長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流相模式及災(zāi)害區(qū)劃研究

趙 波

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流相模式及災(zāi)害區(qū)劃研究

趙 波

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流分布范圍廣泛，是國內(nèi)火山碎屑流領(lǐng)域重要的研究對象。前人研究表明：（1）長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流搬運堆積機制復(fù)雜，且火山碎屑流近源、中源部分一般分布在人跡罕至尚未開發(fā)的地方，火山碎屑流相模式尚未系統(tǒng)建立；（2）火山碎屑流是長白山地區(qū)主要災(zāi)害類型，尚未有專題的災(zāi)害區(qū)劃圖；（3）早期粒度分析主要采用人工法測試，精度低，誤差大，大量微米級碎屑的動力學(xué)信息流失。

針對上述問題，本文開展了長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流研究工作。

1 研究內(nèi)容

（1）建立火山碎屑流縱向厚度分布圖，分析其平面分布形態(tài)特征，探討分布形態(tài)與天池原始地貌之間的關(guān)系；（2）通過野外地質(zhì)調(diào)查，分別建立近源、中源和遠源地層堆積構(gòu)造組合特征，對火山碎屑流的流體性質(zhì)及搬運方式進行探討；（3）通過巖石學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析，分別建立近源、中源和遠源的巖相特征，探討不同階段火山碎屑流的流體性質(zhì)；（4）建立中源、遠源縱向和垂向粒度分布剖面對比圖，研究粒度（＜64mm）的碎屑粒度、成分和形貌分布規(guī)律，并對細火山灰直方圖分布特征進行研究，探討粒度分布與火山碎屑流流體性質(zhì)之間的關(guān)系；（5）以白西林場火山碎屑流的地浪堆積地層為研究對象，分析其成因、探討其搬運堆積模式；（6）以天池火山地貌TIN和DEM圖為基礎(chǔ)，選取火山碎屑流搬運的物理模型和數(shù)學(xué)計算模型，計算不同規(guī)模噴發(fā)碎屑流動距離，建立火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖。

2 研究思路和方法

（1）確定研究對象，在野外尋找一套完整的現(xiàn)象明顯的火山碎屑流；（2）系統(tǒng)研究火山碎屑流地質(zhì)特征、采集樣品和獲取第一手數(shù)據(jù)，其中地質(zhì)特征包括空間分布、巖相特征、地層構(gòu)造特征、礦物學(xué)特征、巖石化學(xué)特征等，建立火山碎屑流相模式；（3）室內(nèi)分析碎屑粒度特征（區(qū)分出浮巖、巖屑、晶屑），對比研究各種碎屑的分布特征。用SEM方法研究對應(yīng)碎屑顯微形貌特征及其形成機制。對兩者結(jié)果進行對比，并得出結(jié)論；（4）研究火山碎屑流地層有規(guī)律的堆積構(gòu)造特征；（5）在以上研究基礎(chǔ)上，研究天池火山火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃。在以上研究中，主要用到巖石學(xué)、地球化學(xué)、地層學(xué)和沉積學(xué)的研究方法，具體包括薄片分析、全巖分析、粒度分析、統(tǒng)計學(xué)分析、顯微形貌特征分析和形態(tài)分析等方法。

3 主要結(jié)論及認識

本篇論文主要從分布形態(tài)、地層堆積構(gòu)造、巖石學(xué)、地球化學(xué)、火山碎屑特征和搬運堆積模式6個方面對長白山天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流進行研究，并在此基礎(chǔ)上建立了天池火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖。本次研究主要得到以下9點結(jié)論：

（1）天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流分布形態(tài)受到天池火山原始地貌的嚴重影響：以十二道白河為例，在大概0～10km范圍內(nèi)，在火山錐體峽谷底部堆積，厚度在1～4m；大概10～20km范圍內(nèi)，為峽谷堆積，厚度在10～40m；20～50km為扇狀堆積。根據(jù)形態(tài)和厚度分布特征，天池火山碎屑流分布形態(tài)為火山碎屑裙，厚度一般小于10m。

（2）近源火山碎屑流地層堆積構(gòu)造組合有斑雜構(gòu)造、類熔巖構(gòu)造等；中源火山碎屑流地層堆積構(gòu)造組合有柱狀節(jié)理、塊狀構(gòu)造（垮塌成因）、強熔結(jié)條帶、底部巖屑富集帶、浮巖富集帶等，此外發(fā)育逃氣孔、峰叢等構(gòu)造；遠源火山碎屑流地層堆積構(gòu)造組合有粗尾粒序?qū)永?、爬升地層和地浪堆積地層等，次生改造程度高。

（3）近源巖石一般為堿性粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r；中源巖性為堿性粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r；遠源為堿流質(zhì)浮巖松散堆積。

（4）近源、中源黑色浮巖為粗面巖；遠源灰白色浮巖為堿流巖。

（5）中源和遠源松散堆積的小于64mm的碎屑，隨著與火口距離的增加，縱向上火山碎屑中值有變大的趨勢，隨著剖面深度的增加，火山碎屑中值有變小的趨勢；隨著與火口距離的增加，4～8mm火山碎屑的球形度整體變化趨勢增大，但增勢較緩，反映了近源火山碎屑流流體密度高；隨著與火口距離的增加，巖屑含量減少，反映了重力分異作用，一定程度上揭示了流體密度的降低。

（6）火山碎屑粒度越小，碎屑棱邊改造越少，碎屑形態(tài)越豐富，火山碎屑搬運機制越趨于單一化；細火山分布特征具有相似性，呈單峰態(tài)負偏態(tài)分布。

（7）灰云浪和地浪直方圖特征相似，向細粒集中，反映流體密度低。火山碎屑流流動單元直方圖分布呈多峰態(tài)，反映搬運方式復(fù)雜。

（8）天池火山西坡白西林場千年大噴發(fā)火山碎屑流在搬運過程中有水作用參與。

（9）以天池火山為中心，噴發(fā)柱高度為10km，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為13.69km；噴發(fā)柱高度為20km，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為35.42km；噴發(fā)柱高度為30km，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為57.8km。以千年噴發(fā)火山碎屑流分布格局為參考，根據(jù)天池火山周邊地區(qū)地貌特征制作出天池火山火山碎屑流不同規(guī)模噴發(fā)災(zāi)害區(qū)劃圖。

4 創(chuàng)新點

在研究過程，主要有以下4點創(chuàng)新：

（1）本篇論文首次通過長白山天池火山火山碎屑流分布形態(tài)、地層堆積構(gòu)造、巖石學(xué)、地球化學(xué)、粒度分析和地浪地層搬運模式的研究，采用了掃描電鏡、形態(tài)分析和激光粒度儀等實驗分析方法，建立了長白山天池千年大噴發(fā)火山碎屑流相模式，提出近源火山碎屑流流體密度高，搬運能力強，堆積厚度薄，巖相特征為堿性粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r；中源火山碎屑流流體密度有所降低，重力分異作用明顯，堆積厚度巨大，巖相特征為堿性粗面質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r；遠源火山碎屑流流體密度最低，湍流和地浪等流體化作用明顯，堆積厚度薄，巖相特征為堿流巖。

（2）本文首次對火山碎屑流和火山碎屑涌流細火山灰（小于62.5μm）粒度分布特征進行了研究，主要有以下兩個發(fā)現(xiàn)：① 火山碎屑流細火山灰直方圖具有一定相似性，呈單峰態(tài)、負偏態(tài)分布特征；②火山碎屑涌流在0.1μm～1μm之間仍有碎屑分布，而火山碎屑流基本上無小于1μm的碎屑，從粒度分析角度證明了射汽巖漿爆破式噴發(fā)作用導(dǎo)致的碎屑破碎化程度要高于巖漿爆破式噴發(fā)作用。

（3）本文通過地層分析、掃描電鏡分析和粒度分析等方法對長白山地區(qū)天池火山白西林場地層進行了系統(tǒng)研究，提出了白西林場火山碎屑流有水作用參與，并建立了白西林場火山碎屑流搬運堆積模式，初步劃分為碎屑淬火、蒸汽膨脹和堆積3個階段。

（4）國內(nèi)首次運用滑塊模型對天池火山火山碎屑流流動距離進行計算。

天池火山；火山碎屑流相模式；分布形態(tài)；地層堆積構(gòu)造；粒度分析；搬運堆積模式；災(zāi)害區(qū)劃

（作者電子信箱，趙 波：eulerbob＠sina.com.cn）

P317.9；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.05.011