琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制

冯晶晶 赵勇伟 李 霓 陈正全 王丽竹 刘永顺 聂保锋 张学斌

1)中国地震局地质研究所，吉林长白山火山国家野外科学观测研究站，北京 100029 2)首都师范大学，资源环境与旅游学院，北京 100048 3)天津市地质调查研究院，天津 300191

0 引言

雷琼火山群位于中国大陆的最南端，其中包含近200座晚新生代火山，约7300km2的熔岩覆盖在滨海相沉积物之上(黄镇国等，1994； 陶奎元，2007)。现代地球物理探测发现雷琼火山群之下存在上地幔波速异常，可能存在地幔柱(Zhao，2004； Xiaetal.，2016)。火山岩地球化学与同位素地球化学研究认为火山岩浆来源于地幔，并可能有下地幔物质上涌(朱炳泉等，1989； 史兰斌等，2003； Zouetal.，2010)。所有上述特征表明，雷琼火山群可能是源于深部地幔的炽热岩浆，藉由地幔柱浮力异常上涌，并侵位于滨海环境之下。独特的岩浆来源与侵位环境预示着雷琼火山群有可能具有不同于中国其他第四纪火山群的火山地质与火山地貌。

雷琼火山群独特的喷发环境对火山地貌与喷发动力学具有明显影响，而不同的火山地貌也反映了不同的喷发环境与喷发方式。从20世纪50年代开始，国内大量学者通过野外实地调查、 地形图、 遥感解译等方法对该区开展了火山地质研究，分析了雷琼火山群的喷发方式、 喷发期次、 喷发年龄及物质组成等要素。尽管前人提供了一部分火山形貌参数，但受当时的技术条件所限，这些参数提取的来源与标准不清，没有提供精度与误差(韩中元等，1987； 黄镇国等，1993； 魏海泉等，2003)，火山锥体的形态定量化研究比较滞后，制约着火山喷发控制要素和喷发动力学研究。

与国内相比，国外对于火山地貌和锥体形态的分析都较为成熟，获取数据的类型丰富、 处理方法多样，取得了丰硕的研究成果。国际上自20世纪80年代开始加强对火山锥体形态的研究，最早基于地形图和野外测量，提出了锥高、 基底直径、 火山口直径、 火口宽度/锥宽比、 高度/锥宽比、 火口破裂方位角等形态测量参数，并将这些定量参数与火山锥的生长、 降解过程以及区域构造方面相联系(Porter，1972； Wood，1980a，b； Dohrenwendetal.，1986； Hasenaka，1994)。21世纪以来，随着遥感技术的发展，测量的精度也大大提高。一些学者利用机载干涉雷达、 多孔径雷达卫星、 LiDAR DEM等方法获取了高精度的DEM，对火山渣锥的形态参数、 体积和坡度进行了测量，并引入一些其他参数定量描述火山构造(Favallietal.，2005，2009； Dónizetal.，2008； Karátsonetal.，2010)。近十年来，随着无人机航空摄影测量技术的发展，许多学者已经将其应用于火山活动观测、 微地貌解译、 火山灾害监测与评估等研究领域，国际火山学界也借助高精度卫星影像数据在火山形貌研究上取得了长足的进步，如： 利用无人机技术观测火山形态和结构的改变； 识别厘米级尺度的熔岩流等特征地貌； 识别火山表面形态及获得精确的喷发量等(Darmawanetal.，2018； Favallietal.，2018； Zornetal.，2020)。火山形貌的形成是地质作用与环境作用形成和破坏相互作用的结果。由于这些过程的复杂性，火山的形态和大小各不相同。火山形貌测量学可定量描述火山的形状和大小，为掌握火山的生长历史和演化过程提供相关信息，为判断火山能否再次喷发提供了可读的线索。

本文利用无人机倾斜摄影测量技术，结合ALOS 12.5m精度的DEM数据，提取了雷琼火山群中琼北地区晚第四纪(年龄<200ka)火山的三维形貌参数，旨在： 1)探索利用新技术手段高效定量提取火山锥形貌参数的技术方法； 2)用该方法获得晚第四纪以来琼北火山锥的形态特征数据，探讨其喷发的物理成因。本工作可以为未来火山形貌研究提供切实可行的技术借鉴，研究琼北火山作用可为未来的火山喷发灾害防御决策提供可靠的科学依据。

1 地质背景

雷琼地区位于欧亚板块的南端，受板块运动和南海海盆扩张的影响，构造、 火山活动强烈，火山岩面积达7000km2。其中琼北地区的火山活动最为强烈，面积可达4000km2。本区火山活动自始新世起，到更新世达到高潮，一直延续到全新世。其中，古近-新近纪火山岩除少部分露头外，大部分都隐伏于地下，而第四纪火山岩大多以熔岩台地的形式出露地表，主要分布于海南岛北部近EW向的王五-文教断裂以北的陆域部分，熔岩台地上锥体形态保留完好的约有100余座(邹和平等，1987； 申立新，1989； 黄镇国等，1995； 付建明，1997)。根据前人的研究，琼北第四纪火山岩从早到晚大致分为4期： 1)多文岭期，主要分布于临高多文、 琼山和文昌东路等地，喷发时代为早更新世中晚期(距今2.11～0.77Ma)，以溢流式喷发形成的熔岩被为主，由于受到长期的风化剥蚀，火山锥体大多破坏严重，仅保留少数熔岩锥，如典型的多文岭、 岭脚岭等。2)东英期，分布于临高高山岭、 定安龙塘、 峨蔓等地，喷发时代为中更新世中晚期(距今0.73～0.21Ma)，以溢流式喷发形成的熔岩流或熔岩被为主，锥体保存相对完好(符启基等，2012)。3)道堂期，主要分布于海口长流、 罗京盘、 龙桥、 白莲等地，喷发时代为晚更新世(距今0.11～0.06Ma)，射汽岩浆喷发形成的低平火山口和基浪堆积物分布在杨花、 罗京盘、 双池岭、 儒黄岭等地。4)雷虎岭期，主要分布于琼北石山、 永兴等地，喷发时代为全新世，保留的锥体包括马鞍岭、 雷虎岭等(樊祺诚等，2004； 闫成国等，2013； 段政等，2021)。前人的火山岩年代学研究结果表明(图1)，琼北地区距今200ka以来喷发过的火山主要分布于峨蔓(东英期)和海口(道堂期、 雷虎岭期)(葛同明等，1989； Hoetal.，2000； 洒骁等，2013)。这些火山形成的时代较近，保存状况最好，也最能代表未来可能的火山喷发类型。

图1 琼北火山区的地质图及火山群分布特征

2 数据提取方法

琼北火山群早期的锥体形貌测量研究大多依靠地形图测量。这种方法的优点是成本低，可批量测量； 缺点是精度低，在室内无法掌握野外火山锥的实际情况，对锥体形态复杂的火山而言误差大。本文探索了新的技术方法，结合多孔径雷达卫星测量与无人机测量各自的技术长处，即基于无人机航空摄影测量获得的数据，与陆地观测卫星(ALSO)获得的地形数据进行误差对比，比较2种方法获得的数字高程模型的精度(Kervynetal.，2007)。利用该方法，我们获取了质量可靠、 高精度、 高分辨率的火山锥体形貌数据，并在此基础上进行详细的形态学研究。

2.1 数据来源

2.1.1 ALSO-DEM数据

ALSO-DEM数据来自日本先进陆地观测卫星ALOS搭载的合成孔径雷达(PALSAR)传感器中的相控阵型L波段(波长为23.6cm)。其优点为覆盖广、 时效快、 不受太阳照射条件限制，可全天候对地观测，受地物影响范围小，同时卫星发射的微波穿透力强，可穿透云层、 植被冠层等，从而获得不受云层和植被影响的质量较高的影像数据。但其也存在数据范围过大、 提取地物特征点重叠率不够、 部分数据存在空洞和图像精度较低等不足之处。本文的ALSO数据下载于网站(1)https： ∥www.91weitu.com/。，投影坐标为UTM/WGS84，空间分辨率为12.5m。

2.1.2 Google Earth影像数据

Google Earth高清卫星影像数据使用的是分辨率为0.6～15m的IKONOS影像、 QuickBird影像和Landsat ETM7影像，高程数据为SRTM提供的空间分辨率为30m的全球高精度高程数据。Google Earth集成了高清卫星影像和地面高程等数据并显示在三维地球模型上，可快速随意切换观察高度、 角度、 方向等参数以浏览全球遥感影像，也可清晰地显示植被、 岩石等地貌信息。

2.2 无人机数据

无人机航空摄影测量以低空无人飞行器的影像传感器获取地面影像，再通过SfM(Structure from Motion)方法获取研究区的高精度地形数据。与传统遥感手段相比，无人机航空摄影测量具有成本低、 灵活机动、 可快速获取高分辨率影像的优点，缺点是受天气和云层影响大、 覆盖范围小、 穿透力弱、 受植被影响大。

本文航拍设备为搭载高清云台相机ZenmuseX5s的四旋翼无人飞行器——大疆Inspire 2，该无人机可获取2000万级像素的影像。本次实验的飞行相对航高为350m，航向和旁向重叠率分别为80%和70%，拍照模式为悬停拍照，共拍摄9013张影像，地面分辨率达2～8cm/pix。为了对比航测区域内数据的精度，我们采用差分GPS的GNSSRTK技术获取航测区域内地面控制点的坐标。

本文采用AgisoftPhotoscan软件的SfM移动摄影测量(Structure from Motion)方法处理航测数据，流程包括图像特征匹配及跟踪、 生成密集点云、 计算测量点的相对坐标和利用地面控制点(GCP)进行空间校正，最终获取数字高程模型(DEM)和正射影像图(DOM)，并结合地面控制点对生成的影像进行精度评定(魏占玉等，2015； 孙稳等，2019)。

2.3 数据对比

为了比较不同DEM数据源的精度，我们将获取的无人机SfM数据与公开的ALSO数据进行了对比，目的是分析2种数据源DEM图像细节的具体表现。对比的内容为相同范围、 同比例尺(1︰2000)下不同数据源的DEM地貌细节和锥体形态的地形剖面线，结果如图2 所示。通过结果可知： 1)无人机SfM-DEM的分辨率为2～8cm/pix，明显优于ALSO数据。前者可清楚地显示地表形态，通过其能够精细地识别微小的地貌特征。2)在对同一锥体的地形剖面线刻画方面，无人机SfM-DEM剖面线上出现很多不平滑的、 高低起伏的小折线，而ALSO-DEM剖面线则较为光滑，可以很好地显示出火山锥体的形状。经过分析和图片对比(图2b)发现，SfM-DEM与ALSO数据约有10m的高差，结合3D地形数据分析，确认原因是受到树木高低起伏的影响。因此，无人机SfM-DEM的精度和分辨率优于ALSO数据，能够识别微小的地貌特征，但对大范围的起伏地形进行测量时，可能会受到局部小地形和植被高低的影响。而通过ALSO-DEM可以明显地看到大范围内的地形起伏，但该数据对地貌细节的描述较少。

图2 不同数据源的火山锥体形态对比图

对于本文研究的火山地貌而言，火山锥体底径约为几百米到几千米，无人机SfM-DEM数据和ALSO数据的精度相差很小，两者都能满足测量需求。但详细到火山口、 熔岩溢出口等几十米的地貌细节时，无人机SfM-DEM数据具有绝对的优势。因此，本文结合二者的长处分别提取火山锥体不同的形态参数，并在野外调查的基础上分析火山喷发过程。

3 火山锥体参数的提取方法

测量火山锥体形态的第1步是选取火山锥体的空间范围。我们通过2个DEM派生产品——剖面曲率和坡度，结合3D地形数据和Google Earth影像数据实现这一过程(Grosseetal.，2012)。坡度指过该点的切平面与水平地面的夹角，表示地表面在该点的倾斜程度。剖面曲率是沿梯度线垂直平面上测量的斜率的变化率，其中正极大值表示最大凸度，负极大值表示最大凹度(Wood，1996； Olaya，2009)，在生成的边界描述层上手动搜索周围的最佳路径以追踪火山锥体的范围。在划定的火山范围内提取以下火山锥体的形态参数： 1)圆锥基底的长轴Wcoa； 2)圆锥基底的短轴Wcob； 3)火山口的直径Wcr； 4)火口破裂方向，即熔岩流流动的方向； 5)锥体的高度hco，即最低的地形和最高的锥体边缘之间的高差； 6)火山锥体的坡度。

提取参数的具体方案为： 在ALSO数据中测量火山锥底径的长轴、 短轴、 锥体高度等范围较大的参数，用无人机生成数字高程模型(DEM)、 正射影像图(DOM)和Google Earth影像测量火口直径、 火口深度、 火口破裂方向等小范围的细节参数。基于上述方案，我们提取了火山锥体的一系列参数(表1)，这些参数定量表征火山的大小和形状，为了解不同锥体类型火山的生长和形态提供了重要信息。

表1 研究区的火山参数表

除以上参数外，前人还常使用Hco/Wco描述锥体形态(Grosseetal.，2009； Rodriguez，2012)。利用Hco/Wco可大致分析锥体的碎屑类型，该方法的优点是便于提取，较为直观，缺点是对于不规则形态的锥体。例如，若锥底非圆形，火口沿起伏高差大，则所提取的参数中人为误差极大，可信度差。由于琼北火山的形态复杂，该方法并不适用。

为了克服Hco/Wco方法的缺点，本文提出了一种新的参数，即“Scoh-Hh”。定义参数Hh为由锥体任意一点与锥体至高点间的垂直距离(单位为m)，Scoh即使用锥体中任意一处Hh=h的点所处的水平面横截锥体之后获得的一系列横截面的面积。在高精度DEM数据的基础上，可以在GIS软件中高效、 精确地提取Scoh和Hh。 在同一个锥体中，按不同Hh可提取不同的Scoh。 以Hh高度为自变量，每隔10m取一个Scoh值，可获得一系列Scoh-Hh数值，同一锥体在Scoh-Hh直角二维投图上可投影出多个点。本文用二次曲线拟合法将其拟合为曲线，该曲线即可代表该锥体的形态特征。通过该方法可处理任意形态的锥体，并避免上述Wco/Hco方法中的人为误差。

4 参数数据分析

本文选取的38个火山锥主要分布于海口永兴、 石山、 儋州等地。这些火山基底的直径(Wco)(图3a)为130～2000m，中位数为422m，平均数为598m。其中，锥体底径为200～1000m的居多，基底直径>1000m的锥体大多为低平火山口。锥高(Hco)(图3b)的范围为4～90m，中位数为25m，平均数为30m，高度多集中于10～50m，呈宽缓的正态分布，锥高>50m的火山锥较少。研究区内大多数火山仅有1个火山口，只有少数几个锥体有1个以上火山口，如马鞍岭和吉安岭。单火口的火山是一次喷发形成的，而多火口则为火山喷发时间相隔很近或喷发位置改变而形成的。火山锥体的坡度范围比较宽泛，为4°～30°，坡度整体偏缓。我们在Hco/Wco图中(图3c)可以看到，大多数火山参数比较分散，没有较好的规律，从图像上很难区分出不同类型的锥体。与之不同的是，在Scoh-Hh投图中，火山锥体的曲线可显著分为3类(图4)： 第1类，曲线坡度较小，Average(Hh/Scoh)h>3m=0～0.6，所有火山中约有22%的锥体属于该类型； 第2类，曲线坡度较陡，Average(Hh/Scoh)h>3m=1.0～6.0，共计约65%的锥体属于该类型； 第3类，曲线坡度最陡，Average(Hh/Scoh)h>3m=4.0～12.0，约有13%的锥体属于该类型。

图4 不同类型火山锥体的Scoh-Hh图

5 火山锥体的类型及堆积特征

如上所述，琼北火山锥的形态各异，在Scoh-Hh曲线投图中，锥体可分为3种不同类型。通过野外调查火山锥体的物质组成，可以确认这3类火山分别对应不同的喷发成因，下文将进行详细介绍。

5.1 射汽岩浆成因

该类火山锥主要由具有平行层理的火山砾、 火山灰、 围岩碎屑构成，属于凝灰岩环(tuff ring)型锥体； 火山锥体的基底较大，直径一般>1000m，火山口一般呈圆形或近圆形的平底洼地，直径>1000m。内坡坡度约为5°，内、 外坡两侧呈低而近似相等的坡度。它是一种较为特殊的火山活动，为高温岩浆在上升过程中与水反应，产生大量的水蒸气导致的爆炸式喷发，即射汽岩浆爆发(Sheridanetal.，1983； Lorenz，2003； 孙谦等，2005)，其产物为围岩或岩浆的碎屑，紧贴地面呈放射状向火山口外侧扩散，之后堆积形成基浪堆积物(图5a)。

图5 3种不同喷发成因的火山锥体结构简图

以罗经盘为例(图6a，b)，锥体主体由凝灰岩组成，可见交错、 波状层理。其火山底径为1066m，高程为93m，比高36m，火山口近圆形，较为平坦，直径约为553m，多被开垦为农田。在其中心处有一个残存的高7～8m的熔岩丘，火口周围有火山碎屑岩和火山喷发抛射出的围岩及下伏地层的角砾碎块岩(刘嘉麒等，2000)。罗经盘锥体的物质组成表明其前期以剧烈的射汽岩浆爆炸为主，后期逐渐转弱为岩浆爆破喷发和溢流喷发，2种喷发方式之间的转换可能与地下水和岩浆的相对通量有关。

图6 琼北第四纪火山的地质地貌特征图

5.2 岩浆爆破成因

该类火山锥由火山弹、 熔岩饼等岩浆爆破成因的火山碎屑组成，整体结构比较松散，形态上以圆形、 椭圆形为主。锥体面积小，坡度约为15°～30°。岩浆爆破成因的火山是因岩浆气体的释放导致的玄武岩爆破喷发，通常表现为斯通博利式喷发、 夏威夷式喷发(图5b)，或为2种端元的过渡型喷发。

以马鞍岭为例(图6c，d)，其锥体是由火山渣、 火山弹、 火山灰、 火山角砾岩组成的典型火山碎屑锥。马鞍岭由主锥风炉岭和2个次级火山锥包子岭组成，火口的形状似马鞍形(白志达等，2003)。其中风炉岭的体积较大，为主锥，其高程为222m，底径为589m，锥高55m，坡度为20°～30°，有一漏斗状火口，直径为94m，深36m，火口缘宽2～3m，内坡约为40°～65°，熔岩溢出口方向为N40°E； 在主锥西南约500m处为包子岭，规模较主锥小，高程为189m，锥高40m，有一圆形火山口，内径为90m，深6m。马鞍岭的锥体下部为松散的火山碎屑堆积，上部为砖红色熔结集块岩及碎屑熔岩。由组成物质可知，火山喷发早期以斯通博利式(Strombolian)弹道爆破喷发为主，形成渣锥； 喷发后期向夏威夷式(Hawaii)喷发过渡，熔岩喷泉形成锥体顶部的溅落锥。

5.3 熔岩侵出成因

该类火山锥的底部为厚层熔岩台地，台地之上的锥体面积小、 高度较大、 坡度较陡，这与一般低矮盾形的熔岩锥特征不同。其通常由巨大、 致密的块状熔岩堆积形成，锥体外貌总体呈圆丘状或鱼脊状。

以笔架岭为例(图6e，f)，其自西南到东北由连续的5个火山(A—E)排列形成。笔架岭B是5个锥体中最大、 最陡的锥体，底径长轴长576m，短轴长444m，高程为208m，锥高90m，坡度为30°。锥体顶部出现直径>1m的薄层结壳熔岩碎片，然而锥体底部却由不规则棱角状、 直径为30～50cm的熔岩块构成。推测火山喷发时熔岩流速较慢，表壳先行冷却，下面的熔岩仍在缓慢流动，在表层薄弱的地段挤出，炽热的熔岩在冷却收缩和挤压力的作用下发生破裂。由此可推测，该火山作用发生时岩浆温度较低、 黏度较大，受到压力作用发生熔岩侵出(extrusion)，由于岩浆通道受到强大的挤压力，导致其外壁或顶部破裂，一些岩浆不断侵出，从而形成边坡陡峭的熔岩山脊和侵出岩丘(赵勇伟等，2018)。

上述研究表明，不同喷发类型形成的火山锥具有不同的形态特征，这些形态差异可以准确地反映在Scoh-Hh曲线中。利用该方法，可能能够通过火山锥高精度DEM数据限定火山的喷发类型，这有利于高效统计确定大型火山群中的喷发类型，并评估火山喷发灾害的类型和灾害预期。

6 火山喷发的特征

火山渣锥(cinder cone)是岩浆爆破成因最常见的火山地貌，也是研究最多的火山锥体形态(Settle，1979； Dóniz-Páez，2015； Uslularetal.，2021)。琼北第四纪火山多为小体积的单成因火山，火山大多为火山渣锥。然而，我们发现琼北火山的锥体形态特征显著区别于前人所归纳的世界各地的火山渣锥。本文对前人结果与琼北火山锥体的形态参数进行比较，以分析琼北火山独特的喷发方式。

火山渣锥通常为碗状火口的小圆锥形火山，它是由火山爆破式喷发形成的松散碎屑落在火口附近堆积形成的角度陡峭的锥体。典型的年轻火山渣锥基底直径(Wco)的范围为0.25～2.5km(平均为0.9km)，其与火山口直径(Wcr)、 锥底高度(Hco)三者之间呈恒定的线性关系：Wcr/Wco=0.4和Hco/Wco=0.18(Porter，1972； Wood，1980b)。根据这一线性关系可计算出理想锥体Scoh、Hh间的函数关系为Scoh=18/25×π×Hh2+1/3πWcoHh+0.02πWco2，并根据这一函数关系在二维图中绘制函数曲线。

琼北火山渣锥的基底直径(Wco)范围为0.13～2km(平均为0.6km)，Wcr/Wco<0.4，Hco/Wco系数的平均值为0.06，与上述理想渣锥相比，基底直径、 锥体高度都相对较小。从Scoh-Hh曲线(图7)中能更加直观地看到琼北火山的锥体高度相对理想渣锥曲线的锥高(Hco)更小，但在特定Hh高度的Scoh面积更大，这反映了琼北火山坡度较缓，与斯通博利式喷发产生的典型火山渣锥不同。

图7 琼北地区火山渣锥与理想火山渣锥的对比图

由上述火山锥的组成物质可知，琼北火山群岩浆爆破式喷发方式既有夏威夷式喷发，又有斯通博利式喷发。通过Scoh-Hh对比可以确定琼北岩浆爆破成因的火山锥体(第2类)大多与典型的斯通博利式喷发形成的火山渣锥形态不同，其相对较缓的坡度及构成锥体的大量熔结集块岩表明喷发方式更接近夏威夷式喷发。据此我们推测，琼北火山群岩浆作用成因的火山喷发方式以夏威夷式喷发为主，兼有斯通博利式喷发。在火山喷发的规模方面，琼北火山锥体明显较小。综合以上喷发特征可知，相较于典型的大陆板内单成因火山渣锥(如中国大陆内部的第四纪火山)，琼北火山岩浆通道系统输送岩浆的速率不高，原始岩浆中挥发份含量较低。这些特征与传统意义上的地幔柱成因的火山并不一致，其形成原因值得未来作进一步研究。

7 结论

通过对琼北火山群的野外地质研究，并结合高精度数字模型及影像证据，本文取得了以下认识：

(1)卫星遥感影像ALSO(12.5m)的高精度数字模型(DEM)数据与无人机倾斜摄影测量生成的高精度数字模型(DEM)数据相比，对于火山锥体形态参数的测量数值在可允许的误差范围内。

(2)本文提出一种新的参数——Scoh/Hh以描述锥体形态，基于该参数可精确分析琼北锥体在形态上的差异。研究表明，在Scoh-Hh投图中，根据曲线形态可将火山锥体总体分为3类： 1)曲线坡度较小，Average(Hh/Scoh)h>3m=0～0.6，该类火山锥属于凝灰岩环型锥体和熔岩盾，分别为射汽岩浆喷发成因和夏威夷型火山溢流成因； 2)曲线坡度较陡，Average(Hh/Scoh)h>3m=1.0～6.0，该类火山锥属于斯通博利型-夏威夷型火山喷发成因； 3)曲线坡度最陡，Average(Hh/Scoh)h>3m=4.0～12.0，该类火山锥推测为侵出成因。

(3)本文研究表明，火山形态测量法可以用来获取火山喷发过程中的一些信息，有助于更精确和定量地对火山进行分类、 表征火山的形状演化趋势，这种分类及其演化趋势的解释为研究相关的喷发机制提供了新的方法。