引用本文
邹颖, 赵勇伟, 樊祺诚. 五大连池火山带的火山喷发方式及灾害类型[J]. 地震地质, 2019,41(1): 189-207.
ZOU Ying, ZHAO Yong-wei, FAN Qi-cheng. THE VOLCANIC ACTIVITIES AND HAZARD PREDICTION OF WUDALIANCHI VOLCANIC BELT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(1): 189-207.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.01.013
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五大连池火山带的火山喷发方式及灾害类型
邹颖, 赵勇伟*, 樊祺诚
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
*通讯作者: 赵勇伟, 副研究员, E-mail: zhaoyongwei@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 邹颖, 女, 1993年生, 中国地震局地质研究所地球化学专业在读硕士研究生, 研究方向为第四纪岩浆起源与演化, E-mail: zouying311@163.com。

收稿日期: 2018-05-11
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(XDB18030100)和国家自然科学基金(41572320)共同资助
摘要

沿科洛—五大连池—二克山NNW向分布的五大连池火山带上分布了约40座第四纪单成因火山。通过野外地质特征结合火山岩年代学数据分析表明, 研究区火山活动分为2期: 上新世—早更新世期火山活动主要分布在北部的科洛火山区, 以熔岩溢流式喷发为主; 中更新世—全新世期火山活动分布在整个火山带, 爆破式喷发形成大量火山碎屑锥, 溢流式喷发产生结壳熔岩、 渣状熔岩与块状熔岩, 形成广泛分布的熔岩流。野外调查发现了夏威夷型、 斯通博利型与强斯通博利型等岩浆爆破式火山喷发的典型堆积剖面, 首次发现并报道研究区射汽岩浆型火山喷发堆积剖面。结合火山活动历史与火山地质特征, 分析认为五大连池火山带的火山系统仍有再次活动的潜力。基于火山时空分布与喷发特征, 文中对五大连池火山带未来可能喷发的方式和危险区进行评估。如若发生强斯通博利型喷发, 将形成高度＜10km的喷发柱, 产生的火山灰一般不会对航空运输产生影响; 斯通博利型喷发产生的火山碎屑最远可抛射约1km; 夏威夷型喷发及溢流式喷发产生的熔岩流是主要的灾害源, 计算得出结壳熔岩运移的距离为3.0~13.5km, 渣状熔岩运移的距离为2.9~14.9km; 射汽岩浆型喷发产生的基浪速度可达200~400m/s, 运移距离≤10km, 是潜在的重要灾害类型, 应该引起更多重视, 并积极进行防范。

关键词: 五大连池火山带; K-Ar年代学; 火山喷发类型; 火山灾害预测
中图分类号:P317.9 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)01-0189-19
THE VOLCANIC ACTIVITIES AND HAZARD PREDICTION OF WUDALIANCHI VOLCANIC BELT
ZOU Ying, ZHAO Yong-wei, FAN Qi-cheng
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

More than 40 late Cenozoic monogenetic volcanoes formed a volcanic belt striking NNW from Keluo, through Wudalianchi to Erkeshan in NE China. These volcanoes belong to a unified volcano system, namely Wudalianchi volcanic belt(WVB for short). Based on the volcanic evolution history and the nature of monogenetic volcanic system, we estimate that the volcanic system of WVB is still active and has the potential to erupt again. Hence, this paper studied the temporal-spatial distribution and volcanic eruption types to evaluate the possible eruption hazard types and areas of influence in the future.

Volcanic field characteristics and K-Ar radiometric data suggest two episodes of volcanism in the WVB, the Pliocene to early Pleistocene volcanism(4.59~1.00Ma BP)and the middle Pleistocene to Holocene volcanism(0.79Ma to now). The early episode volcanoes are distributed only in the north of WVB(mainly in Keluo volcanic field), featured by effusive eruption, and mainly formed monogenetic shield, whose base diameter is large and slope is gentle. However, the late episode eruptions occurred over the entire WVB. The explosive eruption in this stage formed numerous relatively intact scoria cones of explosive origin. Meanwhile the effusive eruption formed widely distributed lava flows.

Both effusive eruption and explosive eruption are common in WVB. The effusive eruption formed monogenetic shields and lava flows. The resulting pahoehoe lava, aa lava and block lava appeared in WVB. There are three end-member types of explosive eruption driven by magmatic volatile. Violent Strombolian eruption has the highest degree of fragmentation and mass flux, characterized by eruption column. Strombolian eruption has the high degree of fragmentation, but low mass flux, featured by pulse eruption. Hawaiian eruption has low degree of fragmentation, but high in mass flux, generating large scoria cones. In addition, this paper for the first time found phreatomagmatic eruption in WVB, which formed tuff cone. Transitional eruptions are also common in WVB, which have certain characteristics among the end-member eruption types. Besides, certain volcanoes displayed multiple explosive eruption types during the whole eruption span.

According to the volcanic temporal-spatial distribution and eruption characteristics in WVB, the potential volcanic hazards in future are constrained. It appears that the violent Strombolian and Strombolian eruption will not have significant impact on aviation safety in the vertical direction. In the radial direction, the ejected volcanic bomb can reach as far as 1km from the vents and the fallout tephra may disperse downwind over a distance ranging from 1~10km. The major hazard of Hawaiian eruption and effusive eruption comes from lava flow, and its migration distance may reach 3.0~13.5km for pahoehoe lava and 2.9~14.9km for aa lava. The base surge in phreatomagmatic eruption can reach a velocity of 200~400m/s, and the migration distance is around 10km. This is a big threat that people should pay more attention to and take precautions in advance. Besides, it is necessary to strengthen the real-time observation of the volcanoes in the WVB, especially those formed in the late episode as well as near the active fault.

Keyword: Wudalianchi volcanic belt; K-Ar chronology; volcanic eruption type; volcanic hazard prediction
0 引言

黑龙江省五大连池地区火烧山— 老黑山在公元1719— 1721年发生的火山喷发是中国最新的火山活动事件之一, 从那时起这一地区就引起人们持续关注。20世纪下半叶以来, 前人对五大连池周边地区开展了地质学、 地球化学、 年代学、 地球物理等方面的研究, 发现五大连池火山群周边分布有多处火山群, 大致沿科洛— 五大连池— 二克山一线呈NNW向分布(图1), 延伸约300km, 共有约40座第四纪单成因火山(王承祺等, 1987; 邱家骧等, 1989; 穆治国等, 1992)。这些火山喷发的时代相近, 火山岩K-Ar年代都晚于上新世(刘嘉麒, 1987a, b; 李齐等, 1999); 岩石化学特征也相似, 大都属于钾质火山岩(Feng et al., 1986; Zhang et al., 1995; 樊祺诚等, 2001; Zou et al., 2003; 邵济安等, 2008); 火山规模相近, 属于小体积的单成因火山, 火山机构以渣锥为主(Zhao et al., 2014)。因此, 可以推断这些火山是一个统一的火山系统(Volcano system)(Walker, 1993)的产物, 本文称之为 “ 五大连池火山带” 。

图 1 五大连池火山带区域背景图(据Zhou et al., 2014)Fig. 1 Geological setting of the Wudalianchi volcanic belt(after Zhou et al., 2014).

约300a前老黑山和火烧山的喷发说明五大连池火山带的火山系统仍然是活动的, 具有再次喷发的危险性。火山带周边是五大连池市、 科洛镇、 讷河市等人口稠密地区, 因此, 科学预测火山喷发的灾害类型和影响范围, 对保护人民生命财产安全、 防御火山灾害和规避工程风险等方面意义重大。然而迄今为止, 对这一地区火山喷发的方式与类型的研究仍不够细致和全面, 影响了对未来火山喷发灾害的科学评估。

基于前人的研究成果, 本文着重探讨五大连池火山带的时空分布, 探索火山活动规律, 在分析火山喷发类型的基础上, 确定研究区此前以及未来所面临的火山灾害, 进而圈定火山危险区, 并提出相应对策, 以期减少火山喷发所带来的损失。

1 地质背景

东北地区夹于西伯利亚克拉通和华北克拉通之间, 属兴蒙造山带东段。这一地区是一个在古生代期间由多块体拼合而成的构造堆叠区, 是由佳木斯地块、 松辽地块和兴安地块组成的联合板块。晚侏罗世— 早白垩世期间, 区内形成大规模的流纹岩、 粗安岩和粗面岩, 并有大规模的花岗岩侵入活动(Zhang et al., 2008)。新生代早期东北地区的构造活动发生反转, 形成了NE— NNE走向的正断层、 右行走滑断层, 并广泛分布了玄武质系列的火山活动(王瑜等, 1999; Zhao et al., 2014)。

新生代时期, 东北地区的火山活动主要分为3期。早期(60~29MaiBP)主要分布于松辽盆地、 伊兰— 伊通、 密山— 敦化及下辽河附近; 中期(25~15MaiBP)主要分布于松辽盆地两侧的大兴安岭西部以及长白山地区, 这一时期与贝加尔湖的拉开、 日本海的开裂形成时间一致; 晚期(< 2MaiBP)在松辽盆地周边形成了五大连池、 镜泊湖、 长白山、 大兴安岭等一系列的火山。东北地区有史料记载的火山喷发就有2处(天池, 五大连池), 其他有全新世喷发的确切证据的火山区还有哈拉哈河— 绰尔河地区(白志达等, 2005; 赵勇伟等, 2008)和镜泊湖火山区(张招崇等, 2000a, b; Zhang et al., 2002)。另外, 也有人提出龙岗火山区、 诺敏河火山区(樊祺诚等, 2012; Zhao et al., 2013)、 科洛(张柳毅等, 2012)、 马鞍山火山区(赵勇伟等, 2010)可能在全新世以来有喷发过的地质证据。

五大连池火山带位于松辽盆地中央莫霍面上隆带的北缘, 西侧为大兴安岭, 东部和北部为小兴安岭隆起带与孙吴地堑。野外调查结果表明, 火山带主要由以下几个由北向南的火山区构成: 科洛火山区(图2)、 五大连池火山区(图3)、 二克山火山区; 另外还有一些孤立的火山, 例如位于五大连池与科洛火山区之间的尖山农场尖山火山和位于五大连池火山区SW方向的太平尖山子火山(图9)。

图2 科洛火山区地质图(数据来源于张柳毅等, 2012和Zhao et al., 2014)Fig. 2 Geological map of the Keluo volcanic field (Data sources are from ZHANG Liu-yi et al., 2012 and Zhao et al., 2014).

图 3 五大连池火山区地质图(数据来源于Liu et al., 2001和Zhao et al., 2014)Fig. 3 Geological map of the Wudalianchi volcanic field (Data sources are from Liu et al., 2001 and Zhao et al., 2014).

表1 五大连池火山带火山地质特征与K-Ar测年统计 Table1 Volcanic geological characteristics and K-Ar dating statistics in the Wudalianchi volcanic belt
2 火山的时空分布与地质特征

火山的时空分布直接反映了火山系统的活跃区域随时间和空间的迁移规律, 是预测未来火山活动的关键切入点, 年龄较新的火山其下的岩浆作用相对活跃, 再次喷发的可能性较大。本文收集前人所测得的K-Ar测年数据20组(表1), 并结合野外火山地质证据, 限定研究区火山的时空分布, 恢复火山活动历史, 在此基础上分析区内火山的活动性。由表1可见, 研究区火山岩石年龄为4.59~0.11Ma。根据野外地质特征与K-Ar测年数据(图4), 五大连池火山岩带可明显分为2个活动期次: 1)上新世— 早更新世(4.59~1.00MaiBP); 2)中更新世— 全新世(0.79MaiBP— 现今)。

图 4 五大连池火山带火山岩K-Ar年龄测定结果Fig. 4 K-Ar isotopic dates of volcanic rocks in the Wudalianchi volcanic belt.

图 5 五大连池火山带代表性火山锥体与剖面特征
a 科洛黑山外貌; b 黑山火山剖面; c 科洛大椅山火山外貌; d 大椅山锥体剖面; e 老黑山火山锥外貌; f 火烧山火山锥外貌Fig. 5 Representative volcanic cones and profile characteristics in the Wudalianchi volcanic belt.

2.1 上新世— 早更新世火山

由图 4可见, 这一时期形成的火山岩测年结果为4.59~1.00Ma, 火山活动主要分布在科洛火山区以及五大连池的老山头, 熔岩覆盖总面积约475km2。火山形态低缓但规模较大, 属于由熔岩流构成的盾形火山(Monogenetic shield)(Valentine et al., 2008), 该种类型火山的坡度低缓, 一般 5° , 火山基座直径大(d> 3km)。以科洛火山区的黑山为例(图5a), 该火山位于嫩江县东部科洛镇NE约14.7km。火山高60m, 底部直径约2i010m。火山盾体由薄厚不等的层状熔岩构成(图5b), 顶部有SSE走向的岩墙以及数个圆锥状侵出的熔岩穹丘。熔岩流围绕火山形成覆盖面积约50km2的熔岩台地。

2.2 中更新世— 全新世火山

五大连池火山带的大多数火山群都在这一时期发生过喷发(图4), 火山活动形成约25座火山渣锥。中更新世火山结构保存相对完好, 以科洛大椅山为例(图5c, d): 锥体直径约660m, 锥体坡度19° ~26° 。锥体是由单个火口喷出的火山砾和火山弹构成, 山顶有盆形火山口。全新世火山以老黑山和火烧山最具代表性。老黑山火山呈多个圆锥套叠的复杂形状(图5e), 火山有多个火口, 其中最晚形成的火口直径约329m, 深120m, 内坡角26.7° , 现今仍不时有碎石崩落。火山主体由灰黑色和红色的火山渣构成, 顶部和斜坡出露层状灰黑-紫红色熔结集块岩和碎成熔岩, 厚度可达10m。火烧山位于老黑山N 3.7km, 火山锥底座直径为670m, 只有1个火口, 火口内径为420m, 深63m(徐衍强, 1996; 任锦章等, 1996), 火口沿呈不规则的起伏(图5f)。

综合分析以上各个火山区的时空分布特点可知, 研究区的火山活动有以下规律: 早期(上新世— 早更新世)火山活动主要位于五大连池火山带的北部, 即科洛火山区与五大连池火山区。火山产物主要是熔岩流, 形成熔岩台地和盾形火山, 单个火山的产物体积总体普遍大于晚期火山, 火山多处于地势较高的位置。而晚期(中更新世— 全新世)火山作用在各个火山区都有活动, 形成碎屑锥和熔岩流, 尤其以保存完好的火山碎屑锥区别于早期火山活动的产物, 这些火山产物多处于地势较低的河谷地带。

根据火山地质与地貌特征, 并结合历史记载分析可知, 五大连池地区存在全新世以来喷发过的 “ 活动火山” ; 通过大地电磁观测发现老黑山与火烧山之下12~20km范围内存在火山喷发残留的未完全固结的岩浆(詹艳等, 2006); 五大连池火山带上的火山都属于单成因火山。单成因火山系统具有平均岩浆溢出率低、 但火山系统持续时间长的特点。研究区的火山喷发始于上新世, 从那时起, 近5Ma内都有断续的喷发活动发生, 没有理由断定老黑山喷发后到现今约300a的平静能够代表火山系统的完全沉寂。从单成因火山系统的活动特点以及前人的大地电磁观测结果来看, 未来研究区内再次发生火山喷发是大概率事件。

3 火山喷发类型

尽管研究区内的火山拥有上述诸多相似性, 然而喷发类型的差异仍然导致了形态各异的火山形成。区内火山喷发总体上分为爆破式与溢流式2种: 爆破式喷发是指火山在喷发时伴随有强烈爆炸的一种喷发形式; 而溢流式是指熔岩受静岩压力和自身浮力的上升作用, 自火口平静地流出。研究区岩浆来源的挥发份引发的爆破式喷发有斯通博利型(Strombolian)、 强斯通博利型(Violent Strombolian)和夏威夷型(Hawaiian)3种端元型喷发(Valentine et al., 2008), 以及端元之间的过渡型喷发。另外, 在研究区还发现了岩浆与水作用引发的射汽岩浆(Phreatmagmatic)爆破式喷发型火山。五大连池火山带火山喷发类型见表1, 总体特征将在下文详述。

图 6 研究区典型喷发类型及其近源相堆积剖面
a 大椅山斯通博利型喷发堆积剖面, 锥体的火山渣松散熔结差, 有层理, 每一层横向上呈现透镜状, 纵向上有逆粒序; b 孤山夏威夷型喷发堆积剖面, 锥体主体大部分由透镜体状、 条带状塑性状态下强烈熔结在一起的岩浆条带构成; c 太平尖山子强斯通博利型喷发堆积剖面, 火山锥主体由松散的火山灰、 火山砾组成, 无层理, 无明显层序, 无熔结; d 珍珠山射汽岩浆基浪堆积剖面, 发育平行层理, 灰黄色与深灰色薄厚不一的碎屑层互层, 松散火山渣与河湖相砂石颗粒混杂堆积, 分选较差Fig. 6 Tyipical eruption type and its proximal phase profile in the field.

3.1 爆破式喷发

斯通博利型喷发具有脉冲式喷发的特点, 每次喷发在规则的几秒到几分钟间隔内发生小— 中等程度的爆炸活动, 且整个喷发过程可持续很久。喷发产物主要是火山渣块、 火山砾和火山弹, 可抛射至上百到上千m高处, 并伴有蒸汽云和相对少量的熔岩。这种喷发的近源相(锥体)剖面总体是由刚性碎屑物质组成的堆积物, 这些碎屑粒径为火山砾-火山块, 火山灰含量少, 喷发物熔结程度弱。以科洛大椅山剖面上部的碎屑层为例(图6a), 其主要由薄层状灰黑色松散的火山砾与火山集块组成, 其中夹杂火山弹与透镜状熔岩饼, 火山灰含量较低。其中的层理是在火山喷发同时期堆积在斜坡上的碎屑物发生垮塌滑坡而形成的。

夏威夷型喷发会产生持续的、 可达数百m高的熔岩喷泉。喷泉中心温度较高, 熔岩凝块或碎屑呈半塑性, 可相互焊接从而形成碎屑成因熔岩或致密的熔结集块岩。另外, 该类型具有熔岩喷泉的持续喷发以及大量冷却的碎屑沿喷泉边界分布的特点, 在熔岩喷泉很高的情况下, 其岩浆碎屑化程度在喷泉的不同位置是不同的, 中心位置程度小, 边缘位置因与空气接触多、 摩擦力较大等, 碎屑化程度较大, 如果有风的影响, 会顺风形成达数km远且气孔十分发育的火山渣空降堆积; 然而, 碎屑占整体岩浆的比例依然小于斯通博利型喷发形成的火山渣锥。尽管早期的火山学研究常把夏威夷型喷发等同于溢流式喷发, 然而21世纪以来越来越多的研究认识到在夏威夷型喷发的过程中岩浆挥发份起着重要作用, 夏威夷型喷发与斯通博利型喷发的本质区别仅限于岩浆喷出率的差异(Valentine et al., 2008), 由此, 将夏威夷型喷发归入爆破式火山喷发更为准确。本文对研究区火山锥地质剖面的研究也支持这种划分。以科洛孤山为例( 图6b), 其锥体剖面是塑性状态下呈透镜状紧密熔结在一起的熔浆条带, 底部有少量砖红色熔结集块岩, 刚性碎屑物质含量少, 喷发物熔结程度强。推测孤山火山因熔岩喷泉在火口周围快速堆积而形成, 而这正是夏威夷型喷发的特点。这种剖面特征既区别于大椅山的斯通博利型喷发堆积剖面, 也与黑山溢流式喷发的堆积剖面明显不同。在剖面特征分类研究的基础上, 本文将夏威夷型喷发作为爆破式喷发中的一种, 认为它代表着研究区内一种重要的火山喷发类型。

强斯通博利型喷发是玄武质单成因火山喷发中爆破指数最高的一种喷发类型, 前人又将其称为亚布里尼型或高山-焰山型(Valentine et al., 2008; 赵勇伟等, 2010)。这种喷发最主要的特征是在喷发过程中产生高约10km的持续性喷发柱, 喷发物以空降的、 无熔结的火山灰与火山砾为主(Valentine et al., 2008)。以太平尖山子火山为例(图6c), 火山锥剖面主体是由松散的、 顺地形分布的火山灰-火山砾级的火山渣构成, 其层理不明显, 无明显层序, 火山渣呈尖角状, 磨圆现象少见, 这些特征说明火山渣源于喷发柱空降。

图 7 西红岩山锥体剖面与素描图Fig. 7 Section and sketch diagram of Xihongyanshan volcano cone.

射汽岩浆型喷发是指岩浆在向地表上升的过程中, 遭遇潮湿含水的环境, 水分遇热转化为蒸汽引起爆发, 产生巨大的冲击力, 造成地层挠曲、 破裂、 坍塌等现象, 形成大小不等近似圆形的低平火山口以及层理发育的基浪堆积物(孙谦等, 2005)。其喷发产物— — 低平火山口(Maar)和基浪堆积物(Base surge)在中国乃至全世界都有广泛的分布。此前关于五大连池火山带的地质研究中, 鲜有关于射汽岩浆型喷发的报道。作者在野外勘察的过程中, 首次发现这一地区存在尖山火山(尖山农场)和莲花山附近的珍珠山(图6d)2处射汽岩浆型喷发成因的堆积剖面。以莲花山地区的珍珠山射汽岩浆基浪堆积剖面为例, 整个剖面呈环形, 直径约41m, 剖面最厚处约10m。其中可见灰黄色与深灰色薄厚不一的碎屑层互层, 平行层理极发育, 交错层理和爬升层理大量出现; 松散火山渣与河湖相砂石颗粒混杂堆积, 分选较差(图6d)。层内零星分布有平卧的透镜状熔岩饼(图6d), 直径50~200cm; 其周围有爬升层理出现。

以上4种爆破式喷发类型是研究区最常见的喷发类型, 另外还有部分火山是斯通博利-夏威夷过渡型喷发。以莲花山西红岩山为例(图7), 锥体剖面底部0~1.6m范围内由长约1m的灰红色排列紧密的熔岩饼间隙夹有粒径约5mm的火山砾和玄武岩块组成; 向上1.6~3.0m范围内为粒径0.5mm的火山砾、 火山角砾和玄武岩块, 其中夹有大小不等的熔岩饼; 距底部3~6m由下至上熔岩饼长度降低, 疏密程度也降低, 其间夹有少量砾石和火山角砾。剖面特征说明, 火山喷发时, 熔岩喷泉将塑性浆屑喷出的同时也有刚性的火山渣被抛出, 这些火山渣主体达到火山砾级, 破碎程度高。这种喷发具有夏威夷型喷发较高的岩浆喷出率的特点, 又部分拥有斯通博利型喷发的较高的碎屑化率, 因此是斯通博利-夏威夷过渡型喷发。

根据野外剖面观察, 五大连池火山带中爆破式火山喷发的整个过程中, 早期和晚期的喷发类型常常不一致, 如大椅山由早期夏威夷型喷发转变为晚期斯通博利型喷发, 从剖面(图6a)可见火山锥体核部由致密的砖红色厚层熔结集块岩与熔岩构成, 向翼部逐渐过渡为薄层状灰黑色松散的火山砾与火山集块, 其中夹杂火山弹与透镜状熔岩饼, 火山灰含量较低。剖面特征说明大椅山喷发初期强度较弱, 可能以熔岩喷泉的形式喷出; 后期喷发迅速转变为剧烈的爆破式喷发, 岩浆在火山通道内高度碎屑化, 从火口喷出后沿弹道轨迹飞行并降落在火口周围; 这些碎屑在堆积过程中, 沿火山斜坡发生垮塌并形成颗粒流, 最终形成层状松散的火山碎屑。这样的喷发过程早期属于夏威夷型, 晚期属于斯通博利型。

另外, 老黑山、 小椅山和南山等火山中都出现早期斯通博利型喷发、 晚期夏威夷型喷发的特点; 而尖山农场尖山由早期的射汽岩浆型喷发转变为晚期的斯通博利型喷发。这些现象说明五大连池火山带火山喷发类型的控制因素在喷发过程中发生了变化, 其控制因素以及变化原因是未来进一步研究的重点。

3.2 溢流式喷发

溢流式喷发过程中, 岩浆如果在火口周围堆积, 则形成盾形(Shield)火山, 如果向远源流动, 则形成熔岩流。盾形火山常出现在上新世— 早更新世, 主要由致密熔岩构成, 详细内容见2. 1节中对黑山火山的分析。

在研究区, 熔岩流主要有结壳熔岩、 渣状熔岩和块状熔岩。以老黑山熔岩为例, 在北侧溢出口附近, 熔岩以厚层结壳状为主, 表壳较为平滑, 熔岩的底部空隙中有熔岩刺(图8a), 这表明在溢流喷发时, 结壳熔岩的表层固结后, 其下出现熔岩隧道, 底部塑性熔岩仍在流动。距老黑山火山锥北端200m左右的下山栈道处可见厚层熔岩断面, 其中明显分为4层, 总厚在3~4m之间, 每个熔岩流单元厚0.5~1.2m不等; 最底部是3层结壳熔岩, 较为致密, 气孔含量较少( 图8b); 向上为相对松散、 气孔较多的渣状熔岩表壳。该处熔岩流最远可追溯至距火口5.42km处, 熔岩大多是直径 50cm的不规则碎块, 气孔发育, 表面由破碎松散的渣状玄武岩角砾组成, 形成 “ 石海” 景观。这表明老黑山熔岩流向E流动的过程中, 结壳熔岩逐渐过渡为分布广泛的渣状熔岩(图8c)。当熔岩流在前进过程中挥发份不断溢出减少, 温度逐渐降低, 结晶矿物增多, 黏度相应增加, 常会由结壳熔岩过渡为渣状熔岩(Schmincke, 2004)。

图 8 五大连池火山区代表性熔岩类型
a 老黑山结壳熔岩的底部空隙中出现熔岩刺; b 熔岩岩层断面上可见4个流动单元, 下部为前3次形成的结壳熔岩, 顶部为第4次形成的渣状熔岩; c 渣状熔岩, 表面崎岖不平, 直径≤ 50cm; d西龙门山 “ 龙门石寨” 块状熔岩, 块体直径1~3mFig. 8 Typical lava types in Wudalianchi field.

西龙门山出露直径1~3m的不规则熔岩块, 构成熔岩流的主体, 即为块状熔岩(图8d), 熔岩流分布总面积约10km2, 气孔含量较少, 表面覆盖有苔藓地衣。块状熔岩一般形成于火山活动晚期, 岩浆黏度较大, 流速慢, 流动时前端熔岩冷却后被后面流动的熔岩冲破挤碎呈块状, 最终形成块状熔岩。

4 火山喷发灾害

火山灾害研究工作最为重要的是区分出喷发机制和喷发过程, 对已发生的火山喷发进行研究, 探讨未来可能发生的火山灾害类型, 进而制定出相应的减灾方案, 最大限度减少人员财产的损失(魏海泉, 1991; 魏海泉等, 1997, 2005)。结合上文所提及的火山喷发类型可知, 本区可能发生的火山灾害依然是斯通博利型、 夏威夷型、 强斯通博利型、 过渡型、 射汽岩浆型喷发和熔岩流(表2)。

表2 五大连池火山带的火山喷发灾害类型 Table2 Volcanic hazard types of the Wudalianchi volcanic belt
4.1 火山灾害类型

斯通博利型喷发的危害主要是由火山口喷出的沿弹道轨迹运动的火山碎屑。McGetchin等(1974)认为火口抛射出火山弹的初始速度≤ 15~79m/s, 火山弹近乎垂直抛射, 90%的火山弹抛射的角度与水平地面夹角 > 78° , 选取初始速度最大值为79m/s, 不考虑火山弹与火口的摩擦力和空气阻力, 根据抛物线公式进行计算(重力加速度取9.8m/s2), 90%的火山弹可以抛射的水平距离 < 259m, 但是当抛射角度为45° 时, 火山弹水平抛射的最远距离约637m; 李永生等(2012)模拟了老黑山火山弹抛射轨迹, 发现抛射角度为45° 时抛射距离最远, 为1i000m。由此可大体判断, 斯通博利型喷发的潜在危险区大致是以火口为中心的1km范围内。

强斯通博利型喷发时的喷发柱高度一般< 10km, 产生的火山灰云不会进入平流层(Valentine et al., 2008), 因此在发生火山灾害时基本不会影响航空运输。火山喷发柱的空降范围主要受当时的风向控制, 具体影响范围需结合风速与喷发柱高度进行估算。根据Suzuki(1983)的数学模型方法, 本文假定喷发柱高度为10km, 喷发物体积为0.3km3(参考龙岗金龙顶子火山喷发物的体积), 当风速为5m/s时, 计算得知, 下风处火山渣10cm等厚线距火口最远约15km; 而当风速增加为10m/s时, 下风处火山渣10cm等厚线距火口最远约25km。喷发产生的空降火山渣过厚有可能会造成建筑物坍塌。由于喷发物中含有大量细粒的火山灰, 因此需要着重注意佩戴口罩或用毛巾围住口鼻, 防止呼吸道损伤。

夏威夷型喷发一般爆破强度弱, 以孤山为例, 仅在火口周围形成半径150~200m的锥体堆积, 该种喷发类型所造成的灾害主要是喷发伴随的熔岩流可威胁到人类的生命财产安全。

熔岩流的流速可通过对研究区已知熔岩流的长度进行测量, 再利用公式推算得到。Walker(1973)提出熔岩流的长度与岩浆平均溢出率有很好的相关性, 结壳熔岩和渣状熔岩的结构构造、 熔岩流动时对地摩擦力等完全不同, 渣状熔岩一般位于火口周围, 结壳熔岩则相对较远, 所以将二者分开计算。对于结壳熔岩, Pinkerton等(1994)提出L=1i230E0.46(L为熔岩流长度, 单位为m; E为岩浆平均溢出率, 单位为m3/s), Kilburn(1993)通过对意大利埃特纳火山的渣状熔岩流进行研究后, 提出L=1.1Q1/2(L为熔岩流长度, 单位为km; Q为岩浆平均溢出率, 单位为m3/s)。

老黑山和火烧山明显可见熔岩流, 时代较新且较长, 是测量熔岩流长度的理想位置。经测量老黑山渣状熔岩流最长为5.43km, 结壳熔岩流最长为13.5km; 火烧山渣状熔岩流最长为4.6km, 结壳熔岩流最长为3.8km。根据公式, 可以计算出老黑山渣状熔岩和结壳熔岩岩浆最大平均溢出率分别为24.4m3/s和182.7m3/s; 火烧山则分别为17.5m3/s和11.6m3/s。魏海泉等(2005)对琼北全新世火山熔岩流溢出率进行计算得到熔岩溢出率的范围为7~180m3/s, 与五大连池火山带的溢出率相似。综合以上结果, 本文假设熔岩溢出率为7~183m3/s, 可以计算出结壳熔岩的运移距离为3.0~13.5km, 渣状熔岩的运移距离为2.9~14.9km, 因此, 发生火山灾害时熔岩最远可以运移15km。

射汽岩浆型火山喷发时基浪(Base surge)的能量很大, 速度可达200~400m/s, 是造成灾害的主要原因。莲花山地区的珍珠山和尖山农场的尖山是区内的射汽岩浆型火山。由于受剖面出露位置所限, 目前尚不能确认这2次喷发事件中基浪的最远运移距离。Moore(1967)观测Taal火山喷发产生的基浪运移的最远距离为8km, Carey(1991)总结认为射汽岩浆基浪运移距离≤ 10km。由此可见, 射汽岩浆喷发时基浪的运移速度很快, 短时间内即可运移很远的距离, 因此需要对该区可能发生该种喷发的区域进行实时关注, 一旦火山警戒等级升高就要做好准备, 组织居民撤退到至少10km以外的安全地区。

4.2 火山喷发灾害分析

推测未来所发生的灾害类型与该火山带已有类型基本一致, 喷发类型主要是斯通博利型和夏威夷型。另外, 五大连池火山区有丰富的水资源, 有再次发生射汽岩浆型喷发的潜在危险。

科洛火山区与五大连池火山区整体时代较新, 再次发生火山灾害的可能性较大。值得一提的是, 五大连池火山区东侧的德都镇发生过4次中强地震, 西侧也曾监测到有地震发生, 说明研究区构造不稳定, 这样的地质背景有可能促进火山活动(任锦章等, 1999; Wei et al., 2003), 另外, 二克山火山时代也较新(图9), 亦存在再次喷发的可能性。

图 9 五大连池火山带火山时代分布
科洛火山区的432高地、 平顶山、 卡山、 科洛南山、 科洛马鞍山、 469高地和西山年龄数据来源于Zhao et al., 2014; 五大连池火山区的药泉山、 尾山、 西焦得布、 西龙门山、 东龙门山、 莫拉布山和北格拉球山K-Ar年龄数据来源于毛翔等(2010)Fig. 9 Volcanoes temporal distribution in the Wudalianchi volcanic belt.

从构造上来看, 五大连池火山群主要沿NE和NW向断裂分布(徐衍强, 1997; Wang et al., 2005; 毛翔等, 2010), 未来发生的喷发仍然可能发生在NE、 NW向断裂上。

综合以上分析, 可以得到以下判断: 研究区火山不同的喷发类型有着不同的影响范围, 因此有必要加强对五大连池火山带火山, 尤其是晚期形成且靠近断裂处的火山进行实时观测, 一旦发现异常即安排人员撤离至安全区域。考虑到研究区火山都属于单成因火山, 与俯冲带火山(如日本列岛火山)相比, 这种类型的火山区具有相对较低的喷发频率, 较低的喷发物总量, 喷发灾害影响范围也相对有限。大多灾害只发生在火口周边约10km范围内, 只有少数灾害, 如个别熔岩流和空降火山碎屑可以影响到距火口15~25km的较远区域。因此, 只要加强监测和及时预警, 就能有效降低灾害损失, 不必过于惊慌, 影响正常的生产生活。

5 结论

通过对五大连池火山带野外地质研究, 结合对前人测年数据的整理, 得到以下结论:

(1)东北五大连池火山带早期火山活动(上新世— 早更新世)主要位于五大连池火山带北部, 火山产物主要是熔岩流, 形成熔岩台地和盾形火山; 晚期火山(中更新世— 全新世)作用在整个火山带上, 形成碎屑锥和熔岩流。

(2)研究区火山喷发方式有爆破式和溢流式2种, 其中爆破式喷发主要是强斯通博利型、 斯通博利型、 夏威夷型端元喷发类型, 过渡喷发类型以及射汽岩浆型, 形成多种样式的火山锥。溢流式喷发产生盾形火山, 以及结壳熔岩、 渣状熔岩和块状熔岩。

(3)预估未来区内发生的火山灾害类型依然为爆破式和溢流式2种, 主要发生的区域可能与构造密切相关, 尤其是与NE和NW向断裂相关的区域。

(4)发生程度较猛烈的强斯通博利型喷发时, 空降火山灰将影响下风处数十km的范围, 喷发高度一般不会对航空运输产生影响; 斯通博利型喷发时产生的火山碎屑最远可抛射约1km; 猛烈程度稍弱的夏威夷型喷发以及溢流式喷发产生的熔岩流是主要的灾害; 计算得出结壳熔岩运移距离为3.0~13.5km, 渣状熔岩运移距离为2.9~14.9km; 射汽岩浆型喷发时产生的基浪速度可达200~400m/s, 运移距离 < 10km。

致谢 中国地震局地质研究所李霓研究员和于红梅副研究员在野外工作和本文撰写过程中提供了帮助和建议, 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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