長(zhǎng)白山天池火山監(jiān)測(cè)與火山災(zāi)害研究動(dòng)態(tài)

馮恒棟,南穎,杜會(huì)石

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院 地理系,吉林 延吉 133002； 2.吉林師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院,吉林 四平 136000)

火山噴發(fā)是地球內(nèi)部能量向地表強(qiáng)烈釋放的一種正常的地質(zhì)現(xiàn)象，也是地殼運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式之一.火山噴發(fā)可為人類(lèi)提供肥沃的土壤養(yǎng)分，但同時(shí)也能給人類(lèi)帶來(lái)危害和慘重的災(zāi)難，因此，研究火山的作用過(guò)程、活動(dòng)規(guī)律、噴發(fā)機(jī)制和噴發(fā)預(yù)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等問(wèn)題，可以幫助人類(lèi)更好地開(kāi)發(fā)利用火山資源和最大限度地減輕火山災(zāi)害的發(fā)生[1-2].長(zhǎng)白山天池火山位于我國(guó)吉林省東部，是世界公認(rèn)的具有噴發(fā)潛力的活火山，2002—2005年長(zhǎng)白山天池火山的頻繁活動(dòng)曾一度成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn).許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)長(zhǎng)白山天池火山進(jìn)行了大量研究并取得了豐碩的研究成果，為揭示火山活動(dòng)的機(jī)理和過(guò)程以及為防災(zāi)減災(zāi)決策提供了科學(xué)依據(jù).本文對(duì)近期在長(zhǎng)白山天池火山監(jiān)測(cè)、噴發(fā)歷史、火山災(zāi)害等領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了梳理，總結(jié)了研究現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)，并對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行了展望.

1 長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)歷史研究進(jìn)展

長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)歷史可以分為3個(gè)階段：以玄武質(zhì)巖漿噴發(fā)為主的造盾階段，以粗面巖、堿流巖熔巖為主的造錐階段和以布里尼式造伊格尼姆巖噴發(fā)(爆炸式噴發(fā))為主的近代噴發(fā)和歷史噴發(fā)階段[1]19-28，其中爆炸式噴發(fā)是長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)歷史研究的熱點(diǎn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)長(zhǎng)白山天池火山巖石進(jìn)行系統(tǒng)的K-Ar年代學(xué)研究、巖石學(xué)研究、碳化木14C年代測(cè)定等工作認(rèn)為，大約在1 000年前長(zhǎng)白山天池曾發(fā)生過(guò)一次大噴發(fā)(即“千年大噴發(fā)”)，從規(guī)模和猛烈程度上是地球上近2 000年來(lái)最大的噴發(fā)事件之一，但對(duì)千年大噴發(fā)的精確時(shí)間一直存在爭(zhēng)議.2000年，崔鐘燮等[2]通過(guò)對(duì)大量史料進(jìn)行考證和分析，將千年大噴發(fā)的時(shí)間精確為1199年(11月)至1200年(5月)之間，并通過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)在1201年12月有后續(xù)的小規(guī)模噴發(fā)出現(xiàn)[3]，此結(jié)論對(duì)于研究長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)歷史意義重大.崔鐘燮等[4]還根據(jù)歷史資料，確定長(zhǎng)白山天池火山在公元1014年到1019年之間，也發(fā)生過(guò)一次較大噴發(fā)事件.對(duì)于千年大噴發(fā)的火山碎屑堆積物的層序和分布，劉祥[5]進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述.劉強(qiáng)等[6]利用天池火山周邊的鉆孔數(shù)據(jù)，將天池火山的噴發(fā)序列分為早期旋回(上新世至早更新世，巖漿演化順序是粗面玄武巖到粗面巖)、中期旋回(早更新世的玄武巖漿演化到粗面巖和粗安巖)和晚期旋回(更新世的玄武巖演化到全新世的粗面巖及堿流巖)，揭示了長(zhǎng)白山天池火山的噴發(fā)序列和巖漿演化過(guò)程.潘波等[7]通過(guò)綜合研究天池火山氣象站期巖石的巖石化學(xué)組成、野外露頭特征、巖石結(jié)構(gòu)與顆粒形貌，認(rèn)為長(zhǎng)全新世以來(lái)天池火山的3期噴發(fā)活動(dòng)均為爆炸式噴發(fā)，而非爆炸—溢流—爆炸式噴發(fā).目前為止，對(duì)于千年大噴發(fā)以前的大規(guī)模噴發(fā)時(shí)間仍需進(jìn)一步研究確定.

2 長(zhǎng)白山天池火山監(jiān)測(cè)進(jìn)展

我國(guó)對(duì)長(zhǎng)白山天池火山的監(jiān)測(cè)主要是基于長(zhǎng)白山火山地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行的.長(zhǎng)白山火山地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)自1999年7月開(kāi)始正式運(yùn)行，至今監(jiān)測(cè)成果顯著，為多角度地分析火山活動(dòng)狀態(tài)和特征提供了數(shù)據(jù)支持[8-12]，極大地促進(jìn)了對(duì)長(zhǎng)白山天池火山的研究.

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[13]顯示，1999—2002年6月長(zhǎng)白山天池火山活動(dòng)較弱，但2002年7月至2005年7月地震活動(dòng)的頻次明顯增多，并出現(xiàn)了一系列的火山震群事件，此監(jiān)測(cè)結(jié)果引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[14].2005年8月后，天池火山活動(dòng)逐漸平穩(wěn)，恢復(fù)到2002年以前的活動(dòng)狀態(tài).長(zhǎng)白山火山流體監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2010年5月有2個(gè)溫泉泉點(diǎn)水溫同步上升了3 ℃.火山區(qū)形變監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2010年長(zhǎng)白山北坡垂直位移量打破了火山錐體每年升高4 mm左右的規(guī)律，火山錐體的位移在垂向上發(fā)生逆轉(zhuǎn)，海拔最高的水準(zhǔn)點(diǎn)在1年內(nèi)突降12.72 mm[15].對(duì)于這些異常的監(jiān)測(cè)結(jié)果，目前尚無(wú)明確的科學(xué)解釋?zhuān)矡o(wú)法僅以此現(xiàn)象推斷長(zhǎng)白山天池火山將進(jìn)入新的活躍期.

目前，長(zhǎng)白山火山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、形變監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、流體監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、電磁觀測(cè)臺(tái)等子系統(tǒng)組成.楊清福等[16]認(rèn)為，目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然已經(jīng)初具規(guī)模，但尚存在很多薄弱環(huán)節(jié)，如火山地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力較弱、GPS形變觀測(cè)網(wǎng)和流體觀測(cè)網(wǎng)不能實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)、火山影像觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)處于空白等，應(yīng)建設(shè)包括火山地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、火山形變GNSS監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、以氣體地球化學(xué)為主的火山流體監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和火山影像監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)在內(nèi)的天池火山監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以對(duì)長(zhǎng)白山天池火山提供更有效的監(jiān)測(cè)，并滿足火山噴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警的需要.仲?gòu)V培等[17]也在天池火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)能力和地震分辨能力、天池火山地理環(huán)境特點(diǎn)等方面對(duì)長(zhǎng)白山天池火山地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的布局進(jìn)行了探討.

隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，遙感和GIS等新技術(shù)也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到地學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，尤其是衛(wèi)星遙感技術(shù)已被有效地應(yīng)用于火山活動(dòng)監(jiān)測(cè).在早期，單新建等利用Landsat TM、ERS-1 SAR遙感影像數(shù)據(jù)并結(jié)合地質(zhì)考察、測(cè)年資料，研究了長(zhǎng)白山天池火山近代噴發(fā)期次、噴發(fā)規(guī)模及噴發(fā)物的分布特點(diǎn)[18-19];張學(xué)霞等提出了利用3S技術(shù)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、評(píng)估火山災(zāi)害的方法，并建立了火山區(qū)地理信息系統(tǒng)[20-21];薄立群等[22]也闡述了利用熱紅外衛(wèi)星遙感探測(cè)突發(fā)性地?zé)岙惓５脑砗头椒?近期，許軍強(qiáng)等[23]利用ASTER遙感數(shù)據(jù)反演長(zhǎng)白山火山區(qū)地表溫度并解譯了地質(zhì)構(gòu)造，他們還結(jié)合對(duì)水熱活動(dòng)及深源氣體釋放特征等資料的關(guān)聯(lián)分析，應(yīng)用地?zé)犷A(yù)測(cè)模型對(duì)長(zhǎng)白山火山區(qū)地?zé)豳Y源存在的有利區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)[23].季靈運(yùn)等[24]基于長(zhǎng)白山天池火山區(qū)Landsat TM/ETM和ASTER熱紅外遙感數(shù)據(jù)，反演了1999—2008年天池火山區(qū)的溫度場(chǎng)序列，提取出由火山巖漿活動(dòng)導(dǎo)致的溫度異常，并通過(guò)進(jìn)一步分析再次證明衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)的可行性與可靠性.

3 長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害研究動(dòng)態(tài)

長(zhǎng)白山天池火山被認(rèn)為是世界上最具潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險(xiǎn)的火山之一.一旦發(fā)生火山噴發(fā)，所引起的火山熔巖流、火山碎屑流、火山泥石流、火山空降物等將會(huì)造成周邊地區(qū)重大人員傷亡和嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞，甚至對(duì)全球氣候產(chǎn)生重大影響.對(duì)長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害進(jìn)行研究和分析是預(yù)防和減輕火山災(zāi)害的重要手段和決策依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

針對(duì)長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)的各種潛在災(zāi)害，劉松雪等[25]依據(jù)歷史上最大規(guī)模的噴發(fā)空降堆積物、火山碎屑流和火山泥流分布范圍，編制了火山噴發(fā)空降堆積物災(zāi)害預(yù)測(cè)圖、火山碎屑流災(zāi)害預(yù)測(cè)圖和火山泥流災(zāi)害預(yù)測(cè)圖，并提出了防災(zāi)減災(zāi)的建議.在各種潛在災(zāi)害中，火山熔巖流危害極大，能對(duì)其流經(jīng)區(qū)域造成毀滅性的災(zāi)難.靳晉瑜等[26]依據(jù)不同的熔巖物理參數(shù)資料獲得長(zhǎng)白山天池火山熔巖流流動(dòng)速度與地表流動(dòng)時(shí)間，以此作為參考數(shù)據(jù)確定了熔巖流動(dòng)大致受災(zāi)范圍和災(zāi)害表現(xiàn)，并提出了針對(duì)此災(zāi)害的建議.

近幾年，對(duì)長(zhǎng)白山火山泥石流災(zāi)害的研究也比較豐富.長(zhǎng)白山天池水面海拔高度2 189.7 m，蓄水量高達(dá)20億m3，是世界上最高的火山湖，一旦發(fā)生火山噴發(fā)，將會(huì)出現(xiàn)潰泄，產(chǎn)生巨量潰湖洪水.根據(jù)長(zhǎng)白山的地質(zhì)條件，火山湖水潰泄將必然引發(fā)嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害.很多學(xué)者就此問(wèn)題從多個(gè)角度展開(kāi)了研究.王禹萌等[27]運(yùn)用粗糙集理論，對(duì)影響長(zhǎng)白山天池火山泥石流的因素進(jìn)行了權(quán)重分析，結(jié)果表明地形條件對(duì)泥石流災(zāi)害程度的影響最大，其次為固體物源和植被條件，權(quán)重最小的為底層巖性和節(jié)理密度.溫智虹等[28]利用層次分析法將影響長(zhǎng)白山天池火山泥石流的因素分為地質(zhì)條件、地形地貌和植被覆蓋情況3大類(lèi)9個(gè)影響因子，并進(jìn)行了權(quán)重分析，結(jié)果顯示，相對(duì)高差和坡縱比對(duì)火山泥石流分布的影響最大，高程、堆積厚度和植被覆蓋程度也是影響長(zhǎng)白山火山泥石流分布的主要因子.盛儉等[29]對(duì)假設(shè)的中等和較小規(guī)模噴發(fā)所引發(fā)的火山泥石流平均速度和峰值速度進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)火山泥石流流通的速度受火山噴發(fā)規(guī)模影響較小，其中中等噴發(fā)規(guī)模引發(fā)的火山泥石流從天池火山口流通到下游28 km左右的區(qū)域需要140 min左右.萬(wàn)園等[30]利用LAHARZ軟件對(duì)長(zhǎng)白山4條主要河道進(jìn)行了火山泥石流的數(shù)值模擬，根據(jù)設(shè)定的能量錐最佳閾值和河流最佳閾值，并基于歷史上最大規(guī)模的噴發(fā)設(shè)定了不同的體積閾值，并制成了長(zhǎng)白山天池火山泥石流模擬災(zāi)害區(qū)劃圖.劉俊清等[31]采用相關(guān)水動(dòng)力學(xué)公式及潰壩模型，初步估算了不同情況下天池火口湖潰壩的最大流量及向下游的洪水演進(jìn)過(guò)程，研究表明若天池火山湖水潰泄一半即10億m3時(shí)，距火山口50 km處的二道白河鎮(zhèn)將全部被淹沒(méi)，下游的白山水庫(kù)、豐滿水庫(kù)安全也會(huì)受到嚴(yán)重威脅.

長(zhǎng)白山天池火山的潛在災(zāi)害還包括天池風(fēng)景區(qū)特殊地質(zhì)地貌條件孕育的崩塌等自然災(zāi)害.目前，長(zhǎng)白山天池區(qū)深溝陡壁的自然景觀已經(jīng)成為重要的旅游資源，而這種地貌類(lèi)型也是崩塌災(zāi)害發(fā)生的重要因素.張麗等[32]采用有限元法對(duì)長(zhǎng)白山天池地區(qū)高陡斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明天池地區(qū)斜坡整體穩(wěn)定性較好，但斜坡上緣表層巖體的穩(wěn)定性較差，易發(fā)生崩塌事故，而龍門(mén)峰兩側(cè)南北向陡崖、瀑布附近東西向陡崖及黑風(fēng)口以南南北向陡崖分布區(qū)是崩塌災(zāi)害嚴(yán)重區(qū).王潔玉等[33]通過(guò)分析崩塌災(zāi)害的形成機(jī)理，對(duì)長(zhǎng)白山北坡登山長(zhǎng)廊邊坡危巖體進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià).劉永平等[34]根據(jù)1998年長(zhǎng)白山瀑布西側(cè)觀光長(zhǎng)廊段邊坡崩塌事故事發(fā)地點(diǎn)的地質(zhì)背景和形成條件對(duì)崩塌災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了闡釋?zhuān)⑻岢隽司C合防治措施，取得了較好效果.

根據(jù)火山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合火山地區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，對(duì)火山災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警是減少各種火山災(zāi)害危害的有效途徑.為了更有效地提高長(zhǎng)白山火山災(zāi)害預(yù)警能力，李征西等[35]初步建立了長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害預(yù)警基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)火山災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢、顯示、分析及數(shù)據(jù)維護(hù)更新，為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)等工作提供了便利.

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)逐步完善了長(zhǎng)白山火山監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在多個(gè)領(lǐng)域都取得了新的進(jìn)展，其中千年大噴發(fā)時(shí)間的精確確定對(duì)研究長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)歷史意義重大.為了更加系統(tǒng)深入地研究長(zhǎng)白山天池火山，今后應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面：① 繼續(xù)建設(shè)和完善長(zhǎng)白山火山監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為火山監(jiān)測(cè)提供全面的多角度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)建立和完善火山災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)，使監(jiān)測(cè)和預(yù)警實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化.② 在火山災(zāi)害預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，把火山災(zāi)害對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的危害進(jìn)行定量化和空間定位，為防震減災(zāi)提供參考數(shù)據(jù).③ 在加強(qiáng)傳統(tǒng)研究方法的同時(shí)，要加大遙感和GIS技術(shù)在長(zhǎng)白山天池火山研究中的應(yīng)用.④ 根據(jù)長(zhǎng)白山天池火山具有跨國(guó)界跨區(qū)域的特點(diǎn)，應(yīng)積極推進(jìn)與周邊國(guó)家的合作機(jī)制，共同開(kāi)展對(duì)長(zhǎng)白山天池火山的研究.

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