鏡泊湖世界地質(zhì)公園熔巖隧道分布特征及成因*

詹 濤, 張海燕, 張 俊,李 峨,李 學,王清云, 王鎧銘, 劉雪丹,王 鶴

(黑龍江省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院)

0 引言

火山噴發(fā)的熔巖流對所及的生物、建筑物等的摧毀是火山噴發(fā)造成重要災(zāi)害之一[1]，而熔巖隧道是熔巖流的直接產(chǎn)物，在火山熔巖流地貌的形成過程中扮演重要角色[2].研究熔巖隧道的地貌特征以及成因?qū)τ谡J識火山熔巖流地貌、火山災(zāi)害乃至火山地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡的保護[3-4]和科普宣傳具有重要意義.

國外火山、地質(zhì)學家對意大利Etna火山[5-7]、美國Hawaii火山[8-10]、韓國濟州島[11]、以及冰島火山[13]等地的熔巖隧道做了大量研究，取得了包括隧道與熔巖流關(guān)系[6]、隧道形成機制[13-15]、隧道內(nèi)生物[16]、隧道地球物理方法應(yīng)用[17-18]等學術(shù)成果.然而，對中國火山區(qū)熔巖隧道的研究卻相對薄弱.盛中方等[19]對鏡泊湖熔巖隧道做過初步的調(diào)查研究.英國學者伍德和張海燕[20]、陶奎元[21]對海南省雷瓊火山、黑龍江省五大連池及鏡泊湖熔巖隧道做了簡要總結(jié)，然而只是對熔巖流臺地中形成的個別隧道做了地理位置、形態(tài)特征方面的報道.

鏡泊湖世界地質(zhì)公園火山熔巖流臺地面積廣大，約500 km2，在公園東北部鏡泊近期熔巖臺地上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)個規(guī)模不等的熔巖隧道，是研究熔巖隧道形成機制的理想場所；另外，該區(qū)熔巖隧道是鏡泊湖世界地質(zhì)公園一類非常重要的地質(zhì)遺跡，對其開展深入研究，挖掘其科研、旅游價值，將會大大提高公園的地學科普宣傳力度.過去的研究[19, 23]雖已對個別有塌陷洞口的熔巖隧道進行了調(diào)查，并分析了其可能的形成機制，但限于當時的經(jīng)濟、技術(shù)條件，并未探明熔巖隧道具體分布特征及不同分布特征隧道的形成機理，仍需開展更為細致的調(diào)查，以進一步獲得該熔巖隧道的詳細地貌特征，并分析熔巖隧道的成因，從而為更好的保護隧道地質(zhì)遺跡和科普宣傳提供理論依據(jù).

該文通過地形測量、專項調(diào)查等手段，對鏡泊近期熔巖臺地熔巖隧道進行詳細調(diào)查研究，查清熔巖隧道的分布特征，并對其形成機制進行初步探討，并根據(jù)其不同形成機制對已發(fā)現(xiàn)熔巖隧道進行分類評價.

1 區(qū)域地質(zhì)及研究方法

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

鏡泊湖世界地質(zhì)公園位于黑龍江省寧安市南部(如圖1所示)，公園內(nèi)有早更新統(tǒng)玄武巖、中更新統(tǒng)玄武巖、和全新統(tǒng)玄武巖.全新世火山包括5個火山噴發(fā)中心，分別為“火山口森林”、“大干泡”、“五道溝”、“迷魂陣”和“蛤蟆塘”，每個火山噴發(fā)中心2～4個火山口，共12個，該研究鏡泊湖熔巖隧道地質(zhì)遺跡是“火山口森林”噴發(fā)中心火山在距今5200～5500年前噴發(fā)形成的[24]，位于全新統(tǒng)玄武巖臺地內(nèi).

圖1 研究區(qū)地理位置及區(qū)域地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻[18, 19]修改)

1.2 研究方法

專項調(diào)查：調(diào)查線路間距100 m，采用設(shè)備有GPS、照相機等，對30個熔巖隧道塌陷洞口進行精準定位，拍攝隧道內(nèi)熔巖微地貌及隧道外地貌特征照片200余張.

測量方法：首先進行控制測量，然后進行細部測量，測量設(shè)備采用中海達RTK(型號5800G)，對熔巖臺地地形及塌陷溝谷進行詳細分布測量，測量面積31.4 km2；由于洞內(nèi)接收不到衛(wèi)星信號，為此采用索佳SET230RK3型全站儀對地下熔巖瀑布、霧洞、熔巖洞、新發(fā)現(xiàn)洞(25)、神羊洞和洞中洞進行測量.該儀器主要利用光學原理進行位置、角度和距離的測量.

2 結(jié)果與討論

2.1 熔巖隧道特征及分布

2.1.1 熔巖隧道內(nèi)部特征

依據(jù)熔巖隧道內(nèi)部特征能夠恢復(fù)熔巖隧道的形成過程，從而為探討熔巖隧道的成因機制提供基本依據(jù).重點熔巖隧道特征如下.

(1)“地下熔巖瀑布”(4)(數(shù)字為調(diào)查隧道點號，見表1，以下同).

洞長約10 m，寬約8 m，高約2 m，瀑布坡度約60°，高差約1.5 m，走向與主熔巖流流向大致平行.洞內(nèi)有典型的熔巖瀑布地質(zhì)遺跡景觀，熔巖瀑布是熔巖流流淌過程中遇到陡坎或在雙層交叉熔巖隧道中、上層隧道中淌出的巖流切割沖破下層隧道壁時形成的，其表面聚集了熔巖流動的各種微地貌形跡(水流狀、辮狀、浪花狀、波紋狀、繩狀和象鼻狀等)(如圖2,c所示).

(2)“霧洞”

洞長約200 m，洞底到洞脊最高處約6 m，洞寬約18 m，走向與主熔巖流流向大致平行(如圖3 a所示)，洞內(nèi)巖石坍塌嚴重，未發(fā)現(xiàn)明顯熔巖微地貌形跡.

(3)“熔巖洞”

可測洞長約200 m，洞底到洞脊最高處約3 m，洞寬約10 m，其北端形成環(huán)形線路(如圖3b所示)，走向與主熔巖流流向呈一定夾角.洞頂可見倒 掛的熔巖乳，兩壁有規(guī)律的分布著1～3個連續(xù)水平的熔巖床、熔巖盤；底部是熔巖繩、熔巖花、熔巖波紋等，在熔巖床上還可見罕見的雞爪狀熔巖(如圖2b所示)；以及熔巖隧道雙層結(jié)構(gòu)(如圖2d所示).

(4)“新發(fā)現(xiàn)洞(25)”

洞長約80 m，洞底到洞脊最高處約2 m，大致由兩個叉洞構(gòu)成，走向與主熔巖流流向呈一定夾角(如圖3 c所示).洞內(nèi)熔巖床地貌景觀規(guī)模大且極為典型.

(5)“洞中洞”

洞長約60 m，走向與主熔巖流流向呈一定夾角，有些段落已經(jīng)成為塌陷溝(如圖3 d所示).洞內(nèi)有洞底麻花狀熔巖微地貌景觀、洞頂熔巖乳景觀(圖2, a)以及雙層結(jié)構(gòu)中的熔巖瀑布景觀(圖2, e)．

圖2 隧道內(nèi)熔巖微地貌特征 a．洞頂熔巖乳(洞中洞); b.熔巖隧道洞壁雞爪狀熔巖(熔巖洞); c.洞底繩狀熔巖(地下熔巖瀑布); d.熔巖隧道雙層結(jié)構(gòu)(熔巖洞) ; e.雙層洞中的熔巖瀑布(洞中洞) ; f.塌陷溝谷上的熔巖橋

(6)“神羊洞”

洞長約150 m，洞高約2 m，洞寬約6 m，走向與主熔巖流流向呈一定夾角(如圖3 e所示)，洞內(nèi)發(fā)育有熔巖乳景觀.

綜上，鏡泊湖熔巖隧道內(nèi)洞頂熔巖乳、洞壁熔巖盤以及洞底木排狀等熔巖微地貌景觀類型豐富，保存十分完整.

2.1.2 熔巖隧道分布特征

通過對約31.4 km2的熔巖流臺地調(diào)查后，共發(fā)現(xiàn)30余個有塌陷洞口的熔巖隧道(如圖3所示, 見表1)，并重點對“地下熔巖瀑布”、“霧洞”、“熔巖洞”、“新發(fā)現(xiàn)洞(25)”、“洞中洞”和“神羊洞”進行詳細的特征參數(shù)測量(如圖3所示)，發(fā)現(xiàn)一部分熔巖隧道位于熔巖臺地塌陷溝谷上[1-23]，與主熔巖流的流向近似平行，一般規(guī)模較大；而另一部分熔巖隧道分布在熔巖臺地塌陷溝谷的兩側(cè)[24～30]，與熔巖塌陷溝谷有一定的距離，一般規(guī)模較小，這部分熔巖隧道的走向與主熔巖流流向呈一定的夾角(如圖3所示).

a 霧洞; b 熔巖洞; c 新發(fā)現(xiàn)洞[25]; d 洞中洞; e 神羊洞圖3 熔巖隧道平面測量及節(jié)點剖面圖

調(diào)查點號 位置(大地坐標)調(diào)查點號位置(大地坐標)1468256489325416470567488506724683364891737174706954885052346834648917391847087448849094(地下熔巖瀑布)4682124891687194705654885067*5(霧洞南洞口)468305489125220471389488435564688504890243214728964883470746889348896542247326148832838469512488933123473397488314294699384887844*24(熔巖洞口)4700574885997104699584887049*25(新發(fā)現(xiàn)洞口)4697594886124114703614886252*26(洞中洞洞口)4732194883628124703604886258*27(神羊洞洞口)4748064883277134703104886212284721064884041144702864886195294732494883570154703194885192304731004883622

通過1∶5000比例尺地形測量以及1∶10000比例尺熔巖隧道專項調(diào)查，查清了熔巖塌陷溝的分布情況(如圖4所示)，同時發(fā)現(xiàn)，位于熔巖塌陷溝谷上的熔巖隧道是主熔巖流形成隧道塌陷的殘留部分，殘留較長的，即為熔巖隧道景觀；若塌陷嚴重，只殘留一小部分，即形成公園內(nèi)著名的“熔巖橋”地質(zhì)遺跡景觀(如圖2 f所示).因此，認為塌陷溝谷應(yīng)為熔巖流塌陷的主熔巖隧道.

圖4 塌陷熔巖隧道及主熔巖隧道分布圖

2.2 熔巖隧道形成機制探討

國外火山科學家對不同地區(qū)的熔巖隧道進行了形成機制的探討，將火山熔巖流由于周邊冷卻，內(nèi)部流空形成的熔巖隧道稱為“pyroduct”[27-29]，一般規(guī)模較大(高度較大)，該文稱“主熔巖隧道”，將氣體側(cè)向逃逸而形成的小型熔巖隧道稱為“Pressure Ridge Caves”[14]，一般規(guī)模較小(高度較小)，該文稱“氣洞”.

前人對夏威夷熔巖隧道[13]和澳大利亞北昆士蘭州Undara火山熔巖隧道[13]研究，提出以下熔巖隧道形成模式(圖5)：熔巖流出地表，其表層及底面首先固結(jié)，由于固結(jié)后的巖石導(dǎo)熱性極小，所以熔巖內(nèi)部保持高溫，因而具有流動性，這種流動熔巖如果沖破已固結(jié)的皮殼而流出，即可形成第二次熔巖流，并在原熔巖內(nèi)部形成空洞，即為熔巖隧道.鏡泊湖主熔巖隧道的走向與熔巖流的流向大致平行，且其規(guī)模較大，因此其形成適用于此種模式.

對于遠離主熔巖隧道的熔巖“氣洞”，前人也已經(jīng)提出相應(yīng)的成因模式：在熔巖流動的水平方向上，氣體沿巖流前進方向的切線方向不斷串通聚集，即向壓力低的方向逃逸，氣道延展方向與熔巖流動方向呈一定夾角.筆者實測的“熔巖洞”等熔巖隧道走向與熔巖流流向呈一定夾角，支持這一成因模式觀點[19, 30].

a.在河谷中流淌的熔巖流，邊緣遇冷首先開始固結(jié)，中心部分熔巖流繼續(xù)保持流淌狀態(tài); b.隨著邊緣熔巖流的固化，中間部分液態(tài)熔巖流趨于圓柱狀或管狀; c 隨著熔巖流供應(yīng)的減少，液態(tài)熔巖流不在能填滿整個管道，液態(tài)熔巖流上方燃燒著的氣體使得頂板的固結(jié)熔巖再次熔巖、下滴，形成熔巖乳; d 熔巖流供應(yīng)進一步減少，液態(tài)熔巖流平面也逐漸下降，最終形成熔巖隧道的底板.圖5 主熔巖隧道的形成模式[15]

3 結(jié)論

對鏡泊湖世界地質(zhì)公園全新世鏡泊近期玄武巖臺地熔巖隧道測量調(diào)查研究，得出以下結(jié)論：

(1)鏡泊湖熔巖隧道內(nèi)熔巖微地貌類型齊全、保存完整，具有極高的科研、旅游及科普宣傳價值；

(2)鏡泊湖熔巖隧道按成因分為兩種類型，一類為主熔巖隧道，此類熔巖隧道是熔巖流流淌過程中周邊遇冷首先凝固，其中心保持高溫液體狀態(tài)，繼續(xù)流空所致；另一類為走向與熔巖流方向呈一定夾角的熔巖“氣洞”，是氣泡沿熔巖流切線方向逃逸匯聚所致.

(3)鏡泊湖鏡泊近期熔巖臺地上的塌陷溝谷為主熔巖隧道塌陷形成的，即熔巖塌陷溝谷位置為主熔巖隧道位置.

致謝: 本文在野外調(diào)查過程中得到了鏡泊湖風景名勝區(qū)自然保護區(qū)管理委員會付崇華和李永坤的幫助，在書寫過程中獲得了黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院胡君生的有益討論，在此深表謝意.

參 考 文 獻

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