龍崗金龍頂子火山空降碎屑物數(shù)值模擬及概率性災害評估1

于紅梅 許建東 吳建平 欒 鵬 趙 波

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國地震局地質研究所活動構造與火山重點實驗室，北京 100029

3）國土資源部經(jīng)濟研究院，北京 101149

引言

火山爆發(fā)形成的火山碎屑會對人類的生命和財產造成巨大的危害。例如，2010年 4月14日冰島埃亞菲亞德拉冰蓋冰川附近的一座火山突然噴發(fā)，雖然噴發(fā)的規(guī)模不大，但由于氣流和天氣原因，此次噴發(fā)后飄散的火山灰致使歐洲空中交通癱瘓了數(shù)日，嚴重影響了經(jīng)濟和社會生活的正常運轉。除了影響交通外，火山碎屑還會產生其它類型的災害，首先，在火山口附近幾km范圍內，大塊的火山碎屑以彈道式從火山口拋射出或是在噴發(fā)柱的底部降落下來，會直接造成建筑物及房屋的破壞和人畜的嚴重傷亡。較小的火山碎屑在風的作用下降落到遠離火山口處，一旦火山碎屑產生的載荷超過200kg/m2時（約10cm厚玄武質火山碎屑或20cm厚堿流質火山碎屑），一些建筑物的屋頂會被壓塌（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008），當超過700 kg/m2時，幾乎所有的房屋都會被壓塌（Bonadonna等，2005；Mastrolorenzo等，2008）。尤其是當火山灰為濕的時候，其產生的載荷是同厚度干火山灰的1.5倍。在更大范圍內，火山碎屑空降物超過10kg/m2時（約0.5cm厚玄武質火山碎屑或1cm厚堿流質火山碎屑）將會嚴重破壞已有耕地，影響農業(yè)生產（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008）；空氣中懸浮的細小顆粒會進入人的呼吸道和肺部，影響人的健康（Baxter等，1981；1986；1999a；Baxter，1999b）；這些細小的顆粒甚至可能會引起氣候的變化（Mills，2000；Rampino等，2000；Fedele等，2003）。

自Suzuki（1983）提出二維火山灰擴散模型后，數(shù)值模擬已成為一個快速有效的確定火山灰擴散和沉積范圍的方法。后來該模型被Armienti等（1988）、Bonadonna等（1998；2002；2005）、Connor等（2001）、Dellino等（2005）和Macedonio等（2005）改進，并應用到79 AD意大利Vesuvius（Macedonio等，1988）、1980美國圣海倫斯（Armienti等，1988）和1982墨西哥El Chichón（Bonasia等，2012）等火山噴發(fā)中。由于預測下次火山噴發(fā)還很困難，因此目前普遍應用概率方法來評估火山灰擴散災害（Costa等，2009）。結合擴散模型和火山區(qū)風參數(shù)，可以獲得概率性空降火山灰災害區(qū)劃圖。該方法最初由Barberi等（1990）提出，后來被應用到世界上許多火山災害區(qū)劃研究中。例如，意大利的Vesuvius和Campi Flegrei火山、新西蘭的Taupo和Tarawera火山、墨西哥的Volcán de Colima火山，以及厄瓜多爾的Cotopaxi火山等（Barberi等，1990；Rhoades等，2002；Bonadonna等，2005；Macedonio等，2008；Costa等，2009；Bonasia等，2011；2012；Biass等，2012；2013）。

位于我國東北地區(qū)的龍崗火山群中的金龍頂子火山早期發(fā)生了強烈的爆炸式噴發(fā)，產生了大面積的空降火山碎屑，被認為是近2000年來中國第二大火山噴發(fā)（劉嘉麒，1987；Wei等，2003）。前人對該火山進行了大量的野外地質工作，確定了該火山噴發(fā)的碎屑沉積厚度和范圍、碎屑的粒度、噴發(fā)的規(guī)模和體積等（劉祥等，1997；于福生等，2005；張燾，2006；李智等，2006；劉強等，2009）。但是目前缺少對該火山空降災害區(qū)劃方面的研究。由于該火山周圍居住有大量的居民，如果再次發(fā)生如此規(guī)模的噴發(fā)，勢必給該區(qū)人們造成嚴重的災難，所以本文根據(jù)改進的Suzuki（1983）擴散模型原理，編寫了用于Windows環(huán)境下擴散模型程序，模擬了金龍頂子火山爆炸式噴發(fā)產生的空降碎屑擴散范圍，并與實際測量結果進行了對比，確定了合理模擬參數(shù)，最后基于該區(qū)風參數(shù)，制作了不同沉積厚度閾值時的概率性火山灰擴散災害區(qū)劃圖，為未來火山噴發(fā)的空降物災害預測和預警提供了可靠的依據(jù)。

1 金龍頂子火山地質背景

龍崗火山群位于我國東北吉林省靖宇縣和輝南縣境內，處于北東向的敦化-密山斷裂與圖們江-鴨綠江斷裂之間，受區(qū)域構造影響，火山活動始于新近紀（劉嘉麒，1987；王雨鈞等，1980）。該火山群東西長約70km，南北寬約40km，在2500km2范圍內分布著約168座火山（白志達等，2006）（圖1）。龍崗火山群的大部分火山屬于單成因火山作用（魏海泉等，1999），是由一次單獨的火山噴發(fā)形成的，并且區(qū)內發(fā)育了極具代表性的射汽巖漿噴發(fā)產物——瑪珥湖，為眾多龍灣集中區(qū)（圖1）。

金龍頂子火山位于龍崗火山群中部偏西北位置（圖1），距金川鄉(xiāng)政府所在地2.5km，地理坐標為42°20′ N，126°26′ E。金龍頂子火山經(jīng)歷了早期爆炸式噴發(fā)和晚期熔巖流式噴發(fā)。爆炸式噴發(fā)形成了巨大的火山渣錐和大面積的火山碎屑席，擴散范圍達距離火山口約 23km處（李智等，2006）（圖1），為一次規(guī)模較大的噴發(fā)（白志達等，2006）。大爆發(fā)后，火山活動轉變?yōu)橄鄬庫o的溢流作用，形成晚期熔巖流，但規(guī)模較小，區(qū)內分布局限。劉祥等（1989）獲得的火山渣層炭化木14C年齡為1587±70 aBP—1690±85 aBP，所以金龍頂子火山被認為是龍崗火山群中最為年輕的一座火山。

圖1 龍崗火山群火山分布圖（據(jù)隋建立等，1999修改）Fig. 1 Distribution map of volcanoes in the Longgang volcanic field (modified from Sui et al., 1999)

2 金龍頂子火山噴發(fā)模擬

擴散模型的原理在很多文獻中（Suzuki，1983；趙誼等，2002；趙誼，2003；張程遠等，2003；于紅梅等，2007）有詳細介紹，在此不再贅述。作者根據(jù)模型原理編寫了用于Windows環(huán)境下擴散模型程序，并曾應用到長白山天池火山千年噴發(fā)的模擬中（于紅梅等，2007），得到了較好的結果。在此，應用該模型模擬金龍頂子火山灰擴散，模型需要的主要參數(shù)包括：碎屑顆粒的粒度、密度、噴發(fā)體積、噴發(fā)柱高度、風速和風向等。

2.1 碎屑粒度和密度

劉強等（2009）曾對金龍頂子火山產生的火山碎屑進行了詳細的粒度分析（圖2），得到的碎屑粒度中值為0.3—-3.41Φ（平均值為-1.77Φ，即3.13mm），標準偏差為0.79—1.79（平均值1.23）。Burisk等（1992）認為，擴散模型對于小于0.00625cm的碎屑不適用，所以碎屑的粒度范圍選擇為 0.00625—6.4cm。該區(qū)噴發(fā)物成分為單一的粗面質玄武巖（隋建立等，1999），密度選為1500kg/m3。

圖2 金龍頂子火山碎屑粒度中值和標準偏差（數(shù)據(jù)來自劉強等，2009）Fig. 2 Median particle size and standard deviation of tephra from Jinlongdingzi volcano（Data is cited from Liu et al., 2009）

2.2 噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積

前人根據(jù)最大碎屑的粒度和厚度確定了金龍頂子火山噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積，但是不同學者得到了不同的結果，見表1。但較多的學者認為，噴發(fā)柱高度約14km左右，噴發(fā)體積大于0.1km3。為此，在模擬時選擇噴發(fā)柱高14km，噴發(fā)體積0.33km3。在2.4節(jié)可以看到得到了很好的模擬結果。

表1 不同學者得到的噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積Table 1 Eruptive column heights and volumes from previous studies

2.3 風速和風向

根據(jù)碎屑的沉積分布，其主要分布在火山口以東，所以模擬時風向為W270°。但是風速很難確定，本文采用最優(yōu)模擬方法，確定平均風速約為8m/s。

2.4 火山灰擴散模擬結果

根據(jù)以上分析，確定模型輸入?yún)?shù)的值（見表2），然后模擬金龍頂子火山空降碎屑擴散范圍，結果見圖 3。與劉祥等（1997）根據(jù)實際測量結果手繪的等值線進行對比，可以看到在中源和遠源處火山灰厚度等值線很相近，但火山口附近誤差較大，這是由于火山口處拋射和噴發(fā)柱坍塌產生的碎屑占據(jù)較大的比例，模擬時沒有考慮，使得火山口處模擬值小于實測值。因此，模擬結果與實測結果具有很好的一致性，這也證明了模擬參數(shù)的合理性。

圖3 模擬厚度等值線（虛線）與手繪等值線（實線）對比圖（手繪等值線來自劉祥等，1997）（單位：cm）Fig. 3 Comparison of simulated isopachs (dotted line) and the hand-drawn contours (solid line) of tephra fallout (unit∶ cm) ( the hand-drawn contours are from Liu et al., 1997)

表2 模型主要輸入?yún)?shù)Table 2 Main input parameters for the model

3 概率性空降災害研究

3.1 研究方法

根據(jù)擴散模型和火山區(qū)高空風數(shù)據(jù)，可以獲得空降火山灰災害概率圖。首先計算每個風剖面時區(qū)域內每個位置點（x，y）上沉積的火山灰厚度，然后對每個位置點（x，y）上大于某個厚度閾值（h0）的概率（Ph＞h0）可以用該點上火山灰厚度值（h）大于閾值的風剖面的個數(shù)（Nh＞h0）除以所利用的所有風剖面的個數(shù)（Ntotal）（Barberi等，1990）獲得，即：

3.2 氣象資料

制作空降災害概率圖需要首先確定金龍頂子火山地區(qū)風的參數(shù)。從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http∶//www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/）下載離該火山較近的氣象臺站——延吉臺站，1991—2000十年的高空大風層定時數(shù)據(jù)（每天0點和12點在15個不同氣壓下測量的數(shù)據(jù)），并統(tǒng)計＜5km、5—10km和10—20km三個不同海拔高度區(qū)間內的風速和風向（圖4）?？梢钥闯?，該區(qū)風向以西風為主，在低于5km以下區(qū)域風速較小，一般小于20m/s；高于5km區(qū)域風速加大；到10—20km區(qū)域風速大于30m/s的比例明顯增加。

圖4 延吉氣象站1991—2000高空大風定時數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig. 4 The local wind distribution diagrams from Yanji weather station for the period of 1991 to 2000

3.3 概率性空降災害評估

空降火山灰引起的災害首先與噴發(fā)的規(guī)模有很大關系。在此，作者假設金龍頂子火山未來噴發(fā)為過去噴發(fā)的規(guī)模。根據(jù)作者編寫的擴散模型和表 2中的參數(shù)，利用并行計算機模擬了1991—2000十年共7021個不同風剖面時火山灰的擴散范圍。氣象資料顯示，該區(qū)高空大多數(shù)情況下風速較大，導致火山灰擴散的范圍很大，所以在此只統(tǒng)計了火山灰厚度超過1cm和0.5cm時的災害概率圖（見圖5和圖6），其代表了火山灰對耕地和人類呼吸等災害的影響程度。

由圖5和圖6可以看到，受該區(qū)風的影響，火山灰影響范圍較大，并且主要集中在火山口的東部。火山灰厚度超過 1cm的影響區(qū)域面積約為 3000km2，在火山口東部影響距離達60km，在靖宇縣火山灰厚度超過1cm的概率約為6%?；鹕交液穸瘸^0.5cm的影響范圍增大，達7000km2左右，在火山口東部影響距離超過100km，在靖宇縣火山灰厚度超過0.5cm的概率近20%，在撫松縣的概率也已達8%。

4 結果與討論

根據(jù)二維擴散模型，作者編寫了基于Windows環(huán)境下的火山灰擴散程序。通過對前人資料的分析，模擬了金龍頂子火山噴發(fā)產生的空降碎屑物擴散范圍，與實測結果對比得到了很好的一致性，說明參數(shù)的合理性。根據(jù)該區(qū)風參數(shù)，確定了火山灰沉積厚度超過1cm和0.5cm時的概率性空降碎屑災害區(qū)劃圖。結果證實，由于該區(qū)風速較大，金龍頂子火山如果產生噴發(fā)，將會對該區(qū)100km范圍內的農業(yè)、人民的健康及氣候帶來嚴重的影響。

圖5 金龍頂子火山灰沉積厚度大于1cm空降災害概率圖Fig. 5 Tephra fallout hazard probability map at deposit thickness more than 1cm for Jinlongdingzi volcano

圖6 金龍頂子火山灰沉積厚度大于0.5cm空降災害概率圖Fig. 6 Tephra fallout hazard probability map at deposit thickness more than 0.5cm for Jinlongdingzi volcano

根據(jù)下載的該區(qū)高空大風定時數(shù)據(jù)，該區(qū)高空風速較大，尤其是高于10km以上時，風速多超過 30m/s，強烈的風速攜帶著較多的火山灰擴散向更大的范圍，使得火山口附近沉積厚度也只有幾cm，所以在此本文只給出了火山灰厚度超過1cm和0.5cm的空降災害概率圖。根據(jù)金龍頂子火山碎屑實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果，金龍頂子火山噴發(fā)時平均風速較小，約8m/s，火山灰厚度超過10cm（對建筑物有一定的影響）的影響范圍在距離火山口約20km范圍內，所以距離火山口20km范圍可劃定為重災區(qū)。本文的研究可以為龍崗火山區(qū)危險性分析和災害預警與對策提供重要的科學依據(jù)。

致謝：感謝中國地震局地質研究所郝永偉老師、廖凱寧老師和李曉麗老師在并行計算機使用過程中給予的熱情幫助。

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