五大連池世界地質(zhì)公園老黑山景區(qū)火山地震遺跡的發(fā)現(xiàn)及其意義

張向格, 張緒教*, 劉 超 , 王 鶴, 劉心蘭, 王璐琳

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083; 2)北京市第九中學(xué), 北京 100041;3)黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究院, 黑龍江哈爾濱 150030;4)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)自然文化研究院, 北京 100083

五大連池火山群是我國著名的第四紀(jì)火山群之一, 14座火山中的老黑山和火燒山是我國有詳實(shí)史料記載準(zhǔn)確噴發(fā)時(shí)間的活火山, 曾在公元1720—1721年間噴發(fā)(陳洪洲和吳雪娟, 2003), 形成了世界罕見的火山地質(zhì)遺跡, 具有重要的地質(zhì)和地貌研究價(jià)值(Gao et al., 2013)?；鹕絽^(qū)發(fā)生的地震往往與火山活動(dòng)關(guān)系密切(Zobin, 1972; Azzaro and Barbano,1996; Arámbula-Mendoza et al., 2011), 地下巖漿的聚集、運(yùn)移和噴發(fā)過程以及伴隨的構(gòu)造活動(dòng)和噴發(fā)后地殼的均衡調(diào)整導(dǎo)致的地震被稱為“火山地震”(Zobin, 1972)。因此, 造成火山地震的成因既有構(gòu)造的, 也有塌陷、巖漿沖擊和熱效應(yīng)引起的多種因素(李方正和姚文貴, 1992)。正確識(shí)別火山地震類型, 有助于認(rèn)識(shí)火山區(qū)地震發(fā)生的規(guī)律, 進(jìn)而協(xié)助開展火山噴發(fā)的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)(劉達(dá)峰, 2008), 因此,火山地震及其與火山噴發(fā)關(guān)系的研究越來越受到地震學(xué)家和火山地質(zhì)學(xué)家的重視(陳洪洲等, 2004a)。

雖然火山地震與火山噴發(fā)之間存在著密切關(guān)系, 但目前研究火山地震主要還是利用地震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震信號(hào)作為主要方法和材料。國外學(xué)者利用火山噴發(fā)產(chǎn)生的地震信號(hào), 對(duì)二者的關(guān)系開展大量研究認(rèn)為: 火山爆發(fā)前地震活動(dòng)和地面變形會(huì)加速(Voight, 1988), 且地震強(qiáng)度與火山活動(dòng)的強(qiáng)度密切相關(guān)(Arámbula-Mendoza et al., 2011), 可把不同能量的爆炸地震作為火山噴發(fā)不同階段的標(biāo)志(Zobin,2016)。因此, 火山地震不僅可作為火山噴發(fā)前的征兆(Melnik et al., 2020), 而且可以通過地震信號(hào)的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)的規(guī)律(Titos et al., 2019)。

我國學(xué)者利用地震臺(tái)網(wǎng)記錄和豐富的史料記載, 對(duì)五大連池老黑山和火燒山現(xiàn)今地震活動(dòng)特征、火山噴發(fā)與地震的關(guān)系也做過大量研究(李方正和姚文貴, 1992; 張鳳鳴等, 1996, 2000; 許曉艷等,2000; 劉云夢(mèng)和郭巨國, 2010), 研究表明在老黑山附近東西兩側(cè)地震活動(dòng)密集, 是現(xiàn)今火山區(qū)地殼淺層活動(dòng)強(qiáng)的部位(張鳳鳴等, 2000); 火山區(qū)地震震源一般較淺, 震級(jí)較小(李方正和姚文貴, 1992; 陳洪洲等, 2004b; 閆成國和張文朋, 2013)。前人還利用地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù), 對(duì)我國的長白山、騰沖、瓊北、大同等第四紀(jì)火山區(qū)的地震活動(dòng)開展了廣泛研究(明躍紅等, 2006; 呂政等, 2007; 譚雨文等, 2011),研究認(rèn)為瓊北、大同記錄的地震為構(gòu)造地震, 騰沖和長白山地區(qū)記錄的地震為火山地震(劉國明等,2006; 閆成國和張文朋, 2013)?；鹕降卣鸹顒?dòng)不僅與區(qū)域構(gòu)造關(guān)系密切(馬明志等, 1996; 劉云夢(mèng)和郭巨國, 2010), 而且火山區(qū)內(nèi)巖漿囊體的存在可以控制火山區(qū)的地?zé)峄顒?dòng)及微小構(gòu)造破裂(葉建慶等,2003)。

與上述大量研究成果形成鮮明對(duì)比的是, 目前國內(nèi)外關(guān)于火山地震遺跡的野外直接證據(jù)的發(fā)現(xiàn)和報(bào)道卻非常少。究其原因, 是由于在野外對(duì)火山區(qū)熔巖流動(dòng)造成的巖石變形與火山地震造成的構(gòu)造變形進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分非常困難, 在活火山區(qū)準(zhǔn)確區(qū)分火山地震遺跡和構(gòu)造地震遺跡更是難上加難。構(gòu)造地震與火山地震都會(huì)導(dǎo)致地表變形并形成地震遺跡,構(gòu)造地震在非火山巖區(qū)形成的地震遺跡在野外相對(duì)較易識(shí)別, 國內(nèi)學(xué)者有較多關(guān)于地裂縫、地震鼓包、拉分盆地、地震滑坡等構(gòu)造地震遺跡的發(fā)現(xiàn)報(bào)道(吳中海等, 2004; 吳珍漢等, 2006; 孫鑫喆等, 2012; 李躍華等, 2013; 李海兵等, 2015; 李曉等, 2017; 黃小龍等, 2021); 而火山活動(dòng)誘發(fā)的火山地震過程復(fù)雜,不均勻的地應(yīng)力、溫度變化、流動(dòng)的流體或氣體爆炸是火山地震能量釋放的單獨(dú)或綜合原因(Hammer and Ohrnberger, 2012), 因此, 在世界各地火山區(qū)觀測(cè)到的火山地震信號(hào)表現(xiàn)出了多種特征(明躍紅等,2009)。

野外如何識(shí)別并確認(rèn)火山地震遺跡？如何將其與熔巖流動(dòng)造成的巖石變形以及與構(gòu)造地震造成的構(gòu)造變形加以區(qū)分？這一問題的解決不僅對(duì)火山地震的調(diào)查及識(shí)別有所幫助, 更重要的是能將其作為古地震的證據(jù), 對(duì)活火山區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律的研究及火山活動(dòng)的預(yù)測(cè)起到一定的作用。因此, 在火山熔巖區(qū)開展火山地震遺跡的調(diào)查及研究, 具有非常重要的理論和實(shí)際意義。筆者在老黑山景區(qū)開展1: 2000大比例尺地質(zhì)遺跡調(diào)查時(shí), 首次在熔巖臺(tái)地上發(fā)現(xiàn)了地表破裂、地震鼓包、擠壓脊、熔巖塌陷和滑坡等較為典型的地震變形遺跡, 不僅增加了五大連池世界地質(zhì)公園新的地質(zhì)遺跡類型, 而且通過火山地震與火山噴發(fā)的關(guān)系及成因機(jī)制的初步研究,還可為五大連池地區(qū)的地震和火山噴發(fā)預(yù)測(cè)提供新的思路和方法, 對(duì)老黑山火山噴發(fā) 300周年也具有一定的紀(jì)念意義。

1 地質(zhì)公園概況

五大連池世界地質(zhì)公園位于黑龍江省西北部的黑河市西南部, 距五大連池市區(qū) 18 km, 距哈爾濱市380 km, 地處小興安嶺山地向松嫩平原的過渡地帶, 地理坐標(biāo)為北緯 48°36′—48°50′、東經(jīng) 125°57′—126°30′, 總面積為1 060 km2?；鹕絽^(qū)總共有14座火山錐, 老黑山和火燒山在 1720—1721年的噴發(fā)導(dǎo)致白河河道被熔巖流阻塞, 形成五個(gè)串珠狀火山堰塞湖, 自南向北依次為為頭池子、二池子、三池子、四池子和五池子(圖1), 五大連池因此得名(錢麗萍和趙士德, 2006)。

五大連池火山區(qū)大地構(gòu)造位置位于大興安嶺褶皺系與松遼凹陷的交接部位, 西為嫩江斷裂、東為孫吳地塹斷裂、北為小興安嶺西南緣的霍龍門—南北河斷裂、南為訥謨爾河斷裂(圖 1)(閆成國和張文朋,2013)。上述斷裂的多期活動(dòng)是造成五大連池火山區(qū)火山活動(dòng)與地震活動(dòng)的原因之一(張鳳鳴等, 2000)。區(qū)內(nèi)發(fā)育眾多的斷裂屬深大斷裂的次級(jí)斷裂, 斷裂構(gòu)造方向主要為北東向、北西向(徐衍強(qiáng), 1997), 成棋盤格子狀。其中北東向斷裂為規(guī)模較大的主干斷裂, 北西向斷裂也較為發(fā)育, 這兩個(gè)方向斷裂的交匯處往往成為火山噴發(fā)的通道(圖 1)(陳洪洲等,2009)。五大連池火山群屬于大陸裂谷內(nèi)部、單成因的基性玄武巖質(zhì)噴發(fā), 由于巖漿黏性較低, 流動(dòng)性較強(qiáng), 因此形成了大面積的熔巖臺(tái)地(劉嘉麒等, 1999)。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the study area

五大連池世界地質(zhì)公園是我國2004年2月13日成功獲得聯(lián)合國教科文組織批準(zhǔn)的第一批8個(gè)世界地質(zhì)公園之一, 被稱之為“天然火山博物館”, 園區(qū)內(nèi)地質(zhì)遺跡種類豐富, 共有 63種典型的地質(zhì)遺跡類型, 包括火山機(jī)構(gòu)地貌景觀、火山熔巖地貌景觀, 火山碎屑堆積地貌景觀、巖石地貌景觀、巖漿巖剖面、典型礦物等 8類, 還有聞名世界的冷泉和豐富的人文景觀(孫化江和鐘幫權(quán), 2004)。

老黑山景區(qū)是五大連池世界地質(zhì)公園最重要和最有特色的園區(qū), 包括老黑山和火燒山兩座活火山, 火山噴發(fā)以巖漿溢流為主, 溢出的熔巖是高鉀玄武巖, 形成了面積 70 km2的新期熔巖臺(tái)地(呂宗文, 1994); 由于噴發(fā)時(shí)間最新, 形成的火山地質(zhì)遺跡是五大連池世界地質(zhì)公園所有景區(qū)中類型最豐富、現(xiàn)象最典型、保存最完好的, 保存有世界罕見的噴氣錐、噴氣碟等火山地質(zhì)遺跡, 被稱為“打開的火山教科書”。該景區(qū)火山地質(zhì)遺跡類型主要為火山機(jī)構(gòu)、火山熔巖和火山碎屑堆積地貌景觀三大類:火山機(jī)構(gòu)地貌景觀包括火山錐、副火山錐等; 火山熔巖地貌景觀包括翻花石海、結(jié)殼熔巖、噴氣錐、噴氣碟等; 火山碎屑堆積地貌景觀包括火山砂礫、火山彈等, 這些地質(zhì)遺跡主要為熔巖流在噴發(fā)和流動(dòng)過程中形成的火山機(jī)構(gòu)和熔巖地貌, 以及火山爆炸式噴發(fā)的產(chǎn)物, 具有重要的科研價(jià)值和景觀價(jià)值(高危言等, 2010; Gao et al., 2013)。

2 火山地震遺跡類型及特征

2.1 地表破裂

在老黑山景區(qū)開展野外地質(zhì)遺跡調(diào)查時(shí), 發(fā)現(xiàn)了多種與熔巖流的流動(dòng)構(gòu)造特征明顯不同的剪切和張性地表破裂。通過對(duì)這些變形進(jìn)行認(rèn)真觀察和研究, 發(fā)現(xiàn)其具有地震變形的特征, 與青海玉樹地震區(qū)(2010年)、新疆于田地震區(qū)(2014年)和云南魯?shù)榈卣饏^(qū)(2014年)典型的地表破裂具有相似特征, 可確認(rèn)為地震遺跡。

2.1.1 剪切破裂

剪切破裂主要有張剪切破裂和壓剪切破裂兩種類型。張剪切破裂在老黑山景區(qū)分布較廣, 最典型的張剪切破裂發(fā)育在老黑山南部最早一期的熔巖臺(tái)地上, 兼有左旋走滑分量和垂直于破裂走向的張開分量, 追張斷距規(guī)模大小不一, 破裂拉張的距離從 0.3～1.5 m不等(圖版Ⅰ-A, B), 兩側(cè)差異升降運(yùn)動(dòng)不明顯, 單條張剪切破裂長達(dá)數(shù)米至幾十米。在有些張剪切破裂上可見到小型的拉分構(gòu)造(圖版Ⅰ-C, D), 菱形拉分區(qū)邊長約0.5 m。將老黑山景區(qū)的張剪切破裂及同時(shí)發(fā)育的拉分現(xiàn)象與于田地震區(qū)的張剪切破裂(圖版Ⅰ-E)和玉樹地震區(qū)的拉分構(gòu)造(圖版Ⅰ-F)對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)二者具有相似的變形特征,從其幾何結(jié)構(gòu)和規(guī)模特征上可判斷為地震遺跡, 且主要表現(xiàn)出純剪切左旋走滑的特征。

壓剪切破裂是在平坦的熔巖臺(tái)地上, 無塌陷和滑坡發(fā)生的情況下, 局部形成了北東盤抬升、南西盤下降的一種陡坎(圖版Ⅰ-G), 位錯(cuò) 0.2～0.3 m, 走向220°, 與五大連池火山區(qū)內(nèi)北東向的斷裂呈銳角相交, 具有逆沖抬升分量。壓剪切破裂走向與竹排狀熔巖代表的熔巖流的方向一致, 明顯垂直切割了熔巖臺(tái)地表面的竹排狀熔巖, 說明熔巖是在完全固結(jié)后被剪切力所剪斷的, 而非熔巖流動(dòng)形成的, 應(yīng)屬于地震陡坎。

2.1.2 張性破裂

張性破裂也是老黑山景區(qū)典型的地表破裂的一種, 主要分布在老黑山南部和東北部, 破裂面總體較為平直, 拉張寬度介于0.1～0.5 m范圍內(nèi), 兩側(cè)臺(tái)地?zé)o明顯差異升降。如果是熔巖冷卻過程中由于收縮造成的張性破裂, 應(yīng)該是不規(guī)則狀的、類似于龜裂紋一樣的(圖版Ⅰ-H), 而不可能形成如圖版Ⅰ-I中這么齊整和平直的破裂, 所以推斷在老黑山熔巖臺(tái)地上發(fā)育的這些張性破裂, 應(yīng)為地震作用形成的地表破裂而非熔巖流動(dòng)過程中形成的熔巖變形。

2.1.3 地表破裂走向統(tǒng)計(jì)分析

地表破裂延伸方向的規(guī)律, 與其成因密切相關(guān)。如果是純粹的構(gòu)造地震造成的地表破裂, 則具有一定方向的優(yōu)勢(shì)走向(陳正位等, 2010; 孫鑫喆等,2012)。將老黑山景區(qū)野外調(diào)查測(cè)量的59條地表破裂的走向數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)成表, 繪制的走向玫瑰花圖(圖 2)顯示地表破裂的方向整體呈放射狀, 無優(yōu)勢(shì)方位,與構(gòu)造地震地表破裂帶不同, 符合火山活動(dòng)引發(fā)地表變形的特點(diǎn)。

圖2 老黑山景區(qū)地表破裂走向玫瑰花圖Fig. 2 Strike rose diagram of ground cracks in the Laoheishan Scenic Area

2.2 地震鼓包

老黑山一帶發(fā)現(xiàn)很多在熔巖臺(tái)地上成帶分布、大規(guī)模強(qiáng)烈變形的熔巖鼓包(圖版Ⅱ-A), 鼓包規(guī)模大小不一, 隆起最高的可達(dá)15 m, 非常明顯是固結(jié)的熔巖被后期強(qiáng)大的作用力自下而上頂起來的。地下熔巖的流動(dòng)尤其是上涌也能造成地表熔巖的變形,但主要應(yīng)以塑性變形特征為主, 與此差異較大。老黑山熔巖臺(tái)地上的這些熔巖鼓包, 明顯以垂直方向的作用力造成的脆性變形為主, 與非火山巖區(qū)地震形成的地震鼓包特征及形成機(jī)制一致, 由此推斷應(yīng)為地震鼓包。老黑山景區(qū)發(fā)育在熔巖臺(tái)地上的地震鼓包規(guī)模較大且保存完好, 是因?yàn)槔虾谏奖韺泳鶠樾迈r固結(jié)的玄武巖, 使得地震鼓包能很好地保存,而成為老黑山曾經(jīng)發(fā)生過古地震的重要證據(jù)之一。

2.3 擠壓脊

地表因地震活動(dòng)受到水平方向的擠壓作用而產(chǎn)生變形, 常形成擠壓脊。老黑山景區(qū)擠壓脊主要有兩種類型, 一種是在熔巖臺(tái)地上完全固結(jié)的厚層熔巖, 由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的擠壓形成擠壓脊, 這種擠壓脊的特征類似于緊閉褶皺且規(guī)模比較大, 由于強(qiáng)烈的擠壓力形成近放射狀節(jié)理(圖版Ⅱ-B); 另一種擠壓脊比較常見, 發(fā)育在地勢(shì)平坦的熔巖臺(tái)地上,以熔巖管道的擠壓變形為主要特征, 水平方向的擠壓力使得熔巖管道發(fā)生變形并在中部折斷形成屋檐狀擠壓脊, 其中能觀察到原來熔巖管道里熔巖流動(dòng)形成的熔巖刺棘, 這種擠壓脊規(guī)模一般較小, 脊高0.4～1.8 m(圖版Ⅱ-C)。

2.4 熔巖塌陷及滑坡

在老黑山景區(qū)的熔巖臺(tái)地上發(fā)育有大量的塌陷和滑坡。熔巖塌陷的類型主要有環(huán)形塌陷和帶狀塌陷。環(huán)形塌陷分布最廣(圖版Ⅱ-D), 由于地震致使地下熔巖空洞頂板熔巖產(chǎn)生坍塌而成, 規(guī)模較大的直徑可達(dá)20 m, 深2～3 m。帶狀塌陷主要發(fā)育在老黑山與筆架山西南方向連線上, 主要原因是火山噴發(fā)后形成的熔巖隧道, 由于地震而發(fā)生大規(guī)模的塌陷, 形成延伸較遠(yuǎn)的塌陷谷地(圖版Ⅱ-E)。老黑山南側(cè)的熔巖隧道塌陷后局部頂板熔巖殘留在地表形成十分罕見的“天生橋”景觀(圖版Ⅱ-F), 橋高3 m、寬約 6 m, 這種“熔巖拱橋”與其它成因的“天生橋”成因明顯不同, 且因其難以保存的稀有性而更具有價(jià)值?！疤焐鷺颉毕聻樵瓉韼r漿流動(dòng)的熔巖隧道,地震塌陷后可見熔巖隧道內(nèi)保存完好的繩狀熔巖(圖版Ⅱ-G), 可較好地指示當(dāng)時(shí)巖漿的流動(dòng)方向;在熔巖隧道的洞壁上發(fā)育有熔巖鐘乳和熔巖棘刺,熔巖鐘乳長2～4 cm, 分布密集, 是熔巖流在隧道內(nèi)流走后殘余的熔巖在滴落過程中凝固形成的。

地震滑坡作為一種常見且破壞力巨大的次生地震地質(zhì)災(zāi)害, 越來越引起學(xué)者們的重視(殷志強(qiáng)等, 2014, 2016; 黃小龍等, 2021)。在老黑山景區(qū)兩期熔巖臺(tái)地交界且地勢(shì)高差較大的地段, 由于地震活動(dòng)易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn), 熔巖臺(tái)地在重力作用下整體滑塌, 形成典型的地震滑坡(圖版Ⅱ-H, I, J)。老黑山火山口西側(cè)熔巖臺(tái)地發(fā)育規(guī)模較大的滑坡, 野外可觀察到多級(jí)滑坡后壁和滑坡臺(tái)地(圖版Ⅱ-I, J), 滑坡后壁附近還可見單條弧形斷裂或平行分布的較平直的斷裂。老黑山火山口西側(cè)兩期熔巖臺(tái)地邊界處發(fā)育的滑坡是古地震活動(dòng)的重要證據(jù)之一。

3 火山地震時(shí)間的推斷

老黑山景區(qū)發(fā)現(xiàn)的地表破裂、地震鼓包、擠壓脊以及熔巖塌陷和滑坡等均具有地震變形的特征,說明老黑山地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生過地震, 那么對(duì)古地震發(fā)震的時(shí)間進(jìn)行確定就顯得非常重要了。由于古地震發(fā)生在火山巖分布區(qū), 且與火山噴發(fā)時(shí)熔巖流動(dòng)造成的變形區(qū)分困難, 加上目前對(duì)年輕的玄武巖缺少有效的直接測(cè)年方法, 因此, 要直接確定古地震的時(shí)間是非常困難的。但恰恰由于火山地震與火山噴發(fā)相伴而生(Lahr et al., 1994; Roman and Cashman,2006; 刁守中, 2019), 因此可以通過老黑山景區(qū)的古地震遺跡與火山巖之間的關(guān)系, 然后利用火山噴發(fā)的時(shí)間來嘗試間接推斷古地震活動(dòng)的時(shí)間。

歷史上記載的五大連池火山區(qū)1719年10月—1722年4月的地震屬于火山地震。1719年10月23日、11月22日、12月31日這三次地震間隔時(shí)間短,地震大小大致相當(dāng), 沒有主震, 因此, 從地震序列上分析, 它們不是主震-余震型的構(gòu)造地震, 而是火山構(gòu)造地震群, 屬于高頻地震(陳洪洲等, 2004a, b)。

老黑山和火燒山停止噴發(fā)后, 地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)表明 1983年以來五大連池火山區(qū)也發(fā)生過多次地震, 尤其是1986年發(fā)生了4次震級(jí)5.0級(jí)左右的中強(qiáng)地震, 但震中位置偏離五大連池火山群, 而且發(fā)震斷層為走向北北東右旋走滑斷層(李方正和姚文貴, 1992; 張鳳鳴等, 2000), 不是導(dǎo)致老黑山景區(qū)內(nèi)熔巖變形的來源。結(jié)合老黑山景區(qū)內(nèi)地震遺跡與各種熔巖地貌有相互切割覆蓋的關(guān)系可推測(cè)這些地震遺跡的形成與老黑山、火燒山多階段的噴發(fā)密切相關(guān), 故初步推斷這些地震遺跡是由老黑山和火燒山 1720—1721年火山噴發(fā)前后誘發(fā)的火山地震活動(dòng)引起的。

4 討論

4.1 地震震級(jí)與烈度

根據(jù)鄢家全等(2011)提出的《中國歷史地震烈度表》(2010), 由老黑山景區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的平地開裂的地表現(xiàn)象可推測(cè)老黑山景區(qū)地震烈度最高能達(dá)到Ⅷ度。構(gòu)造地震的震級(jí)與震中烈度和震源深度之間有一定關(guān)系, 閻志德和郭履燦(1984)通過最小二乘法和二元線性回歸計(jì)算法, 利用多個(gè)地震的震級(jí)(M), 烈度(I), 震源深度(h)資料, 給出了中國地震震級(jí)與震中烈度和震源深度之間關(guān)系的修正公式:M= 0.56I0+ 0.75logh + 0.63(I0為震中烈度)?；鹕降卣鸬恼鹪摧^淺, 一般不超過10 km(劉云夢(mèng)和郭巨國,2010), 根據(jù)該公式計(jì)算可得老黑山景區(qū)地震震級(jí)在5級(jí)左右, 與史料記載一致(陳洪洲等, 2009)?；鹕降卣痣m然震級(jí)小, 影響范圍也不大, 但由于震源淺, 其破壞力較強(qiáng)(李方正和姚文貴, 1993; 劉云夢(mèng)和郭巨國, 2010), 所以造成的熔巖變形程度較大。

表1 老黑山—火燒山火山噴發(fā)和地震時(shí)間表(據(jù)陳洪洲等, 2004b)Table 1 Time of volcanic eruptions and earthquakes in Laoheishan–Huoshaoshan (after CHEN et al., 2004b)

4.2 火山地震與構(gòu)造地震

在老黑山景區(qū)新發(fā)現(xiàn)的大量變形應(yīng)屬地震遺跡, 但這些是火山地震還是構(gòu)造地震造成的變形？僅從野外特征較難加以區(qū)分。根據(jù)野外觀察到的部分地震遺跡被后期熔巖再次覆蓋的現(xiàn)象, 結(jié)合地震儀器記錄和老黑山、火燒山的多個(gè)噴發(fā)旋回(白志達(dá)等, 1999), 說明這些地震遺跡與火山活動(dòng)關(guān)系密切,故推斷為火山地震所致。將老黑山景區(qū)地表破裂、地震鼓包、擠壓脊以及熔巖塌陷和滑坡的位置在圖上標(biāo)注出來(圖 3), 可以看到這些遺跡圍繞老黑山火山口分布, 而且地表破裂在空間上不具備線性展布的特征, 這點(diǎn)與構(gòu)造地震形成的地表破裂帶明顯不同。

圖3 老黑山景區(qū)地震遺跡分布圖Fig. 3 Distribution map of earthquake geoheritage in the Laoheishan Scenic Area

火山地震可以劃分為高頻(A型)地震、低頻(B型)地震、爆炸地震和火山顫動(dòng)四種類型(Chouet,1996), 由于無波形記錄, 顯然要將這些地震遺跡分別劃歸為上述 4種類型的哪一種也比較困難(陳洪洲等, 2004a)。根據(jù)文字記錄至少可以確定老黑山和火燒山在火山噴發(fā)前、中、后發(fā)生過高頻地震和爆炸地震這兩種火山地震, 且高頻地震是巖層剪切或滑動(dòng)造成的, 并且以震群的形式表現(xiàn)出來(陳洪洲等, 2004a)。從野外特征來看, 地表破裂有剪切和滑動(dòng)分量的特征符合高頻地震的特點(diǎn), 雖然這種破裂與一般的構(gòu)造地震難以區(qū)分, 但從動(dòng)力源來看它們與大尺度的構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)引起的純構(gòu)造地震是有區(qū)別的(明躍紅等, 2009); 熔巖臺(tái)地上發(fā)育的熔巖塌陷谷地及“天生橋”可能是火山顫動(dòng)導(dǎo)致, 這樣才能使得熔巖隧道及其頂板的熔巖在地震后還能局部保留下來; 爆炸地震的震源較淺, 所以在震中附近造成的熔巖破壞也較強(qiáng)烈, 地震鼓包的變形程度較大, 有可能是爆炸地震造成的地震遺跡。而在熔巖臺(tái)地邊部的熔巖臺(tái)地交界處大規(guī)模的滑坡及塌陷可能是能量較大的爆炸地震形成的。

地表破裂可能由多種類型的地震造成。根據(jù)史料記載的火燒山噴發(fā)和伴隨噴發(fā)產(chǎn)生的地震情況,“1721年4月26日, 在新山(老黑山)東北方6里遠(yuǎn)、蔓延之石的邊緣地帶, 地又破裂, 發(fā)出響聲, 略見火光、煙和石頭”(陳洪洲等, 2004a), 可見爆炸地震也能產(chǎn)生地表破裂, 所以不同的地表破裂可能是不同類型的火山地震引起的。

4.3 新發(fā)現(xiàn)火山地震遺跡的科研及地學(xué)旅游價(jià)值

首次發(fā)現(xiàn)的老黑山景區(qū)火山地震遺跡具有重要的科研價(jià)值。野外發(fā)育的古地震遺跡是判斷和研究古地震的重要和最直接的證據(jù), 在古地震的研究中具有重要的價(jià)值和無可替代的地位。雖然前人通過歷史記錄、文獻(xiàn)分析和地震監(jiān)測(cè)判斷老黑山曾經(jīng)發(fā)生過火山地震, 但迄今沒有老黑山地震遺跡的發(fā)現(xiàn)和報(bào)道, 國內(nèi)其它火山巖區(qū)此類報(bào)道也很少。本研究為火山地震的確定提供了直接的野外構(gòu)造變形的證據(jù), 通過對(duì)這些古地震遺跡的系統(tǒng)研究和對(duì)比,為火山巖區(qū)古地震的識(shí)別提供了新的方向和思路,因此具有較重要的科研價(jià)值。從這些地震導(dǎo)致的熔巖構(gòu)造變形的直接證據(jù)入手, 通過火山地震遺跡與火山噴發(fā)的關(guān)系的分析, 推斷老黑山和火燒山一帶發(fā)育的地震遺跡的地震的時(shí)間可能為1720—1721年前后, 進(jìn)而使五大連池火山地震的時(shí)空變化更加清晰, 可為五大連池地區(qū)的地震和火山噴發(fā)預(yù)測(cè)提供新的思路和重要的參考, 更重要的是能為國內(nèi)其他火山地質(zhì)公園地震地質(zhì)遺跡的調(diào)查和研究提供借鑒。

其次, 新發(fā)現(xiàn)的火山地震遺跡彌補(bǔ)了五大連池世界地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡的空白, 且具有很好的景觀價(jià)值和旅游價(jià)值, 可為老黑山景區(qū)的地學(xué)旅游增添新的內(nèi)容和素材。新發(fā)現(xiàn)和初步確認(rèn)的地表破裂、地震鼓包、擠壓脊以及熔巖塌陷和滑坡等古地震遺跡不僅是難得的科學(xué)研究材料, 也是極好的科普素材和地學(xué)旅游景觀, 尤其是熔巖塌陷形成的十分罕見的熔巖拱橋(天生橋), 具有極高的觀賞價(jià)值。新發(fā)現(xiàn)的火山地震遺跡中有部分離景區(qū)內(nèi)道路和棧道很近, 為了使這些地質(zhì)遺跡的科普價(jià)值得到最大的發(fā)揮, 景區(qū)內(nèi)應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的保護(hù)和開發(fā)措施, 在火山地震遺跡發(fā)育的地方設(shè)置標(biāo)識(shí)牌和解說牌, 將它們的形成原因和過程進(jìn)行詳細(xì)的介紹, 讓游客通過真實(shí)存在的地震遺跡對(duì)火山地震過程有直觀的了解,以提高廣大游客的防震減災(zāi)和保護(hù)大自然的意識(shí)。

5 結(jié)論

(1)這是五大連池地區(qū)關(guān)于火山地震遺跡的首次報(bào)道。老黑山景區(qū)熔巖臺(tái)地上地表變形強(qiáng)烈, 不僅地表破裂、地震鼓包、擠壓脊等構(gòu)造變形特征明顯, 而且固結(jié)熔巖產(chǎn)生的大規(guī)模塌陷和滑坡也主要為地震所致, 因此, 這些遺跡應(yīng)屬古地震遺跡; 又因古地震與老黑山、火燒山的火山活動(dòng)密切相關(guān),因此將其定為火山地震遺跡。

(2)根據(jù)老黑山景區(qū)火山地震遺跡的特征及其與火山熔巖的關(guān)系, 并結(jié)合史料的記載, 初步判斷新發(fā)現(xiàn)的火山地震遺跡可能形成于公元 1720—1721年前后。老黑山景區(qū)地震烈度推測(cè)最高能達(dá)到Ⅷ度, 根據(jù)公式M= 0.56I0+ 0.75logh + 0.63計(jì)算地震震級(jí)最高可達(dá)5級(jí), 與史料記載基本一致。

(3)五大連池世界地質(zhì)公園老黑山景區(qū)火山地震遺跡的新發(fā)現(xiàn), 彌補(bǔ)了五大連池世界地質(zhì)公園地震地質(zhì)遺跡的空白, 提升了公園內(nèi)地質(zhì)遺跡的科研和科普價(jià)值, 為公園內(nèi)的地學(xué)旅游尤其是中小學(xué)生的研學(xué)旅行提供了新的材料和內(nèi)容, 同時(shí)也為國內(nèi)其他火山地質(zhì)公園的火山地震的發(fā)現(xiàn)和研究提供了借鑒和參考。

Acknowledgements:

This study was supported by Heilongjiang General Institute of Ecological Survey and Research(No. 2017-564).

圖版說明

圖版I Plate I

A, B-老黑山景區(qū)“Z”字形張剪切破裂;

C, D-老黑山景區(qū)拉分構(gòu)造;

E-于田地震區(qū)張剪切破裂(據(jù)李海兵等, 2015);

F-玉樹地震區(qū)拉分構(gòu)造(據(jù) 孫鑫 喆 等, 2012);

G-木排狀熔巖中壓剪切破裂;

H-龜裂;

I-張性破裂

A, B-“Z” like transtensional crack in Laoheishan Scenic Area;

C, D-small pull-apart structure in Laoheishan Scenic Area;

E-transtensional crack in Yutian(after LI et al., 2015);

F-small pull-apart structure in Yushu(after SUN et al., 2012);

G-tension crack in “raft-like lava”;

H-map cracking;

I-transpressional crack

圖版II Plate II

A-地震鼓包;

B, C-擠壓脊;

D-環(huán)形塌陷;

E-塌陷谷地;

F-熔巖橋;

G-“熔巖橋”下的“繩狀熔巖”;

H, I, J-熔巖滑坡

A-earthquake mole track;

B, C-extrusion ridge;

D-annular lava collapse;

E-collapse valley;

F-lava bridge;

G-“ropy-like lava” under “l(fā)ava bridge”;

H, I, J-lava landslide

圖版I Plate I

圖版II Plate II