖北侧, 火口近圆形, 其发育2套流向NW的熔岩流。大黑山火山为盆地内规模最大的1座火山, 发育于盆地的北侧, 其共存在4个喷发溢出豁口, 熔岩以近环状分布于火口四周(图1b)。

阿什库勒火山群的岩石学与地球化学研究表明, 岩浆类型主要为粗安岩, 含少量的玄武粗安岩。其质量分数, SiO2集中在55%~60%, K2O为3%~5%, Na2O为2%~4%; 且Na2O的质量分数小于K2O的, 属于钾质系列(图2a)。镜下观察发现熔岩主要发育玻晶交织结构、 聚斑结构和熔蚀结构, 斑晶总体的质量分数约为15%~20%, 大量的微晶可见, 斑晶主要为斜长石, 局部存在辉石斑晶(申欢欢等, 2014; 赵波等, 2014; Yu et al., 2014)(图2b, c, d)。通过岩石成分与斑晶特征分析认为, 阿什库勒火山的熔岩属于1套中等黏度流动的岩浆, 其流动距离较长, 覆盖面积较广。

图2 阿什库勒火山岩TAS分类图与镜下岩相学(斑晶)特征
数据来自赵波等, 2014; Yu et al., 2014; 申欢欢等, 2014。 TAS分类采用Le Bas et al., 1986。
b, d 单偏光下; c 正交偏光下。 Pl 斜长石; Cpx 单斜辉石; Opx 斜方辉石Fig. 2 TAS diagram of petrochemistry and petrographic photo for Ashikule volcano rock.

2 熔岩流的热流变运动学模型

通过经验模型的数值模拟来开展地质灾害的区划, 是随计算机技术发展而常用和有效的1种方法。Harris 等(2001)和Rowland 等(2005)根据莫纳罗亚、 基拉韦厄和埃特纳火山的多次熔岩流喷发流动过程, 建立了热流变运动学模型。热流变运动学模型是以火口喷溢出的1股熔岩流为研究对象, 假定其在受地形控制的渠道内流动, 且质量守恒, 在流动近停止或温度低于固结温度时, 熔岩流动结束(图3)。若有新的1股熔岩溢出, 则在新的地形中重新模拟计算, 直至此次喷发活动结束(潘波等, 2011)。

图3 热流变运动学模型示意图(Harris et al., 2001)Fig.3 Schematic diagram of the kinematic thermo-rheological model (after Harris et al., 2001).

热流变运动学中控制熔岩流流动的是速度和温度, 先达到停止条件则流动结束。速度的控制方程如下:

v=d2ρlavagsinθ3η1-3YScore2YSbase+12YScoreYSbase31

式(1)中, d为熔岩厚度, ρ lava为熔岩密度, g为重力加速度, θ 为地形坡度角, η 为黏度, YScore/YSbase为熔岩流核部和底部的屈服强度比。从式(1)中可以看出θ , η 与YScore/YSbase是随熔岩流动变化而控制流动速度的变参数(Harris et al., 1998)。当v≈ 0时, 熔岩流动停止固结。温度变化的主要控制方程包括:

(1)热量系统变化

ΔH=-Qcond-Qrad-Qforce-Qrain-Qfree+Qcryst+Qvisc(2)

(2)温度变化量

δT/δx=ΔH/ErρlavaLcrystδφmicro/δx(3)

式(2)、(3)中, Δ H为热量的总变化量, Qcond 为传导热损, Qrad 为辐射热损, Qforce 为风热损, Qrain 为降雨热损, Qfree 为大气传导热损, Qcryst 为微晶结晶热, Qvisc 为黏度热, Er 为溢出率, Lcryst 为结晶潜热, δ φ micro/δ x为结晶变化量(Murase et al., 1973; Dragoni, 1989; Harris et al., 2001; Kattenhorn et al., 2008)。温度从溢出口流出后, 随运移距离的增大而逐渐降低, 直至最后到达固结温度, 停止流动(图3)。

表1 阿什库勒火山区熔岩模拟参数及赋值表 Table1 Parameters and values used for modeling the lava flow in Ashikule volcano area

基于热流变运动学模型, 根据研究区的岩浆地球化学特征与自然环境所设定的参数, 在具有地形数据的熔岩流模拟EarthGo软件中进行单一火口不同喷发规模下的熔岩流模拟(Rowland et al., 2005)。而灾害区划的出发点为关注区内未来可能的灾害影响范围, 因此我们需要对多个可能的溢出口进行不同喷发规模的全面模拟, 然后根据各个火口喷出熔岩的影响范围来综合不同喷发规模下的区域熔岩流灾害范围, 最后依据灾害区划方法建立熔岩流灾害区划图。

3 模拟计算过程与结果
3.1 地形与岩浆参数设定

影响熔岩流流动的因素主要包括熔岩流流经途径的地形和其自身的物理性质2个方面。模拟计算中, 利用美国航天飞机雷达测绘的30m精度的地形数据(SRTM)作为基础资料(数据下载自http://srtm.usgs.gov/data/obtainingdata.html)。阿什库勒火山区地表裸露, 植被发育差, 因此雷达测试数据基本反映了地表实际地形情况, 为模拟提供了良好的基础数据。

岩浆的初始参数是其自火口溢出时的特征, 岩浆在深部经历的贮存条件和演化情况不同, 岩浆的特征也各异。通过前期大量岩石矿物学与地球化学的研究, 掌握了阿什库勒火山区岩浆的成分和斑晶特征(图2), 据此通过系列计算设定的岩浆参数如表1。其中, 岩浆的密度(ρ lava)根据阿什库勒火山区测试的全岩成分, 利用Murase等(1973)提出的岩浆密度计算公式计算获得; 岩浆出口的温度根据Putrika等(2008)提出的单斜辉石-熔体温度计, 利用电子探针的测试数据计算获得(申欢欢等, 2014); 岩浆的黏度(η )根据全岩测试的挥发份含量和岩相研究中的斑晶含量, 利用Bottinga等(1972)提出的黏度公式计算获得。其余参数的设定, 根据相关岩浆的物理性质和经验设定。

3.2 模拟计算过程

基于热流变运动学模型的模拟分为2部分, 第1部分为实验性模拟, 检验模拟参数设置的合理性和模拟方法的可行性; 第2部分为应用性模拟, 针对可能成灾的火山模拟, 计算熔岩流灾害影响范围。2部分的模拟均使用熔岩流的热流变模拟软件EarthGo。模拟中分别读入研究区的地形数据和熔岩参数, 根据设定的喷发规模(溢出速率)来计算熔岩流流动的覆盖区域。

实验性模拟是针对阿什火山最新的2期熔岩流喷发进行的模拟测试。野外地质考察表明, 阿什火山最新1期的喷发(图4a 中I)为小规模的溢流式喷发, 熔岩主要覆盖在火口周围2km范围之内; 次新期熔岩流喷发流向了火口西北, 流动长度约5km(图4a 中Ⅱ )。依据2次喷发的规模, 分别设定此2次喷发的熔岩流溢出规模(速率)为200m3/s和500m3/s。模拟中, 设定阿什火山为熔岩溢出口, 设定熔岩喷发溢出次数为30次, 即1次熔岩喷发后地形得到填充改变, 后1次喷发在新的地形上重新计算流动。模拟的熔岩分布结果如图4b, 模拟熔岩分布范围基本与野外地质考察熔岩分布趋势相似。较小喷发规模(200m3/s)的模拟结果仅分布在火口周围, 而规模较大(500m3/s)的次新期喷发从火口流出后, 沿地形向W流动。虽然模拟结果与野外调查未能严格对应, 但两者的流动趋势和特征基本一致, 这是由于地形无法恢复到历史喷发前。模拟结果的良好吻合验证了前述参数设置的合理性和模拟方法的可行性。

图4 阿什火山的实验性模拟结果与野外的熔岩分布对比图(野外地质资料引自许建东等, 2014)Fig. 4 Comparison of results of experimental simulation and distributions from field survey in Ashi volcano(Field geological map is from Xu Jian-dong et al., 2014).

应用性模拟计算是基于实验性模拟而开展的1项预测性模拟计算, 是开展熔岩流灾害区划的数据基础。野外地质调查中发现, 阿什库勒火山区内存在熔岩地貌清晰, 火口保存完整且规模较大的火山有3座, 分别为阿什火山、 乌鲁克火山和大黑山火山。根据火山喷发活动多在先前喷发火口的基础上继续喷发, 设定此3座火山为模拟计算的熔岩喷发口。同时基于对这3座火山火口机构的地质调查, 我们设定这些火口上的豁口为熔岩的溢出口。对于未来火山喷发的规模, 我们分别设定小规模喷发为50m3/s, 中等规模喷发为100m3/s和200m3/s, 大规模喷发为500m3/s和1, 000m3/s, 超大规模喷发为2, 000m3/s。模拟的参数设定和计算过程同实验性模拟一致, 模拟计算的结果如图5。

图5 阿什库勒火山区在不同喷发规模下的应用性模拟结果Fig. 5 Simulation results in different effusion rates in Ashikule volcano area.

3.3 应用性模拟计算结果

从图5中可以发现, 熔岩的覆盖或影响区域随着喷发规模的增大逐渐扩大, 但各喷发规模的覆盖范围有其各自的特点, 以下将分别简介不同溢出等级下3座火山喷发熔岩的覆盖范围。

图5a为小规模熔岩溢出(50m3/s)的流动覆盖区域, 发现熔岩主要分布在火口周围1km范围以内, 影响区域较小。阿什火山熔岩自南侧溢出口溢出后, 沿地表向低洼区域小范围扩展, 但基本以扇形分布于阿什火山南侧。乌鲁克火山锥体顶部平整, 无明显豁口, 模拟中设定顶部中心为熔岩溢出口, 熔岩溢出后沿地形流向了SW, 但未到达乌鲁克湖。大黑山火山为区域内最大的火山口, 火山机构的研究表明其在南侧、 西北侧、 北侧和东北侧存在4个豁口, 模拟中分别设定此4个豁口为熔岩的溢出口(图1)。在熔岩50m3/s溢出时, 大黑山火山的4条熔岩分布相互独立, 在有限的范围内顺出口向前短距离流动。

图5b和5c为熔岩中等规模喷发(100m3/s与200m3/s)的流动范围, 可以发现其流动影响范围明显扩大, 影响到距火口1~5km的范围。阿什火山熔岩溢出后依然以扇形分布于火口南侧, 但少量熔岩开始向火口的NW和NE 2个方向扩展。乌鲁克火山熔岩溢出后, 除了向SW方向的乌鲁克湖流动并到达湖岸外, 同时也流向了火口东北侧的低洼地带。大黑山火山中等规模喷发时各溢出口的熔岩发生了明显的叠加, 自东北口流出的熔岩向S流动开始与南侧火口熔岩汇合, 而西北口与北口的熔岩溢出后合并向S流动。大黑山火山整体受北侧山脉地形的影响, 熔岩流出后分别向NE和NW方向扩展。

图5d和5e为熔岩大规模喷发下(500m3/s与1, 000m3/s)的流动范围, 其流动影响范围较大, 流动长度在10~20km范围之间。阿什火山的熔岩除覆盖火口南侧的平坦地区外, 向NE和NW方向大范围的扩展, 并且在NW方向到达了阿什库勒湖。乌鲁克火山的熔岩流动受周围山脉地形的限制, 向火口NE和SW呈狭长条状扩展, 整体影响范围相对较小。大黑山火山北侧3个溢出口的熔岩溢出后, 受北侧高地形的影响先流向了西侧和东侧后再转向南方。大黑山火山南侧溢出口的熔岩沿地形向SW流动, 并与北侧流过来的熔岩叠加后流入了阿什库勒湖。

图5f为超大规模喷发的熔岩覆盖范围, 设定的喷发溢出率为2, 000m3/s, 在此溢出率下熔岩覆盖了火口周边的大部分区域。阿什火山溢出后在向E流动中受地形阻挡与其他喷发规模的覆盖范围相似, 但在西侧的流动范围得到大范围扩展, 并向N流入了阿什库勒湖。乌鲁克火山依然受地形限制, 向NE和SW方向填充沟谷和乌鲁克湖, 整体填充范围略扩大。大黑山火山4个溢出口的熔岩在流动中相互叠加, 除东北口部分熔岩流向东部外, 其余火口溢出的熔岩均转向SW填充阿什库勒湖。在此规模下, 阿什库勒湖受南部阿什火山和北部大黑山火山的熔岩联合填充, 近乎整个湖被熔岩所填充。

3.4 熔岩流灾害区划

熔岩流的灾害区划是以应用性模拟计算结果为基础, 通过进一步的分析绘制以颜色级别来反映受灾可能性大小的工作。将各溢出速率的模拟结果通过着色叠加一起, 如图6a。图6a在绘制过程中, 将小规模的溢出计算结果置于顶部, 向下逐渐铺放溢出速率变大的, 最终叠加了各喷发规模的熔岩在一起。

对于火山的熔岩喷发, 有2点成为对其灾害的1个共识: 1)在喷发规模中, 小规模的喷发事件频次要大于大规模喷发的事件, 即大规模的喷发事件间隔周期更长, 虽能形成大规模灾害, 但不如小规模喷发形成灾害的可能性大, 因此小规模喷发覆盖范围的灾害区划级别高于大规模喷发覆盖范围; 2)自同一个火口流出, 大规模喷发所流动的路径会基本或部分经过小规模喷发的区域, 也就是说小规模喷发所覆盖区域, 无论在小规模还是大规模喷发中, 都会受到熔岩灾害的影响, 即此区域对应了高的灾害等级(Griffiths, 2000; 许建东等, 2006; 潘波等, 2011)。

基于应用性模拟结果和对火山灾害的认识, 同时参考各国灾害区划的最新进展, 采用目前各国普遍使用的4级颜色方法来进行灾害的区划, 此方法也被验证为最易于民众接受识别的方法(Rowland et al., 2005; Favalli et al., 2009; Koyama, 2009)。应用性模拟中, 设定了小规模、 中等规模、 大规模和超大规模4个喷发级别, 而在灾害区划中将对应性地设定4个灾害级别。4个灾害级别分别为极危险、 危险、 次危险和潜在危险, 对应的区划颜色为红色、 橙色、 黄色和蓝色, 区划划分的详细描述如表2。

表2 火山区熔岩流灾害的4级区划 Table2 The four-level hazard zoning for the volcano area

图6 阿什库勒火山区的熔岩灾害区划图
a 不同规模喷发的叠加; b 灾害区划的平面图; c 灾害区划图的3D展示Fig. 6 The zoning map of lava flow inundation hazard in Ashikule volcano area.

阿什库勒火山群的熔岩流灾害区划结果如图6, 4个危险等级区以火口为中心分布并逐级向外扩展。其中一级的极危险区, 均集中在溢出豁口附近, 说明在熔岩流灾害预警中通过地球物理方法确定熔岩通道, 预测熔岩的溢出位置, 是灾害应急成功的关键, 因为最危险的区域分布于火口周围。阿什火山主要危险区位于溢出豁口的南侧; 而在其东侧, 由于山体地势的影响, 扩展范围受到了限制; 在火口西侧, 流向S的熔岩受限制转弯向W后再流入阿什库勒湖, 填充了阿什库勒湖。乌鲁克火山处于狭长的沟谷内, 受地形控制整体灾害范围较小, 熔岩流无高速惯性爬坡的能力, 向NE方向仅小区域被淹盖, 而向SW方向流动后进入乌鲁克湖, 受湖水冷却限制, 也是灾害区域较小。大黑山火山作为模拟中地形最高的1座火山, 其灾害区划结果同地形息息相关, 其北侧受山体地形影响为安全区, 无成灾危险, 在其火口的西南和东南侧的两翼, 由于无溢出口且地势高, 同样成为了安全区域; 而在阿什库勒湖区域, 多股大黑山火山和阿什火山的熔岩流汇集于此, 成为了大规模喷发下的潜在危险区。

4 讨论
4.1 参数的获取

参数设定是模拟计算中最为基础的, 参数的质量决定着模拟结果的真实性和可靠性。对于熔岩流灾害区划中的模拟, 现今在喷发的火山(如夏威夷火山, 埃特纳火山等)通过野外测量其喷发时流动熔岩的温度, 黏度和密度等设定参数, 来开展可靠的模拟与预测(Harris et al., 1998; Favalli et al., 2009)。而对于类似于本模拟中的阿什库勒火山, 无喷发可测量数据, 这种情况下野外地质的考察和系列的测试, 通过借鉴野外和实验室建立的经验公式来计算设定喷发出熔岩的参数成为了最近似获取真实参数的方法。

热流变运动学模型中最关键的参数是温度(热量)、 黏度(流动性)和地形数据3个方面。岩浆的温度获取方法多种, 可以通过岩性来经验性地判定范围区间, 也可借鉴类似火山喷发所测试的温度。本文利用矿物成分来反演岩浆温度的方法进行计算获得。这种通过多种矿物特征计算所获得的初始温度, 虽然需要通过大量的测试工作, 但获取的参数更加准确, 是在岩浆研究中被普遍使用和接受的方法。地形数据选取广泛使用的SRTM遥感资料, 通过地形的高差模拟计算流动路径, 获取熔岩流流动的通道。

参数的选取经过了大量的测试和计算, 虽近于真实, 但依然存在一些不确定性, 待进一步完善。比如熔岩流的初始温度, 利用Putrika等(2008)提出的矿物组合方法计算岩浆房的平衡温度, 但此温度反映地下岩浆房的温度, 可能熔岩快速上升, 出口温度接近平衡温度; 也可能运移缓慢存在大量的热量散失, 溢出口的初始温度已大幅降低。在地形数据中, 30m精度的STRM卫星数据基本控制了区域的地形趋势, 但对于小规模喷发和边缘少量熔岩流动情况的方向性, 不能真实地反映出来。模拟过程中部分的不完善, 虽然给模拟结果带来了不确定性, 需未来进一步的研究确定, 但本文在熔岩模拟参数的设定中已进行了大幅度的完善提高, 为灾害区划的未来研究提供了基础。

4.2 熔岩流灾害特征与应急对策

通过对现今熔岩流的观察和计算模拟获得的灾害区划图, 特别是灾害区划图的3D影像展示, 可以明显地发现熔岩流动的最大特征或影响因素是地形地势(图6)。熔岩流虽黏度较大, 但遵循着流体依重力流动的特征, 且缓慢的流速不会依惯性翻越障碍和高地, 多沿沟谷和低洼地带流动和聚集。比如在灾害区划中, 大黑山火山的西南和东南两翼由于地势较高, 形成了灾害区内的安全岛, 而对于处于沟谷内的乌鲁克火山, 两岸高的地势成为了相对安全区域。针对熔岩流的这一特征, 修筑堤坝和开挖引流渠等便成为了减轻熔岩流灾害的方法, 比如在房子面对熔岩流来一侧堆积土丘, 阻挡并改变熔岩流的流动方向, 以避免或减少财产的损失。但是这种规避可能是临时性, 因为大规模的喷发随熔岩堆积厚度的增加, 翻越后依然会造成破坏, 但在自然灾害面前赢取了宝贵的撤离时间, 这也是极大的帮助。

另外, 炙热的岩浆流动中热量散失, 温度下降是熔岩流的另一显著特点, 也是模拟中控制熔岩流动的关键参数。喷发出的岩浆不断向大气和周围散失或传导热量, 特别是遇到降水或进入湖中, 大量的蒸汽产生加快了热量散失和温度的降低, 而当温度到达冷却值时固结不再流动(Kattenhorn et al., 2008)。这一特征同样可被用来减轻熔岩流灾害, 比如在熔岩流流动前缘喷灌水, 加速固结降低流动性, 为人员疏散和财产转移赢取时间。

熔岩流灾害是在火山喷发事件中频次最高的灾害, 但随着预警技术的提高和交通的便利, 目前已很少造成人员的伤亡, 但固定建筑和财产的损失依然严重。因此通过半定量的灾害区划研究, 合理布局城市的规划是应对熔岩流灾害的重要现实意义。

4.3 熔岩灾害区划研究的探讨

通过对阿什库勒火山群灾害区划工作的经验总结, 认为对于活动火山区开展熔岩流灾害区划的步骤如下:

(1)野外地质探查, 详细了解火口的分布位置, 历史喷发熔岩的分布范围与岩性特征, 采集岩石标本;

(2)室内开展岩相学与地球化学的观察与测试, 确定熔岩的类型和特征, 并依此计算和设定模拟的参数;

(3)对典型熔岩流进行模拟计算, 并与野外考察的熔岩分布情况对比, 来检验参数设定的合理性;

(4)基于地质探查的资料, 设定火山喷发口和熔岩溢出口的位置, 进行不同喷发规模下的模拟计算, 并整理归纳模拟结果;

(5)依据模拟计算结果, 分析绘制目标火山区的熔岩流灾害区划图, 并提出风险规避区和规划建议。对于城市内的火山要考虑人口分布密度和建筑物的影响, 相应提出疏散方案和城市建设建议。

以上为熔岩流灾害区划的步骤。虽然工作量大, 可能需要几年或者几十年的前期准备工作, 但其是为减轻和防御未来灾害开展的一项基础性和前瞻性的工作。虽然中国近300a来未经历熔岩流灾害的影响, 但中国分布广泛的活火山在未来极可能出现破坏性的熔岩喷发活动, 影响区域经济的高速发展和人民的生命财产安全。因此, 积累性地开展熔岩流灾害区划的研究工作, 将在灾害到来之前具有技术储备, 可稳妥地应对这些灾害。另外, 对于大型厂址的选取, 比如核电站、 大型水库等, 可通过熔岩灾害区划的建议来合理布局, 避免未来熔岩灾害后规模更大的2次灾害。

5 结论

本文通过以阿什库勒火山群为研究实例的熔岩流灾害区划研究, 获得的主要新认识和经验有:

(1)熔岩流灾害区划是基于火山区详细地质调查和研究基础上开展的进一步模拟预测工作, 前期基础地质研究工作的扎实性是模拟参数设定的重要依据, 也是灾害预测工作准确性的关键。

(2)模拟计算过程中发现, 同一火山区在岩性相近的情况下, 地形地势和温度变化是影响火山熔岩流灾害的主要因素, 也因此在灾害应对的规划中可以通过对应的方法规避灾害, 减少损失和赢取时间, 如建设堤坝或者开挖引流渠等。

(3)基于模拟结果的4级熔岩流灾害区划是对拟规划区域长期有利的一项前瞻性工作, 虽然中国目前未经历熔岩流紧急事件, 且区划技术不尽完善, 但在未雨绸缪的研究推动下, 未来将展示其重要意义。

致谢 在本文撰写过程中, 赵波提供了大量的野外地质资料, 并给出了许多宝贵的建议, 在此表示衷心的感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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