腾冲打鹰山、马鞍山、黑空山熔岩流动方式

赵勇伟 樊祺诚 李 霓 刘 贵 张柳毅

(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)

0 引言

在大陆板内火山机构中，熔岩流是最常见的火山产物之一，其分布面积和体积都占据着火山产物的主体。熔岩流常常可以流动数km至数十km的距离，成为一种重要的板内火山喷发灾害类型。因此，对熔岩流的成因剖析一直是火山学研究的重要组成部分。现代地质学对熔岩的研究从夏威夷火山起步，根据地质地貌特征将熔岩流分为渣状熔岩(aa)和结壳熔岩(pahoehoe)2种主要类型。结壳熔岩表壳平滑，形成直径约数m的龟裂状大块。渣状熔岩由表面崎岖不平的破碎松散的渣状玄武岩角砾或集块构成，常形成石塘林和石海等景观。前人从现代火山喷发过程中观察熔岩流动方式和过程，并在此基础上建立一系列数学模型进行模拟，以预测未来火山喷发中熔岩流的灾害范围(Walker 1971;Pieri et al.，1986;Kilburn et al.，1988;Crisp et al.，1990;Kilburn et al.，1991;Walker et al.，1993;Self et al.，1996)。前人的研究为我们了解熔岩流的运动方式和过程提供了重要的指示意义。然而作为一种复杂条件下的特殊流体，熔岩流动方式除了受其本身物理化学特性控制外，还受外界各种环境因素影响，呈现多种多样的变化。这意味着只有详细调查某一地区熔岩流的特定的流动方式才有可能建立适合的数学模型进行模拟和预测。

腾冲地区是中国著名的火山区，在考察其中的打鹰山、马鞍山和黑空山时，我们发现其中存在一些熔岩流的地质地貌特征与传统的结壳熔岩和渣状熔岩不相符。这种差异反映出这些熔岩流在流动方式上与夏威夷地区火山熔岩流可能有区别，因此有必要重新审视这里的熔岩流。本文以上述3座火山的熔岩流为研究对象，通过剖面分析、显微形貌分析等手段，推测其成因过程，研究其流动方式。由于这3座火山喷发时间最晚，因此研究它们的熔岩流对预测未来火山喷发过程中熔岩流动方式与灾害范围有重要指示意义。

1 区域地质背景

腾冲地区在大地构造位置上处于印度板块与欧亚板块碰撞带的东北侧，青藏高原的东南缘，保山地块及高黎贡大型右旋走滑断裂带以西，东缅地块及密支那缝合带以东。在腾(冲)-梁(河)断陷的北部，数十座火山以腾冲盆地为中心展布，火山岩面积约900km2，主要是第四纪火山活动的产物(图1)。

腾冲火山区新生代以来火山活动强烈。由于其火山产物保存完好，特殊的构造背景以及潜在的喷发性等原因，20世纪80年代以来众多学者对其相继开展了包括岩石地球化学和火山地质学的研究(朱炳泉等，1983;赵崇贺等，1992;姜朝松，1998a，1998b;周真恒等，2000;樊祺诚等，2001)。

2 火山机构特征

腾冲火山岩的年代学研究把打鹰山、马鞍山和黑空山归入最晚的喷发期次，即晚更新世晚期或全新世(梁卓成等，1985;穆治国等，1987;刘若新，1992;夏明等，1995;王非等，1999;李大明等，2000)。在腾冲火山区中，这3座火山的火山锥和火山口保存最为完整，熔岩流之上风化层较薄，许多熔岩裸露，保持了最新喷发火山之地貌特征。

打鹰山位于腾冲火山区中部，是区内海拔最高的晚第四纪火山，海拔高度达到2 614m。地理坐标 25°7′54.61″N，98°26′49.59″E，熔岩流覆盖面积约 26km2。其火山锥由碎屑锥和熔岩锥构成，锥底直径约800m，锥体高度约200m。打鹰山火山机构中包括多个火口(图1 c)，由于这些火口分布范围集中，其熔岩流地表特征及风化程度都相近，因此我们认为所有火口的熔岩来源于一个主岩浆通道。打鹰山众多火口中都有过熔岩溢出，尤其是外围的火口溢出的熔岩沿着狭窄的沟谷顺地势流动，可以延伸数km之远。打鹰山最西侧的熔岩在高桥附近，距主火山锥直线距离有6km，熔岩实际流动距离可能达到10km。

马鞍山位于腾冲县城西部，地理坐标25°1′4.06“N，98°25′44.06”E，熔岩流覆盖在第四纪河流沉积物之上，覆盖面积达31km2。马鞍山火山锥是由火山碎屑构成的碎屑锥，锥底直径约800m，锥体高度约130m。熔岩以火山为中心向四周展布，其中向SW方向熔岩流直线延伸距离最远，达4.8km，这有可能与马鞍山西侧石头山附近另一个熔岩溢出中心有关(图1 d)。

黑空山位于火山区北部，与大空山、小空山等火山呈SN向排列。地理坐标25°13′50.60″N，98°30′0.69″E，熔岩流覆盖面积约27km2。锥底直径约600m，锥体高度约120m。其火山锥主要由火山碎屑构成，主火山锥上有2个明显的火山口，在主锥北约580m的距离上坐落着另一个较小火山锥——燕子山。黑空山的熔岩流主要向西、北、东3个方向流淌，向西流至三联村附近，直线延伸距离约2.5km;向北流至小团山附近，直线延伸距离约6km;向东流至龙川江灰窑附近，直线延伸距离约7.7km(图1 b)。

图1 腾冲火山地质图Fig.1 Geological map of volcanic field in Tengchong.

3 熔岩流地质特征

现代火山学家根据夏威夷熔岩流表面地貌特征将其分为结壳熔岩(pahoehoe)和渣状熔岩(aa)2种主要类型。结壳熔岩是指平滑的，没有破碎的熔岩，它的表面常龟裂成数m直径的不规则片状，常见拉伸的气孔。结壳熔岩之下常见熔岩隧道和熔岩塌陷坑。典型的结壳熔岩以小的熔岩管或熔岩舌形式前进，表层冷却固结成壳，有效地阻止其下熔岩散失热量，使其能够继续以塑性流动。结壳熔岩在流动过程中随着结晶增加黏度增大可以转变为渣状熔岩，但是渣状熔岩不能转变成结壳熔岩。结壳熔岩刚形成时岩体表层为固态而其下仍为塑性，形成熔岩流动的通道，完全冷却固结后，由于熔岩通道中空，所以常因重力作用垮塌形成熔岩塌陷坑。渣状熔岩是指松散的，破碎的，表面尖棘丛生的熔岩流，在其上行走困难。崎岖的表面之下是连续而致密的熔岩，占总厚度60%，这是熔岩流中最活跃的一部分。由近源到远源，熔岩流逐渐变厚，熔岩流前端常超过10m(Wadge 1978;Guest et al.，1987;Kilburn et al.，1991)。结壳熔岩和渣状熔岩的表面地貌特征所反映的流动方式的差异是这2种熔岩类型的本质区别。

夏威夷火山熔岩中SiO2含量在45%～52%，属基性的玄武岩(Macdonald et al.，1964)。与之不同的是，腾冲火山岩SiO2在52%～65%，属于中酸性火山岩，其中马鞍山和黑空山火山岩SiO2含量约58%，属粗安岩，而打鹰山火山岩SiO2为61%～64%，属粗安岩-粗面英安岩(赵勇伟等，2010)。因此，本文最为关注的问题是:前人阐明的基性熔岩中的结壳熔岩和渣状熔岩的流动方式是否适用于腾冲地区的中酸性熔岩?腾冲熔岩流有怎样的流动方式?

3.1 打鹰山熔岩

打鹰山火山约有8个火口，除主锥附近的几个主火口外，在火山外围还有约7个副火口。大量熔岩流从这些火口中溢出，沿地势向四周流动。在有河流处，这些熔岩流常侵占河道，沿河道流动约10km之远。熔岩的线性流动特点明显，一支熔岩流宽度大多不过100m，但纵向线性延伸数km之远。在打鹰山熔岩剖面中有2种最具有代表性，一种是层状熔岩，另一种是管状熔岩。

层状熔岩剖面中通常能见到3～4层熔岩，各层熔岩之间是由携带的火山角砾和熔岩表面自碎的角砾构成的断续分布的碎屑层(图2 a)。这类剖面出现于距火口不远的火山斜坡位置，推测这种层状熔岩是熔岩流在黏度高的情况下，借助重力顺火山斜坡向下流动，熔岩流最前端冷却固结，后面的熔岩流逐层向上覆盖叠加而成。熔岩流流动过程中，顶部冷却形成的角砾在岩流前端滑落，被后续熔岩覆盖，形成层状熔岩间的碎屑层。这种熔岩流流动距离不远，显示出粗面英安质熔岩的高黏度对熔岩流的影响。

图2 打鹰山熔岩流特征Fig.2 Lava flows in Dayingshan.

管状熔岩剖面出现于打鹰山东侧的副火口溢出的熔岩流中(图2 b)。这种剖面的走向与熔岩流的线性延伸方向(即熔岩流动方向)相垂直，剖面呈现似洋葱的同心环状主节理，空间上形成鞘状节理，其所分割开的每层熔岩中都含有大量平行于环状节理的微节理(图3)。愈向管状熔岩的核部，这种节理愈不明显。这类剖面出现于距火口相对较远、地势较平坦的位置。根据这种独特的管状熔岩剖面，推测熔岩是以管状向前流动。熔岩的边部首先冷却固结，但核部熔岩仍维持高温塑性，在后续熔岩的挤压下，核部熔岩向前流动。这种由外向里的差异固结造成同心环状主节理。由于熔岩管中的熔岩一边固结，一边持续受到后面熔岩挤压产生平行管道的剪切，因此形成平行熔岩剪切方向的小型微节理。越靠近管状熔岩的核部，这种剪切越弱，因此节理减少，形成致密的熔岩。

图3 打鹰山管状熔岩剖面图Fig.3 Section of lava pipe in Dayingshan.

3.2 马鞍山熔岩

马鞍山熔岩流覆盖在先期形成的老龟坡火山熔岩流以及明朗河第四纪河流的沉积物上，熔岩流之上植被发育，森林茂盛，熔岩流的坡度在5°左右。由于后期的采石和修路，马鞍山熔岩流中有许多人工采挖剖面，成为了解马鞍山熔岩特征的理想场所。马鞍山熔岩流具有以下特点:整体上呈面状，似打鹰山熔岩流那样的线性延伸的熔岩流比较少见;熔岩流不连续，表面多断陷得支离破碎;断陷的剖面上观察到大量熔岩隧道。

尽管马鞍山火山岩属粗面岩，与夏威夷玄武岩有着显著的成分差异，然而在勘察马鞍山熔岩流过程中，发现多处表面平坦的结壳状的熔岩流(图4 a)，其中气孔拉伸线理明显，在其剖面上结壳状构造明显(图4 b)，呈现多层结壳叠加的现象，熔岩隧道和隧道塌陷普遍出现(图4 c)。所有上述均符合典型的结壳熔岩的特点。尽管存在火山岩成分上的差异，但马鞍山粗安质熔岩与夏威夷玄武质熔岩在流变学特性上没有本质差别，只是粗安质熔岩具有相对较高的屈服强度和黏度，因而形成的结壳层厚于玄武质熔岩。从流动方式上看，马鞍山熔岩仍属于结壳熔岩。

在马鞍山熔岩剖面中，顶部常见5～8层致密熔岩的结壳层叠加在一起，层与层之间出现许多空腔，其中多发育熔岩刺，这些证据表明熔岩流经历了一个由上向下增生的过程。熔岩流顶部最先冷却形成最上层的熔岩结壳，其下熔岩仍处于塑性流动状态，当这些高温熔岩冷却时，又在熔岩表层形成结壳，该层结壳在空间上处于最早形成的结壳的底部，两层壳体之间是不连续的空腔。由于每层结壳形成时，结壳底面与高温塑性熔岩相邻，在高温烘烤下结壳底面垂直向下生长熔岩刺，因此在空腔中残存有大量这种成因的熔岩刺(图4 d)。只有在这种由上向下逐渐冷却、逐步增生的形成方式下，顶层熔岩与底层熔岩才可能有空腔存在，并长时间维持高温状态，以便熔岩刺在空腔内的生长。

马鞍山熔岩流的另一个特点是，表层平坦的熔岩壳层经常不连续，支离破碎，但在最底部常见厚层火山渣块分布(图4 e)。根据之上所述熔岩由上向下生长的过程，推测底层的火山渣块是熔岩流最晚期的产物，即最晚固结的(最底部的)熔岩流形成渣状熔岩。在结壳层底面和火山渣块之间存有许多空腔，其中也发育大量熔岩刺(图5)。在世界各地火山熔岩流中，这种渣状熔岩“底侵”结壳熔岩的现象不多见，我们认为正是晚期的渣状熔岩破坏了马鞍山结壳熔岩的整体性，由于渣块较为松软，不能支撑顶部厚层致密熔岩的重量，造成熔岩隧道频繁垮塌，形成“千沟万壑”的地貌。

图4 马鞍山熔岩流特征Fig.4 Lava flows in Maanshan.

3.3 黑空山熔岩

在勘察黑空山熔岩流过程中，发现2类典型剖面。第1类熔岩剖面中顶部和底部都有火山渣块，中部是占总剖面体积60%以上的致密熔岩(图6 a)，与夏威夷渣状熔岩具有相似的特点。推测这种熔岩前进的主要动力来自于底部的致密熔岩层。当熔岩流顶部冷却自碎成火山渣块时，底部仍是高温塑性的熔岩，驼着顶部的渣块前进。在熔岩流的最前缘熔岩斜坡上，松散的渣块跌落到地面，被运动的熔岩覆盖后形成熔岩流底部的渣层。由此形成熔岩流顶底双层渣块的结构。

第2类熔岩剖面中，主体都是由火山渣块组成，其中主要是大粒径的火山块和火山砾，还包含少量呈条带状透镜状的致密熔岩，常见火山渣块被重熔拉伸(图6 b，c，d)。这种熔岩常见的位置是在黑空山熔岩流远源尽头处，空中俯视形如弧形条带，剖面产状如同波浪起伏(图7)。根据这种熔岩剖面产出于熔岩流的最远端，推测这是熔岩流行进过程中在最前端推挤聚积起的自碎的火山渣块。

图5 马鞍山熔岩剖面图Fig.5 Section of lava in Maanshan.

图6 黑空山熔岩流特征Fig.6 Lava flows in Heikongshan.

尽管黑空山粗安质熔岩与典型的夏威夷玄武岩不同，上述第1类熔岩剖面较好地符合火山学家对渣状熔岩的特征认识，因此认为这种黑空山熔岩属于渣状熔岩。第2类熔岩的物质组成与火山渣锥相近，颜色都呈紫红色和砖红色，因此二者在很多情况下容易发生混淆，从而引起对岩相和火山机构的判断错误。我们通过归纳野外特征，总结出这种熔岩流与火山渣锥有3个重要的区分依据:1)空间上的产状:前者是呈带状的隆起，常集群出现，而后者呈独立的锥形或半月形，常独立出现或2～3个集中出现;2)在手标本上，前者密度大，气孔少，而且气孔常被挤压成不规则的形状，而后者气孔含量多，气孔多呈圆形或椭圆状;3)在剖面上，前者在底部常出现厚层的带状透镜状致密熔岩，而后者剖面中致密熔岩以熔岩饼和稳定的连续性较好的薄层熔岩为主。

图7 黑空山远源熔岩剖面图Fig.7 Section of distal lava from Heikongshan.

4 熔岩流动模式

根据对上述3座火山详细的地质调查和剖面观察，它们的熔岩有着各自的特点。打鹰山的熔岩以致密熔岩为主，熔岩流既有一般的层状流动，又可从管状通道中流动。其中管状熔岩流动距离相对较远，引起我们的重视。马鞍山熔岩顶层是结壳熔岩，底层为厚层火山渣块构成的渣状熔岩。黑空山熔岩在火口近源处和中源出现典型的渣状熔岩，即顶底为2层火山渣块，中部为厚层致密熔岩，而在远源处为火山渣块构成的带状隆起。

由此可以建立研究区内火山熔岩流动的3种模式。第1种为管状流动(图8a)。黏度较高的熔岩(如打鹰山粗面英安岩)在流动时具有较高的屈服强度，造成熔岩流厚度大，不易横向扩散。在特殊环境下，如狭窄河道中，熔岩流横向流动更受到地形限制。熔岩在纵向流动过程中温度逐渐降低，其散热方式以表层的热辐射和热传导为主，因此熔岩管道中的温度由核心向表层温度递减，当表层冷却固结时，管道中的塑性熔岩继续前进。管状流动的熔岩以这种方式在向前运动过程中由表及里逐渐固结。

第2种为“底侵”式流动(图8b)。在火山喷发初期，溢出的熔岩中挥发份较多，黏度较小，熔岩的溢出率较小。熔岩在面状流动过程中，表层熔岩与空气接触传热以及向外热辐射，这种过程造成熔岩由底部向表层温度递减，因此表层熔岩率先固结形成结壳熔岩，而底部仍有火山喷出的高温熔岩源源不断地注入，熔岩通道维持塑性流动状态，随着熔岩进一步冷却，在先期形成的熔岩壳层之下又增生新的壳层。这种向下增生的过程是“底侵”式流动的最大特点。随着火山喷发的继续，熔岩中气体含量剧增，气液混合相高温熔体从结壳熔岩之下的熔岩通道中流动。由于表层结壳熔岩的包裹，通道中熔岩热量不易散失，长时间保持高温熔融状态。另一方面，在密封条件下，塑性熔岩在压力下气液混合相得不到充分分离，因此逐渐固结形成渣状熔岩。这种渣状熔岩“底侵”结壳熔岩的现象也是一种较为罕见的熔岩流动模式。

图8 研究区熔岩流动模式图Fig.8 Model of lava flows in Tengchong.

第3种为层状流动(图8 c)。从火口处喷出的富含气体的熔岩在流动过程中，气体不断溢出，顶部由于热传导较快先冷却，同时内部结晶也逐渐增多，这时黏度会相应地大大增加，在熔岩的顶部和边缘逐渐形成固态凝块，最终形成由不规则的尖角状熔渣碎块构成的火山角砾，表层的尖角碎石被内部塑性熔岩裹挟前进，在熔岩流前缘的熔渣角砾就会沿前缘斜坡掉落在前面，而后面继续前进的熔岩则将其覆盖(Schmincke，2004)，造成熔岩的顶部和底部都是角砾。在打鹰山层状熔岩中，由于熔岩本身黏度大、运动距离近，造成熔岩呈层状由下向上叠加。而黑空山熔岩黏度相对较小，内部的塑性熔岩向前推挤着已经固结的刚性火山渣块流动数km，这些渣块在熔岩流前进过程中不断聚集，以致熔岩最终停止运动时在熔岩流的最前端集中了大量的火山渣块，形成垂直于熔岩流动方向的条带状隆起。

5 讨论

5.1 影响熔岩流动模式的因素

(1)喷发率:许多学者在研究现代火山喷发时发现，喷发率对熔岩流的类型及最大流动距离起着关键影响作用(Walker et al.，1973;Wadge 1978)。体积喷发率低时(＜20m3/s，以夏威夷火山为例)，熔岩流表层迅速冷却固结形成结壳，从而限定熔岩流只能沿特定方向流动，倾向于形成体积较小的单元，每个单元中熔岩流(除了那些在壳下继续流动的熔岩流)在冷动之前变为静止。与之相比，熔岩流在高体积喷出率下(＞20m3/s)变为渣状熔岩，它在地表移动速度很快，在冷却之后继续流动。如果表壳被其后续熔岩流破坏，下面的熔岩的黏度和屈服强度太大，以致不能修复破损，从而由重复撕裂形成表层棘刺状熔结在一起的碎块，变为渣状熔岩。马鞍山熔岩中发育结壳熔岩，这说明火山喷发早期熔岩的喷发率可能较小，以“底侵”式流动方式为主，后期喷发率增大，形成最底层的渣状熔岩，推测在此渣状熔岩出现过层状流动。而黑空山火山喷发可能喷发率较大，最终熔岩以渣状熔岩层状流动为主。

(2)化学成分:打鹰山、马鞍山和黑空山虽然都是腾冲地区最晚期火山，但有着不同的地球化学组成特征。打鹰山熔岩属于粗安岩-粗面英安岩，黑空山和马鞍山属粗安岩(皇甫岗等，2000;赵勇伟等，2010)。黑空山和马鞍山SiO2含量相对较少，熔岩更容易形成平缓的面状层流，从而在表层形成结壳熔岩。而打鹰山熔岩明显比黑空山和马鞍山熔岩SiO2含量更高。这造成打鹰山熔岩在相同温度下黏度远高于其他2座火山的熔岩，熔岩流不能以层流的形式呈面状流动，也不能“底侵”式流动，而只能以宾汉流体(Bingham fluid)的形式呈管状流动(Kilburn，1981)。

(3)气体含量:打鹰山熔岩中总体上气孔含量很少，这在一定程度上加大了熔岩的黏度。而在马鞍山和黑空山大量的火山渣块中富含气孔和气囊，可以在塑性状态下降低熔岩的黏度。鉴于研究区内渣状熔岩与结壳熔岩在微观构造上最大的区别就在于气孔含量的差异，因此有理由推测熔岩中的气体可能是决定熔岩类型的关键影响因素之一。

5.2 对未来的火山灾害的启示

由以上分析可知当火山喷发具有较低喷发率、较高SiO2含量、较低的气体含量时熔岩更可能以结壳熔岩管状流动形式溢流。而当火山喷发具有高喷发率、较低SiO2含量、较高的气体含量时熔岩多以渣状熔岩和面状结壳熔岩被渣状熔岩“底侵”的形式溢流。从打鹰山的例子看，管状熔岩流动如果发生于地势较高的地方，常会沿地形从山谷或河流谷地中流动，其运移距离可以达到10km之远。因此如若发生类似火山喷发，在火口10km范围内处于河谷附近地势较低的村寨会面临较大危险。而如果发生如马鞍山、黑空山形式的喷发，熔岩常会以面状向四周延伸，流动距离约在8km之内。从熔岩流速度方面考虑，打鹰山形式的管状流动熔岩流具有较高的黏度，因此流动速度相对较慢。而马鞍山和黑空山具有较高的喷出率，熔岩的黏度较小，因此可能具有相对高的流速，尤其是在马鞍山式的结壳熔岩-渣状熔岩的情况下，渣状熔岩在熔岩结壳之下处于气液混合状态，黏度更小，因此流速可能比传统的结壳熔岩和渣状熔岩更快，应当引起火山灾害防御的足够重视。

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