火山泥石流動力學及災(zāi)害研究

萬 園

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

（作者電子信箱，萬園：wanyuan＿1980＠163.com）

火山泥石流是最重要的火山爆發(fā)次生災(zāi)害，其活動性最大，影響范圍最廣，從而造成災(zāi)害范圍最大。長白山天池火山千年大噴發(fā)火山泥石流災(zāi)害范圍分布廣泛，是國內(nèi)火山泥石流領(lǐng)域的重要研究對象，天池蓄水量20.4億m3，而且天池火山每年積雪、積冰較厚且時間較長，因此，長白山天池火山一旦再次爆發(fā)，火山爆發(fā)時極有可能引發(fā)火山泥石流，在距天池火山口50多千米處就有聚居5萬多人口的二道白河鎮(zhèn)，次生火山泥石流災(zāi)害對生命財產(chǎn)造成巨大威脅。

前人研究表明，赤峰期火山泥流堆積物主要分布于松花江中上游、近火口處和二道白河兩岸，鴨綠江西岸、圖們江流域也發(fā)現(xiàn)有千年大噴發(fā)火山泥石流，前人對其分布范圍、地層層序、沉積環(huán)境等進行研究，但未綜合建立火山泥石流相模式；且尚未有專題的災(zāi)害區(qū)劃。

針對上述問題，本文通過分布特征、粒度特征、顯微形貌特征、年代研究以及堆積特征研究等方面綜合建立天池火山泥石流相模式圖，并且在此基礎(chǔ)上完成天池火山泥石流災(zāi)害區(qū)劃圖，從宏觀及微觀上綜合進行火山泥石流動力學及災(zāi)害學研究。并且利用相同方法對緬甸蘭里島泥火山災(zāi)害及成因機制進行研究。

1 研究內(nèi)容

（1）通過長白山天池火山的構(gòu)造背景、環(huán)境地質(zhì)背景以及氣候條件等綜合探討天池火山泥石流的潛在形成危險。

（2）對歷史火山泥石流堆積物進行地層學、沉積學和流體力學研究，綜合建立天池火山泥石流野外剖面序列，分析其各項特征。

（3）通過對野外剖面序列的橫向及縱向粒度特征分析、顯微形貌及特征分析、成分分析、形成年代研究以及堆積機制研究等，綜合建立天池火山泥石流相模式圖。

（4）以天池火山地貌TIN 和DEM 圖為基礎(chǔ)，通過野外剖面序列中總結(jié)出的模擬參數(shù)，對天池火山泥石流進行數(shù)值模擬，計算不同噴發(fā)規(guī)模的火山泥石流災(zāi)害分布范圍，建立火山泥石流綜合災(zāi)害區(qū)劃，綜上，從宏觀及微觀角度對火山泥石流進行動力學及災(zāi)害學研究。

（5）利用相同研究方法對緬甸蘭里島泥火山進行粒度分析以及顯微形貌特征研究，分析其成因機制，探討泥火山災(zāi)害。

2 研究方法

（1）綜合考察長白山天池火山泥石流野外分布情況，沿二道白河、圖們江、鴨綠江以及頭道白河流域研究千年大噴發(fā)火山泥石流堆積物的分布特征，其中二道白河流域為主要研究對象，建立二道白河流域以及圖們江流域的野外剖面序列。

（2）根據(jù)野外剖面序列堆積物特征系統(tǒng)按照近緣火山泥流相、中緣過渡流相以及遠緣超高密集流相火山泥石流研究其空間分布特征、地層構(gòu)造特征、沉積學、流體力學等特征。

（3）對野外樣品碎屑進行粒度分析、顯微形貌分析、形成年代分析以及堆積機制研究，從宏觀微觀兩個角度綜合建立火山泥石流相模式。

（4）基于天池火山1：25萬DEM，根據(jù)野外實測參數(shù)，對天池火山泥石流進行數(shù)值模擬，根據(jù)不同體積閾值預(yù)測再次發(fā)生火山泥石流災(zāi)害的可能分布范圍，綜合建立火山泥石流災(zāi)害區(qū)劃。

（5）使用相同方法應(yīng)用于緬甸蘭里島泥火山研究，對其采樣樣品進行粒度及顯微形貌特征分析，確定其成因機制及災(zāi)害研究。綜上，對天池火山泥石流進行宏觀微觀兩方面的動力學、流體力學、堆積特征和地質(zhì)特征幾方面綜合研究，確定火山泥石流的動力學方式及災(zāi)害區(qū)劃，并將其研究方法應(yīng)用于泥火山災(zāi)害研究。

3 主要結(jié)論

本篇論文主要從分布形態(tài)、搬運堆積特征、粒度分析、顯微形貌分析、形成年代以及堆積特征六個方面對長白山天池火山千年大噴發(fā)所產(chǎn)生的火山泥石流災(zāi)害進行研究，在此基礎(chǔ)上建立了天池火山泥石流相模式圖，并根據(jù)野外數(shù)據(jù)所得參數(shù)結(jié)合LAHARZ對天池火山泥石流進行數(shù)值模擬，建立了天池火山泥石流災(zāi)害區(qū)劃圖，并利用相同方法對緬甸蘭里島泥火山災(zāi)害進行研究。本次研究主要有以下結(jié)論：

（1）火山泥石流的物質(zhì)成分主要包括三個部分，一是長白山天池火山千年大噴發(fā)所產(chǎn)生的巖屑。二是長白山千年大噴發(fā)所產(chǎn)生的大量的浮巖和火山灰。三是古河道堆積物。

火山泥石流野外序列的搬運堆積機制與特征主要從時間和空間兩方面考慮，時間上在火山泥石流噴發(fā)前期，物源與降水充足，條件具備，易于形成大規(guī)模的火山泥石流。此時，火山泥石流的搬運能力強，巖屑等裹挾著古河道大礫石等迅速移動，堆積過程為雜亂堆積，分選較差，由于搬運距離長具有一定的磨圓，但由于堆積物被后續(xù)發(fā)生的泥石流沖刷改動，殘余較少，堆積在特殊位置如河道轉(zhuǎn)彎處，水動力條件的迅速變化，往往形成厚層塊狀層理較弱的堆積物。而隨著搬運距離的加長，勢能與動能的減小，攜帶的堆積物慢慢沉降堆積。隨著火山噴發(fā)規(guī)模的減少和時間的推移，泥石流的發(fā)生也將大量的火山噴發(fā)產(chǎn)物搬運殆盡，在物源和降水相對不足的條件下，規(guī)模變小，搬遠堆積能力變?nèi)?，主要搬運物質(zhì)為火山灰和浮巖碎屑等。

在空間分布上，隨著火山泥石流搬運距離的增長，其能力也逐漸減弱，堆積的粒度由粗到細，堆積物的厚度逐漸變薄，火山泥石流除淹沒主河道外，同時向外擴展，使河道加寬。在堆積物方面，距離主河道越遠，堆積物的粒度越細，分選性相對越好，層理也更加明顯。而主河道內(nèi)，主要堆積密度大的巖屑流，層理上以強水動力條件下形成的平行層理為主。

（2）長白山天池火山千年大噴發(fā)所產(chǎn)生的火山泥石流災(zāi)害沿松花江、圖們江以及鴨綠江流域廣泛分布，其中，由于二道白河直接源于天池經(jīng)U 型谷流出所形成，因此二道白河流域的火山泥石流災(zāi)害尤為嚴重。二道白河流域火山泥石流災(zāi)害起源區(qū)為二道白河鎮(zhèn)附近，距天池火山口40余千米，二道白河鎮(zhèn)至前江、二道江、水田村一帶為近緣火山泥流災(zāi)害帶，其特征為混雜堆積地層、無明顯粒序性，無明顯層理，碎屑含量以巖屑為主，含有部分灰白色及灰黑色浮巖顆粒，碎屑多呈棱角狀、次棱角狀，磨圓較差，成分含量以Si、Al為主，由于水動力條件較強，速度較快，因此分選較差混雜堆積。水田村至兩江一帶為中緣過渡流相火山泥石流災(zāi)害，其特征為近水平堆積地層、有一定的粒序性但由于為過渡流相會呈現(xiàn)逆粒序性，有一定層理，碎屑含量以巖屑為主，浮巖含量明顯增多，有些呈透鏡體，尖滅再現(xiàn)，碎屑多呈次棱角狀、次圓狀，磨圓度較好，成分含量以Si、Al、Na為主，由于水動力條件減弱，速度減緩，有一定的沉積環(huán)境，因此呈有一定的分選的近水平堆積地層。兩江以遠為遠緣超高密集流相火山泥石流災(zāi)害帶，其特征為水平堆積地層，有一定的粒序性，有明顯的層理，含量大量灰白色浮巖顆粒，碎屑多呈近圓狀，破碎程度強，成分含量以Si、Al、Na、K 為主，由于水動力條件很弱，速度緩慢，因此分選很好近水平堆積地層，含大量浮巖富集帶，其搬運可能由多次形成。而圖們江流域與鴨綠江流域由于不直接源于天池火口，有部分火山泥石流災(zāi)害，但是不如二道白河流域發(fā)育，究其原因是由于暴雨沖刷松散堆積的火山碎屑流災(zāi)害，而非直接由千年大噴發(fā)或者天池水引發(fā)，所以災(zāi)害程度較輕，但是也發(fā)育有火山泥石流災(zāi)害，因此在未來的火山泥石流災(zāi)害預(yù)防當中，二道白河流域也是主要災(zāi)害發(fā)育帶，要更加加強災(zāi)害預(yù)警措施。

（3）利用LAHARZ結(jié)合所選定的各項最佳閾值沿長白山地區(qū)選定的易發(fā)火山泥石流的4條河道依據(jù)不同噴發(fā)體積梯度值模擬出的展布范圍分別為：沿二道白河最遠流距約為100km，約可到達沿江鄉(xiāng)；沿松花江最遠流距約為130km，可到達榆樹鎮(zhèn)；沿鴨綠江最遠流距約為80km，可到達金華鄉(xiāng)；沿圖們江流域最遠流距約為120km，可到達南坪鎮(zhèn)。因此，可根據(jù)不同梯度體積閾值將火山泥石流未來可能的火山泥石流災(zāi)害區(qū)域按照不同的災(zāi)害等級劃分4個災(zāi)害帶，其覆蓋半徑依次約為40km、70km、80km、100km，其中火山泥石流危險等級最高的災(zāi)害區(qū)域為距火口半徑40km，為災(zāi)害重點防范區(qū)域。

（4）對緬甸蘭里島泥火山災(zāi)害與成因機制進行部分研究，通過對緬甸蘭里島泥火山采樣點噴發(fā)物的粒度特征以及顯微形貌特征研究，可推斷蘭里島泥火山為非爆炸式噴發(fā)，噴發(fā)強度弱，凝固時間短，災(zāi)害效應(yīng)不強烈；但泥質(zhì)層的存在容易造成滑塌。并且緬甸蘭里島泥火山噴發(fā)物為均一物源，據(jù)此推測在蘭里島存在均一泥質(zhì)層構(gòu)成的泥漿囊作為島內(nèi)泥火山噴發(fā)的統(tǒng)一物源。

4 創(chuàng)新點

在研究過程，主要有以下3點創(chuàng)新：

（1）本論文首次對長白山天池火山泥石流災(zāi)害綜合研究，通過對其分布范圍、粒度特征、顯微形貌特征、形成年代以及堆積機制等方面研究綜合建立天池火山泥石流相模式圖，區(qū)分近緣火山泥流、中緣過渡流以及遠緣超高密集流的分布范圍、分布特征及堆積特征，通過綜合特征的判定推斷其形成原因、形成條件、堆積機制等，對二道白河近緣、中緣、遠緣水動力條件、堆積特征、成分特征、顯微形貌特征以及粒度特征進行多方面綜合研究，結(jié)合其河流發(fā)育條件提出二道白河流域為火山泥石流災(zāi)害高發(fā)帶，并對鴨綠江、圖們江流域火山泥石流進行了綜合研究。

（2）在野外采樣基礎(chǔ)上，確定火山泥石流模擬的各項參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，基于二道白河、鴨綠江、圖們江以及頭道松花江四條火山泥石流高發(fā)河道，設(shè)定不同的災(zāi)害體積值對火山泥石流災(zāi)害進行模擬，劃分4條河道的災(zāi)害等級范圍，首次綜合建立長白山天池火山災(zāi)害區(qū)劃圖。

（3）通過對緬甸蘭里島泥火山災(zāi)害噴發(fā)物的粒度分析研究以及顯微形貌研究，結(jié)合該區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景，綜合確定蘭里島泥火山成因機制與災(zāi)害研究，推斷出在蘭里島存在均一泥質(zhì)層構(gòu)成的泥漿囊作為島內(nèi)泥火山噴發(fā)的統(tǒng)一物源，并且為非爆炸式噴發(fā)，噴發(fā)強度弱，凝固時間短，災(zāi)害效應(yīng)不強烈。