基于3D影像模型的長白山天池地質災害現狀與潛在危害分析

馮雨林，楊佳佳，蔡 賀

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽 110034

基于3D影像模型的長白山天池地質災害現狀與潛在危害分析

馮雨林，楊佳佳，蔡 賀

中國地質調查局沈陽地質調查中心（沈陽地質礦產研究所），遼寧沈陽 110034

通過遙感解譯及野外調查工作，查清了長白山天池地區(qū)主要地質災害分布現狀及規(guī)模，分析了災害發(fā)生的機理，編制了地質災害危害區(qū)劃圖，能夠為相關防災減災部門提供決策依據.

長白山；天池；遙感；3D模型；地質災害

0 引言

長白山天池坐落在吉林省東南部，是中國和朝鮮的界湖，是松花江、圖們江和鴨綠江之源.天池火山是我國最具潛在噴發(fā)危險的活動火山，現在的天池為1702年火山噴發(fā)后的火口積水而成.據史籍記載，自16世紀以來它爆發(fā)了3次.前人研究成果表明，長白山火山的噴發(fā)導致了多期次火山泥石流災害的發(fā)生［1-6］.自2011年東日本大地震以來，太平洋島弧帶的火山活動頻繁，位于此帶內的長白山天池火山活動引起了東亞國家及地質專家的強烈關注.本文的資助項目正是基于此而啟動的.

長白山地區(qū)第四紀火山松散堆積物分布廣泛，主要是多期次的火山灰、火山碎屑物、浮石、凝灰?guī)r類物質及崩塌與滑坡堆積物、殘坡積物以及階地沖洪積物.并且該地區(qū)有豐富的冰雪融水和大氣降水，且降水集中，暴雨強度大.這些特殊的自然條件，使得長白山地區(qū)時常發(fā)生地質災害，以火山泥石流為主.

火山泥石流是火山噴發(fā)物與水體混合所形成的大體積、快速流動的高密度流體，或松散的火山碎屑物被雨水沖刷、多次搬運后所形成的流體，其主要沿河谷低洼地帶流動，是最主要的火山次生災害［7］.屬于土壤重力侵蝕的范疇，是由內、外地質營力共同作用于地表或地下一定深度的物質而產生的物質流動過程中的產物，易受地質、地貌、水文、氣候和人類經濟活動等多種因素制約［8］.

1 3D遙感技術

DEM（digital elevation models，數字高程模型），是利用一個任意坐標場中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標點對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示，其中X、Y表示二維平面坐標，Z表示對應點的高程值.它廣泛應用于各種與地形相關的系統(tǒng)中，利用DEM進行三維圖形顯示和地形分析，能夠幫助人們對地表信息有更加直觀的了解.而三維遙感圖像模型是在DEM的基礎上建立的，它是采用紋理映射技術，把地表紋理圖像映射到地形高度場幾何模型上，來模擬真實感的地表形態(tài).所謂紋理映射，即是把紋理圖像“粘貼”到物體表面，以使物體具有真實感［9］.對DEM來說，可將遙感影像等作為紋理“貼”到DEM上，形成天池地區(qū)逼真的正地貌影像模型（圖1）.

圖1 天池3D遙感模型特征Fig．1 The 3D remote sensing image model of Tianchi Lake

2 研究方法與技術路線

1）全面搜集前人研究成果資料，詳細了解與分析整個長白山地區(qū)災害的類型、分布及其危害特征；

2）采用高分影像對研究區(qū)的重點地質災害進行特征提??；

3）由于三維模型可以使人們更加直觀、形象地認識和了解地形地貌，據此，對于災害點和區(qū)段，建立3D遙感圖像模型，視角由遠及近、由粗略到詳細的觀察災害發(fā)生點的地形地貌特征；

4）進行野外實況踏勘與調查，其所采集的資料數據要反饋到室內工作中，用以修正不足與錯誤.

3 天池地區(qū)地貌特征

長白山天池是一個多期次火山噴發(fā)形成的錐形火山口湖（圖1、2），沿湖口環(huán)狀分布著玄武巖蓋，在火山口內壁及湖口分水嶺外坡堆積著巨厚的火山灰及浮巖［10］，是形成峽谷泥石流的主要物源，并且已發(fā)生過多期泥石流.

圖2 天池地形特征Fig．2 Topographic featuers of Tianchi Lake

4 災害分布規(guī)律

通過對火山錐附近不同期次火山泥石流發(fā)育情況解譯及野外調查發(fā)現，火山泥石流堆積物主要沿松花江中上游分布，直達吉林市以遠.聶保鋒等［11］的研究成果也證實這一規(guī)律.

4．1 天池火山口內壁地質災害

受制于長白山天池的地形（圖2）及多期次的火山噴發(fā)，在天池火山口內壁到水面間形成環(huán)帶狀巨厚的火山灰沉積層，而沉積火山灰又形成多期次的滑塌臺階.這些火山灰在外力作用下，垮塌進入池水內，將會在低洼的北出口形成池水外泄.外泄池水又會沖刷火山灰，形成災難性的泥流、水流和泥石流.

4．2 湖口分水嶺外坡地質災害

多期次的火山噴發(fā)，在天池分水嶺外側形成大量巨厚火山巖及火山碎屑堆積物，受構造的影響，在地表營力作用下，形成多條巨型深切溝谷，如長白山瀑布峽谷、二道白河、錦江大峽谷等.這些峽谷一方面作為大江大河的源頭，另一方面也導致一些地質災害的發(fā)生.峽谷下切誘發(fā)邊坡失穩(wěn)，形成多期次的滑塌臺階（圖3），生產大量的碎屑物.這些碎屑物在重力及流水的作用下，又導致泥石流的發(fā)生.

綜合分析長白山地區(qū)的地形地貌及地質特征，根據火山碎屑流的分布特征（見圖4），多期次火山活動在松花江流域產生大量的松散堆積物（火山灰、火山碎屑物、浮巖類、凝灰?guī)r類物質及崩塌與滑坡堆積物、殘坡積物以及階地沖洪積物），尤其是在天池北坡的瀑布通道，兩側多期次堆積著大量巨厚的火山灰，且松散易塌（見圖5）；在圖們江流域主要產生大量的火山灰、火山碎屑物及浮巖類物質；而在鴨綠江流域，則是以構造切割地形所產生的碎屑巖塊為主，火山碎屑物次之.

圖3 天池泄水口滑塌臺地Fig．3 The sliding platform at the outlet of the Tianchi Lake

圖4 火山碎屑流的分布區(qū)（據李春風等）Fig．4 The distribution of pyroclastic flows（From Li C F，et al．）1—國界（national boundary）；2—天池火山口（Tianchi volcano）；3—河流（river）；4—火山碎屑流（the pyroclastic flow）；5—火山泥石流（volcanic debris flow）

圖5 天池瀑布泄水口Fig．5 The outlet at the Tianchi waterfall

基于碎屑物的性質及地形地貌特征，可以總結出，區(qū)域上，松花江流域由于地形起伏較大，天池周圍以崩塌滑坡為主，在突發(fā)洪水的沖刷作用下，向下以泥石流為主，且危害巨大；圖們江流域，火山灰較多，但由于地形寬緩，以泥石流為主，但規(guī)模不大，危害較?。圾喚G江流域，火山碎屑物較少，但地形較陡，災害以水流及洪水攜帶碎石流為主.

室內解譯和野外實地調查表明，崩塌和滑坡災害主要分布在漫江鎮(zhèn)-望天鵝峰段、長白縣-天池南門段的沿鴨綠江岸和天池北泄水口瀑布段，主要是在雨季危害道路交通安全.

5 火山泥石流潛在危害分析

根據地質災害的影響因素，泥石流是未來有可能大規(guī)模爆發(fā)的地質災害之一，原因如下：天池周圍呈錐形地貌，分布著放射狀深大溝谷，天池分水嶺內外堆積巨厚大量松散火山灰（天池分水嶺內側的將滑入池中，激發(fā)大量池水外泄；分水嶺外側的物質將成為泥石流的物源），在大降水量（稱為臨界水量）、火山噴發(fā)或地震的觸發(fā)下，具備了大規(guī)模泥石流爆發(fā)的條件（錐形地貌+大量松散物質+觸發(fā)臨界水量），危害極大.

魏海泉［12］計算出天池火口湖水容量達20×108m3.根據虛擬GIS的推演，天池第一出水口位于北側的瀑布方向（圖6），海拔2213 m.現在天池水面海拔為2196m（地形+影像數據測得），如果現狀水面上漲到從北出口外泄，推演的結果是大約需要2．217×108m3水量.第二出水口位于天池西南（圖7），海拔大約2390m，如果現狀水面上漲到第二出水口外泄，推演的結果是大約需要63．16×108m3水量.

圖6 天池第一出水口示意圖Fig．6 No．1 outlet of Tianchi Lake

圖7 天池第二出水口示意圖Fig．7 No．2 outlet of Tianchi Lake

1997年國家“九五”重點項目“中國若干近代若干活動火山的監(jiān)測與研究”啟動.中國地震局、吉林省地震局在長白山天池火山區(qū)開始了監(jiān)測和研究工作.經過幾年的研究，專家們認為，長白山是一個休眠的活火山.地球物理探測表明，長白山天池下方有地殼巖漿囊存在的跡象［13］，長白山天池具有再次噴發(fā)的危險，其噴發(fā)形式為爆炸式.由于天池20×108m3水體的存在，大量松散坡積物和火山灰滑入池中，將激發(fā)出大于自身體積的池水外泄，形成大型火山泥石流，使噴發(fā)具更大的破壞性.

聶保鋒［11］研究表明，長白山天池火山是不久將來有潛在噴發(fā)危險的活火山.如果長白山天池火山再次爆發(fā)，火山泥石流可能是最主要的災害，特別是松花江、鴨綠江和圖們江中上游.未來長白山天池火山泥石流高危險區(qū)為以火口為圓心，沿溝谷可擴展至半徑45 km的區(qū)域.松花江中上游的梯級電站將連鎖式地受到巨大破壞，沿江兩岸將遭受巨大災害.

根據上述泥石流的影響因子及天池北坡坡度特征（圖8），結合3D遙感模型解譯結果，模擬未來火山泥石流發(fā)展趨勢（圖9）.

圖8 二道白河坡度高度圖（據文獻［3］）Fig．8 The slope-height diagram of erdaobaihe（From Reference［3］）1—高程（height）；2—坡度（slope）

圖9 天池泥石流模擬（據文獻［3］）Fig．9 Simulation of the Tianchi debris flow（From Reference［3］）

根據遙感解譯結果及野外調查信息，編制了天池水系分布及地質災害潛在危害區(qū)劃圖（圖10）.其危害趨勢與萬園［14］利用LAHARZ模擬結果相似，并且與多名學者的研究成果相一致：劉祥等［1］指出赤峰期火山泥流堆積物主要分布于松花江中上游、近火口處和二道白河兩岸；楊清福等［2-4］在松花江上游沿岸以及鴨綠江西岸一帶發(fā)現天池火山泥石流，且推斷圖們江流域可能也有火山泥石流分布；魏海泉等［5］在天池火山錐體附近發(fā)現不同期次的火山泥石流，且在鴨綠江和圖們江流域發(fā)現存在千年大噴發(fā)后的火山泥石流.

圖10 天池水系分布及地質災害潛在危害區(qū)劃圖Fig．10 The Tiachi river system and potential geological hazard zones1—天池周圍放射狀水系（radial river system of Tianchi）；2—中朝國界（China-DPRK boundary）；3—天池分水嶺（Tianchi lake watershed）；4—流域分水嶺（river watershed）；5—崩、滑、流災害點（hazard spot）；6—火山泥石流一級區(qū)（Level 1 area of volcanic debris flow）；7—火山泥石流二級區(qū)（Level 2 area of volcanic debris flow）；8—火山泥石流三級區(qū)（Level 3 area of volcanic debris flow）；9—火山泥石流四級區(qū)（Level 4 area of volcanic debris flow）

6 結論

本研究通過遙感解譯及野外調查工作，查清了天池地區(qū)主要地質災害分布現狀及規(guī)模，分析了災害發(fā)生的機理，編制了地質災害危害區(qū)劃圖.本成果能夠為相關防災減災部門提供決策依據，在災害發(fā)生前可在二道白河、松花江沿岸建立有效的監(jiān)測、報警系統(tǒng)，如發(fā)生火山泥石流，水庫可提前放水，以減輕災害［13］.

［1］劉祥．長白山火山歷史上最大火山爆發(fā)火山碎屑物層序與分布［J］.吉林大學學報：地球科學版，2006，36（3）：313-318.

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［3］楊清福，薄景山.長白山天池火山的研究現狀與展望［J］.自然災害學報，2007，16（6）：133-139.

［4］楊清福，史蘭斌，陳孝德，等.長白山天池火山一次近代噴發(fā)物的特征［J］.地震地質，2006，28（1）：71-82.

［5］魏海泉，金伯祿，劉永順.長白山天池火山地質學研究的若干進展與災害分析［J］.巖石礦物學雜志，2004，23（4）：306-312.

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FENG Yu-lin，YANG Jia-jia，CAI He

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resource，CGS，Shenyang 110034，China

Through RS interpretation and field survey，the present situation and scale of geological hazards in Tianchi area，Changbai Mountain are recognized．With analysis of the hazard mechanism，the geological hazard zoning map is compiled，which can provide decision basis for the administration of disaster prevention and mitigation．

Changbai Mountain；Tianchi；RS；3D model；geological hazard

2016-03-14；

2016-04-18．編輯：張哲.

國土資源部“長白山火山基礎地質與環(huán)境地質研究”項目（編號：201211095-5）.

馮雨林（1980—），男，碩士，高級工程師，從事遙感地質工作，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街280號，E-mail//68051629@qq.com