镜泊湖世界地质公园熔岩隧道分布特征及成因*

詹 涛, 张海燕, 张 俊,李 峨,李 学,王清云, 王铠铭, 刘雪丹,王 鹤

(黑龙江省第二水文地质工程地质勘察院)

0 引言

火山喷发的熔岩流对所及的生物、建筑物等的摧毁是火山喷发造成重要灾害之一[1]，而熔岩隧道是熔岩流的直接产物，在火山熔岩流地貌的形成过程中扮演重要角色[2].研究熔岩隧道的地貌特征以及成因对于认识火山熔岩流地貌、火山灾害乃至火山地质公园地质遗迹的保护[3-4]和科普宣传具有重要意义.

国外火山、地质学家对意大利Etna火山[5-7]、美国Hawaii火山[8-10]、韩国济州岛[11]、以及冰岛火山[13]等地的熔岩隧道做了大量研究，取得了包括隧道与熔岩流关系[6]、隧道形成机制[13-15]、隧道内生物[16]、隧道地球物理方法应用[17-18]等学术成果.然而，对中国火山区熔岩隧道的研究却相对薄弱.盛中方等[19]对镜泊湖熔岩隧道做过初步的调查研究.英国学者伍德和张海燕[20]、陶奎元[21]对海南省雷琼火山、黑龙江省五大连池及镜泊湖熔岩隧道做了简要总结，然而只是对熔岩流台地中形成的个别隧道做了地理位置、形态特征方面的报道.

镜泊湖世界地质公园火山熔岩流台地面积广大，约500 km2，在公园东北部镜泊近期熔岩台地上已经发现数个规模不等的熔岩隧道，是研究熔岩隧道形成机制的理想场所；另外，该区熔岩隧道是镜泊湖世界地质公园一类非常重要的地质遗迹，对其开展深入研究，挖掘其科研、旅游价值，将会大大提高公园的地学科普宣传力度.过去的研究[19, 23]虽已对个别有塌陷洞口的熔岩隧道进行了调查，并分析了其可能的形成机制，但限于当时的经济、技术条件，并未探明熔岩隧道具体分布特征及不同分布特征隧道的形成机理，仍需开展更为细致的调查，以进一步获得该熔岩隧道的详细地貌特征，并分析熔岩隧道的成因，从而为更好的保护隧道地质遗迹和科普宣传提供理论依据.

该文通过地形测量、专项调查等手段，对镜泊近期熔岩台地熔岩隧道进行详细调查研究，查清熔岩隧道的分布特征，并对其形成机制进行初步探讨，并根据其不同形成机制对已发现熔岩隧道进行分类评价.

1 区域地质及研究方法

1.1 区域地质概况

镜泊湖世界地质公园位于黑龙江省宁安市南部(如图1所示)，公园内有早更新统玄武岩、中更新统玄武岩、和全新统玄武岩.全新世火山包括5个火山喷发中心，分别为“火山口森林”、“大干泡”、“五道沟”、“迷魂阵”和“蛤蟆塘”，每个火山喷发中心2～4个火山口，共12个，该研究镜泊湖熔岩隧道地质遗迹是“火山口森林”喷发中心火山在距今5200～5500年前喷发形成的[24]，位于全新统玄武岩台地内.

图1 研究区地理位置及区域地质简图(据文献[18, 19]修改)

1.2 研究方法

专项调查：调查线路间距100 m，采用设备有GPS、照相机等，对30个熔岩隧道塌陷洞口进行精准定位，拍摄隧道内熔岩微地貌及隧道外地貌特征照片200余张.

测量方法：首先进行控制测量，然后进行细部测量，测量设备采用中海达RTK(型号5800G)，对熔岩台地地形及塌陷沟谷进行详细分布测量，测量面积31.4 km2；由于洞内接收不到卫星信号，为此采用索佳SET230RK3型全站仪对地下熔岩瀑布、雾洞、熔岩洞、新发现洞(25)、神羊洞和洞中洞进行测量.该仪器主要利用光学原理进行位置、角度和距离的测量.

2 结果与讨论

2.1 熔岩隧道特征及分布

2.1.1 熔岩隧道内部特征

依据熔岩隧道内部特征能够恢复熔岩隧道的形成过程，从而为探讨熔岩隧道的成因机制提供基本依据.重点熔岩隧道特征如下.

(1)“地下熔岩瀑布”(4)(数字为调查隧道点号，见表1，以下同).

洞长约10 m，宽约8 m，高约2 m，瀑布坡度约60°，高差约1.5 m，走向与主熔岩流流向大致平行.洞内有典型的熔岩瀑布地质遗迹景观，熔岩瀑布是熔岩流流淌过程中遇到陡坎或在双层交叉熔岩隧道中、上层隧道中淌出的岩流切割冲破下层隧道壁时形成的，其表面聚集了熔岩流动的各种微地貌形迹(水流状、辫状、浪花状、波纹状、绳状和象鼻状等)(如图2,c所示).

(2)“雾洞”

洞长约200 m，洞底到洞脊最高处约6 m，洞宽约18 m，走向与主熔岩流流向大致平行(如图3 a所示)，洞内岩石坍塌严重，未发现明显熔岩微地貌形迹.

(3)“熔岩洞”

可测洞长约200 m，洞底到洞脊最高处约3 m，洞宽约10 m，其北端形成环形线路(如图3b所示)，走向与主熔岩流流向呈一定夹角.洞顶可见倒 挂的熔岩乳，两壁有规律的分布着1～3个连续水平的熔岩床、熔岩盘；底部是熔岩绳、熔岩花、熔岩波纹等，在熔岩床上还可见罕见的鸡爪状熔岩(如图2b所示)；以及熔岩隧道双层结构(如图2d所示).

(4)“新发现洞(25)”

洞长约80 m，洞底到洞脊最高处约2 m，大致由两个叉洞构成，走向与主熔岩流流向呈一定夹角(如图3 c所示).洞内熔岩床地貌景观规模大且极为典型.

(5)“洞中洞”

洞长约60 m，走向与主熔岩流流向呈一定夹角，有些段落已经成为塌陷沟(如图3 d所示).洞内有洞底麻花状熔岩微地貌景观、洞顶熔岩乳景观(图2, a)以及双层结构中的熔岩瀑布景观(图2, e)．

图2 隧道内熔岩微地貌特征 a．洞顶熔岩乳(洞中洞); b.熔岩隧道洞壁鸡爪状熔岩(熔岩洞); c.洞底绳状熔岩(地下熔岩瀑布); d.熔岩隧道双层结构(熔岩洞) ; e.双层洞中的熔岩瀑布(洞中洞) ; f.塌陷沟谷上的熔岩桥

(6)“神羊洞”

洞长约150 m，洞高约2 m，洞宽约6 m，走向与主熔岩流流向呈一定夹角(如图3 e所示)，洞内发育有熔岩乳景观.

综上，镜泊湖熔岩隧道内洞顶熔岩乳、洞壁熔岩盘以及洞底木排状等熔岩微地貌景观类型丰富，保存十分完整.

2.1.2 熔岩隧道分布特征

通过对约31.4 km2的熔岩流台地调查后，共发现30余个有塌陷洞口的熔岩隧道(如图3所示, 见表1)，并重点对“地下熔岩瀑布”、“雾洞”、“熔岩洞”、“新发现洞(25)”、“洞中洞”和“神羊洞”进行详细的特征参数测量(如图3所示)，发现一部分熔岩隧道位于熔岩台地塌陷沟谷上[1-23]，与主熔岩流的流向近似平行，一般规模较大；而另一部分熔岩隧道分布在熔岩台地塌陷沟谷的两侧[24～30]，与熔岩塌陷沟谷有一定的距离，一般规模较小，这部分熔岩隧道的走向与主熔岩流流向呈一定的夹角(如图3所示).

a 雾洞; b 熔岩洞; c 新发现洞[25]; d 洞中洞; e 神羊洞图3 熔岩隧道平面测量及节点剖面图

调查点号 位置(大地坐标)调查点号位置(大地坐标)1468256489325416470567488506724683364891737174706954885052346834648917391847087448849094(地下熔岩瀑布)4682124891687194705654885067*5(雾洞南洞口)468305489125220471389488435564688504890243214728964883470746889348896542247326148832838469512488933123473397488314294699384887844*24(熔岩洞口)4700574885997104699584887049*25(新发现洞口)4697594886124114703614886252*26(洞中洞洞口)4732194883628124703604886258*27(神羊洞洞口)4748064883277134703104886212284721064884041144702864886195294732494883570154703194885192304731004883622

通过1∶5000比例尺地形测量以及1∶10000比例尺熔岩隧道专项调查，查清了熔岩塌陷沟的分布情况(如图4所示)，同时发现，位于熔岩塌陷沟谷上的熔岩隧道是主熔岩流形成隧道塌陷的残留部分，残留较长的，即为熔岩隧道景观；若塌陷严重，只残留一小部分，即形成公园内著名的“熔岩桥”地质遗迹景观(如图2 f所示).因此，认为塌陷沟谷应为熔岩流塌陷的主熔岩隧道.

图4 塌陷熔岩隧道及主熔岩隧道分布图

2.2 熔岩隧道形成机制探讨

国外火山科学家对不同地区的熔岩隧道进行了形成机制的探讨，将火山熔岩流由于周边冷却，内部流空形成的熔岩隧道称为“pyroduct”[27-29]，一般规模较大(高度较大)，该文称“主熔岩隧道”，将气体侧向逃逸而形成的小型熔岩隧道称为“Pressure Ridge Caves”[14]，一般规模较小(高度较小)，该文称“气洞”.

前人对夏威夷熔岩隧道[13]和澳大利亚北昆士兰州Undara火山熔岩隧道[13]研究，提出以下熔岩隧道形成模式(图5)：熔岩流出地表，其表层及底面首先固结，由于固结后的岩石导热性极小，所以熔岩内部保持高温，因而具有流动性，这种流动熔岩如果冲破已固结的皮壳而流出，即可形成第二次熔岩流，并在原熔岩内部形成空洞，即为熔岩隧道.镜泊湖主熔岩隧道的走向与熔岩流的流向大致平行，且其规模较大，因此其形成适用于此种模式.

对于远离主熔岩隧道的熔岩“气洞”，前人也已经提出相应的成因模式：在熔岩流动的水平方向上，气体沿岩流前进方向的切线方向不断串通聚集，即向压力低的方向逃逸，气道延展方向与熔岩流动方向呈一定夹角.笔者实测的“熔岩洞”等熔岩隧道走向与熔岩流流向呈一定夹角，支持这一成因模式观点[19, 30].

a.在河谷中流淌的熔岩流，边缘遇冷首先开始固结，中心部分熔岩流继续保持流淌状态; b.随着边缘熔岩流的固化，中间部分液态熔岩流趋于圆柱状或管状; c 随着熔岩流供应的减少，液态熔岩流不在能填满整个管道，液态熔岩流上方燃烧着的气体使得顶板的固结熔岩再次熔岩、下滴，形成熔岩乳; d 熔岩流供应进一步减少，液态熔岩流平面也逐渐下降，最终形成熔岩隧道的底板.图5 主熔岩隧道的形成模式[15]

3 结论

对镜泊湖世界地质公园全新世镜泊近期玄武岩台地熔岩隧道测量调查研究，得出以下结论：

(1)镜泊湖熔岩隧道内熔岩微地貌类型齐全、保存完整，具有极高的科研、旅游及科普宣传价值；

(2)镜泊湖熔岩隧道按成因分为两种类型，一类为主熔岩隧道，此类熔岩隧道是熔岩流流淌过程中周边遇冷首先凝固，其中心保持高温液体状态，继续流空所致；另一类为走向与熔岩流方向呈一定夹角的熔岩“气洞”，是气泡沿熔岩流切线方向逃逸汇聚所致.

(3)镜泊湖镜泊近期熔岩台地上的塌陷沟谷为主熔岩隧道塌陷形成的，即熔岩塌陷沟谷位置为主熔岩隧道位置.

致谢: 本文在野外调查过程中得到了镜泊湖风景名胜区自然保护区管理委员会付崇华和李永坤的帮助，在书写过程中获得了黑龙江省地质调查研究总院胡君生的有益讨论，在此深表谢意.

参 考 文 献

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