火山泥石流动力学及灾害研究

万 园

（中国地震局地质研究所，北京100029）

（作者电子信箱，万园：wanyuan＿1980＠163.com）

火山泥石流是最重要的火山爆发次生灾害，其活动性最大，影响范围最广，从而造成灾害范围最大。长白山天池火山千年大喷发火山泥石流灾害范围分布广泛，是国内火山泥石流领域的重要研究对象，天池蓄水量20.4亿m3，而且天池火山每年积雪、积冰较厚且时间较长，因此，长白山天池火山一旦再次爆发，火山爆发时极有可能引发火山泥石流，在距天池火山口50多千米处就有聚居5万多人口的二道白河镇，次生火山泥石流灾害对生命财产造成巨大威胁。

前人研究表明，赤峰期火山泥流堆积物主要分布于松花江中上游、近火口处和二道白河两岸，鸭绿江西岸、图们江流域也发现有千年大喷发火山泥石流，前人对其分布范围、地层层序、沉积环境等进行研究，但未综合建立火山泥石流相模式；且尚未有专题的灾害区划。

针对上述问题，本文通过分布特征、粒度特征、显微形貌特征、年代研究以及堆积特征研究等方面综合建立天池火山泥石流相模式图，并且在此基础上完成天池火山泥石流灾害区划图，从宏观及微观上综合进行火山泥石流动力学及灾害学研究。并且利用相同方法对缅甸兰里岛泥火山灾害及成因机制进行研究。

1 研究内容

（1）通过长白山天池火山的构造背景、环境地质背景以及气候条件等综合探讨天池火山泥石流的潜在形成危险。

（2）对历史火山泥石流堆积物进行地层学、沉积学和流体力学研究，综合建立天池火山泥石流野外剖面序列，分析其各项特征。

（3）通过对野外剖面序列的横向及纵向粒度特征分析、显微形貌及特征分析、成分分析、形成年代研究以及堆积机制研究等，综合建立天池火山泥石流相模式图。

（4）以天池火山地貌TIN 和DEM 图为基础，通过野外剖面序列中总结出的模拟参数，对天池火山泥石流进行数值模拟，计算不同喷发规模的火山泥石流灾害分布范围，建立火山泥石流综合灾害区划，综上，从宏观及微观角度对火山泥石流进行动力学及灾害学研究。

（5）利用相同研究方法对缅甸兰里岛泥火山进行粒度分析以及显微形貌特征研究，分析其成因机制，探讨泥火山灾害。

2 研究方法

（1）综合考察长白山天池火山泥石流野外分布情况，沿二道白河、图们江、鸭绿江以及头道白河流域研究千年大喷发火山泥石流堆积物的分布特征，其中二道白河流域为主要研究对象，建立二道白河流域以及图们江流域的野外剖面序列。

（2）根据野外剖面序列堆积物特征系统按照近缘火山泥流相、中缘过渡流相以及远缘超高密集流相火山泥石流研究其空间分布特征、地层构造特征、沉积学、流体力学等特征。

（3）对野外样品碎屑进行粒度分析、显微形貌分析、形成年代分析以及堆积机制研究，从宏观微观两个角度综合建立火山泥石流相模式。

（4）基于天池火山1：25万DEM，根据野外实测参数，对天池火山泥石流进行数值模拟，根据不同体积阈值预测再次发生火山泥石流灾害的可能分布范围，综合建立火山泥石流灾害区划。

（5）使用相同方法应用于缅甸兰里岛泥火山研究，对其采样样品进行粒度及显微形貌特征分析，确定其成因机制及灾害研究。综上，对天池火山泥石流进行宏观微观两方面的动力学、流体力学、堆积特征和地质特征几方面综合研究，确定火山泥石流的动力学方式及灾害区划，并将其研究方法应用于泥火山灾害研究。

3 主要结论

本篇论文主要从分布形态、搬运堆积特征、粒度分析、显微形貌分析、形成年代以及堆积特征六个方面对长白山天池火山千年大喷发所产生的火山泥石流灾害进行研究，在此基础上建立了天池火山泥石流相模式图，并根据野外数据所得参数结合LAHARZ对天池火山泥石流进行数值模拟，建立了天池火山泥石流灾害区划图，并利用相同方法对缅甸兰里岛泥火山灾害进行研究。本次研究主要有以下结论：

（1）火山泥石流的物质成分主要包括三个部分，一是长白山天池火山千年大喷发所产生的岩屑。二是长白山千年大喷发所产生的大量的浮岩和火山灰。三是古河道堆积物。

火山泥石流野外序列的搬运堆积机制与特征主要从时间和空间两方面考虑，时间上在火山泥石流喷发前期，物源与降水充足，条件具备，易于形成大规模的火山泥石流。此时，火山泥石流的搬运能力强，岩屑等裹挟着古河道大砾石等迅速移动，堆积过程为杂乱堆积，分选较差，由于搬运距离长具有一定的磨圆，但由于堆积物被后续发生的泥石流冲刷改动，残余较少，堆积在特殊位置如河道转弯处，水动力条件的迅速变化，往往形成厚层块状层理较弱的堆积物。而随着搬运距离的加长，势能与动能的减小，携带的堆积物慢慢沉降堆积。随着火山喷发规模的减少和时间的推移，泥石流的发生也将大量的火山喷发产物搬运殆尽，在物源和降水相对不足的条件下，规模变小，搬远堆积能力变弱，主要搬运物质为火山灰和浮岩碎屑等。

在空间分布上，随着火山泥石流搬运距离的增长，其能力也逐渐减弱，堆积的粒度由粗到细，堆积物的厚度逐渐变薄，火山泥石流除淹没主河道外，同时向外扩展，使河道加宽。在堆积物方面，距离主河道越远，堆积物的粒度越细，分选性相对越好，层理也更加明显。而主河道内，主要堆积密度大的岩屑流，层理上以强水动力条件下形成的平行层理为主。

（2）长白山天池火山千年大喷发所产生的火山泥石流灾害沿松花江、图们江以及鸭绿江流域广泛分布，其中，由于二道白河直接源于天池经U 型谷流出所形成，因此二道白河流域的火山泥石流灾害尤为严重。二道白河流域火山泥石流灾害起源区为二道白河镇附近，距天池火山口40余千米，二道白河镇至前江、二道江、水田村一带为近缘火山泥流灾害带，其特征为混杂堆积地层、无明显粒序性，无明显层理，碎屑含量以岩屑为主，含有部分灰白色及灰黑色浮岩颗粒，碎屑多呈棱角状、次棱角状，磨圆较差，成分含量以Si、Al为主，由于水动力条件较强，速度较快，因此分选较差混杂堆积。水田村至两江一带为中缘过渡流相火山泥石流灾害，其特征为近水平堆积地层、有一定的粒序性但由于为过渡流相会呈现逆粒序性，有一定层理，碎屑含量以岩屑为主，浮岩含量明显增多，有些呈透镜体，尖灭再现，碎屑多呈次棱角状、次圆状，磨圆度较好，成分含量以Si、Al、Na为主，由于水动力条件减弱，速度减缓，有一定的沉积环境，因此呈有一定的分选的近水平堆积地层。两江以远为远缘超高密集流相火山泥石流灾害带，其特征为水平堆积地层，有一定的粒序性，有明显的层理，含量大量灰白色浮岩颗粒，碎屑多呈近圆状，破碎程度强，成分含量以Si、Al、Na、K 为主，由于水动力条件很弱，速度缓慢，因此分选很好近水平堆积地层，含大量浮岩富集带，其搬运可能由多次形成。而图们江流域与鸭绿江流域由于不直接源于天池火口，有部分火山泥石流灾害，但是不如二道白河流域发育，究其原因是由于暴雨冲刷松散堆积的火山碎屑流灾害，而非直接由千年大喷发或者天池水引发，所以灾害程度较轻，但是也发育有火山泥石流灾害，因此在未来的火山泥石流灾害预防当中，二道白河流域也是主要灾害发育带，要更加加强灾害预警措施。

（3）利用LAHARZ结合所选定的各项最佳阈值沿长白山地区选定的易发火山泥石流的4条河道依据不同喷发体积梯度值模拟出的展布范围分别为：沿二道白河最远流距约为100km，约可到达沿江乡；沿松花江最远流距约为130km，可到达榆树镇；沿鸭绿江最远流距约为80km，可到达金华乡；沿图们江流域最远流距约为120km，可到达南坪镇。因此，可根据不同梯度体积阈值将火山泥石流未来可能的火山泥石流灾害区域按照不同的灾害等级划分4个灾害带，其覆盖半径依次约为40km、70km、80km、100km，其中火山泥石流危险等级最高的灾害区域为距火口半径40km，为灾害重点防范区域。

（4）对缅甸兰里岛泥火山灾害与成因机制进行部分研究，通过对缅甸兰里岛泥火山采样点喷发物的粒度特征以及显微形貌特征研究，可推断兰里岛泥火山为非爆炸式喷发，喷发强度弱，凝固时间短，灾害效应不强烈；但泥质层的存在容易造成滑塌。并且缅甸兰里岛泥火山喷发物为均一物源，据此推测在兰里岛存在均一泥质层构成的泥浆囊作为岛内泥火山喷发的统一物源。

4 创新点

在研究过程，主要有以下3点创新：

（1）本论文首次对长白山天池火山泥石流灾害综合研究，通过对其分布范围、粒度特征、显微形貌特征、形成年代以及堆积机制等方面研究综合建立天池火山泥石流相模式图，区分近缘火山泥流、中缘过渡流以及远缘超高密集流的分布范围、分布特征及堆积特征，通过综合特征的判定推断其形成原因、形成条件、堆积机制等，对二道白河近缘、中缘、远缘水动力条件、堆积特征、成分特征、显微形貌特征以及粒度特征进行多方面综合研究，结合其河流发育条件提出二道白河流域为火山泥石流灾害高发带，并对鸭绿江、图们江流域火山泥石流进行了综合研究。

（2）在野外采样基础上，确定火山泥石流模拟的各项参数，在此基础上，基于二道白河、鸭绿江、图们江以及头道松花江四条火山泥石流高发河道，设定不同的灾害体积值对火山泥石流灾害进行模拟，划分4条河道的灾害等级范围，首次综合建立长白山天池火山灾害区划图。

（3）通过对缅甸兰里岛泥火山灾害喷发物的粒度分析研究以及显微形貌研究，结合该区区域地质背景，综合确定兰里岛泥火山成因机制与灾害研究，推断出在兰里岛存在均一泥质层构成的泥浆囊作为岛内泥火山喷发的统一物源，并且为非爆炸式喷发，喷发强度弱，凝固时间短，灾害效应不强烈。