长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究

　

第30卷　第1期2009年2月

首都师范大学学报(自然科学版)JournalofCapitalNormalUniversity

(NaturalScienceEdition)　No.1Feb.,2009

长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究

聂保锋　刘永顺　彭　年

1

2

2

3

(11中国地质大学地球科学与资源学院,北京　100083;21首都师范大学资源环境与旅游学院,北京　100048)

摘要

　　长白山天池火山是我国最具灾害性喷发危险的活动火山,火山泥石流是最致命的火山灾害之一,根据距离火山口远近不同堆积物所展现的不同特征,将长白山天池火山泥石流分为;碎屑流相、过渡相和超富集流相.基于野外剖面对长白山天池火山1000年大喷发形成的泥石流进行了详细的描述,.

关键词:长白山天池火山,泥石流,分布特征,灾害.

中图分类号:P618111

1　前　言

地区的腹地(图.、熔岩台.成的火山锥体,.天池位于主

[1]

峰之中,是三江(松花江、图们江和鸭绿江)之源.该区系生态环境资源、林特产资源、水利水电资源和矿产资源的聚集区.被联合国教科文组织列入联合国“人与生物圈自然保护区网”,成为我国著名的旅游区.

火山泥石流主要是在原来存在的山体的火山喷发动力作用下,产生的崩塌物和破碎物,

会同泥水、冰水和火山喷发物,形成的巨大的混合物流体,是最重要的火山灾害类型之一.长白山天池火山被认为是世界上最危险的火山之一,许多学者对天池火山泥石流堆积物展开研究,如前人曾论述过松花江流域火山泥石流发育情况,鸭绿江和图们江

[4]

流域的火山泥石流发育情况,这些火山泥石流构

[5]

成了严重的火山泥石流灾害.近年来,笔者曾数次对长白山进行实地考查,发现该区广泛发育着火山泥石流自然灾害,本文将结合前人的研究重点论述

[2～4]

图1　长白山天池火山地貌图

该区火山泥石流的分布特点、剖面特征和潜在危害.

2　地质背景

长白山新生代火山岩分布区位于吉林省东南部

与朝鲜两江道接壤处,大地构造位置属亚洲东部大陆边缘新生代构造火山岩带,长白山天池正处于松辽盆地与日本海弧后盆地间北北东向隆起带与吉林

[6]

桦甸2朝鲜金策北西向火山断裂交汇处.

长白山天池火山是一座巨型复合式火山.天池的地质活动历史相当漫长,从宏观上可分为更新世造盾喷发、造锥喷发和全新世喷发三个阶段.造盾喷

收稿日期:2006202221

3基金项目:国家自然科学基金项目(40472039);社会公益专项子专题(2002DIA20009220);社会公益研究专项(2005D1B2J080

)

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第1期聂保锋等:长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究

发产物以粗面玄武岩为主,主要分布在天池火山周围的板石河、露水河、二道白河和图们江上游地区,形成于早更新世,距今2～112Ma.天池火山锥体形成于中晚更新世时期,早期喷发物为少量粗安岩,在北坡分布在长白山二山门附近;锥体的主要

[8,10][11]

成分为粗面岩;晚期出现了少量碱流岩.

[7～10]

[10]

地考查,发现区内自二道白河源头,经三河水电站、

二道镇、水田村和维东林场、高丽城子,均可见到火山泥石流,过白山、红石及丰满电站,直到吉林市乌拉街以北沿松花江两岸的一级阶地都有断续分布.在横向北和长白的鸭绿江两岸阶地也有火山泥石流分布.对于长白山天池火山泥石流前人已做过一些

[3]

研究,如刘祥等对长白山火山1000年前大喷发的火山泥流堆积物进行了研究,指出火山泥流堆积物主要沿松花江中上游分布.距火山较近的是火山泥流的岩屑流堆积,远离火山变为火山泥流的超高密度流堆积.并指出长白山火山一旦再次爆发,火山泥流将是主要的火山灾害.

长白山天池近代喷发,火山泥石流堆积物主要沿松花江上游二道白河、布.3　长白山天池火山泥石流分布特征

对于长白山天池火山灾害的研究可追溯到上个世纪初,刘若新等率先研究了天池火山喷发危险性,提出了天池火山是我国最具灾害性喷发危险的活动

[12]

火山.随后,刘若新、魏海泉、杨清福等研究了天池火山大喷发引起的火山灾害.这些研究工作加深了对长白山天池火山危险性和火山灾害的认识.

近年来,许多学者对长白山天池火山区进行实

[4,5,8,13～18]

表1　典型剖面距离(km)黄松蒲林场三合水电站

南闸门三合水电站三合水电站北115km美人松宾馆水田村大桥两江大桥丰满电站大坝秀水乡

[***********]

成分

粗面岩,组成,,,玄粗面凝灰岩、玄武岩砂砾和少量细砾以及歪长石晶屑、玻璃质火山灰砂层夹薄层砾石,砾石由玄武岩、粘土砾石和浮岩细砾组成

由巨砾砂砾石组成,巨砾为粗面岩大岩块,砂砾石山粗而岩、玄武岩、浮石和晶屑组成

(113～2m1～213m1～2m1～2m1～115m

层理无无不显层理交错层理无无无2交错

层理交错层理交错层理

分选无分选差分选较差砂层分选好分选差分选差砂层分选好,砾石层分选差分选较好分选好

浮石含量

1/250%～70%50%～70%

2/34/5>80%

岩相岩屑流相岩屑流相岩屑流相岩屑流相岩屑流相岩屑流相过渡相超富集流相超富集流相

由巨砾砂砾石组成,砾石由粗面岩、玄武岩、

015～112m

浮石组成

上部为砂层,下部为砾石层,砾石以浮石为

0105～0115m

主,亦由粗面岩、玄武岩等组成主要为浮岩碎屑组成主要为浮岩碎屑组成

0101m

　　笔者与中国国家地震局地质研究所魏海泉研究员等对天池火山锥体附近不同期次火山泥石流发育情况开展了调查,野外填图记录如下:

Ⅰ252,42°261804′,128°7108′

白河火车站西南300m铁路线以北,砂质泥石流厚度>2m,粒度2～3mm为主.粗面质碎屑,偶见浮岩,含粒度115m粗面质砾石,

周围民房建于泥石流之上.二道白河在点西南方,点西南80m铁路线北采砂场,砂质泥石流厚度>3m,粗面岩巨砾长轴315m.堆积物无分选层理,总体上就一层,粒度上2

～4mm为主,大者1cm,成分粗面质碎屑.

Ⅰ253,42°261896′,128°61826′

黄色砂质粘土层,厚度>015m,沟谷冲蚀疏缓波状、缓厅状,庄稼地斜坡.砂屑长石为主,少量角闪石、辉石,附近多见基底玄武岩.

Ⅰ254,42°271164′,128°61399′

白河2露水河铁路线二道白河大桥,铁北村.二道白河河道现宽

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首都师范大学学报(自然科学版)2009年

Ⅰ259,42°101896′,128°91429′

自山门外西向小路西行,先下至十二道河子沟底,沟深5m,砂质泥石流、冲积层多次发育.继续西行过一小河,河底砂质泥石流.沟宽缓,至第三条宽缓河沟定点.沟深2m.

Ⅰ260,42°101778′,128°81217′

三道白河主河道.河道沟深5m,伊格尼姆岩初始熔结,浮岩顶部富集.主沟两侧斜坡50m,伊格尼姆岩覆盖,坡度2m者很常见.向西经火山泥石流陡坎(4m高)之下平台300m到达二道白河主河道.

岩屑泥石流覆盖玄武岩,粗面岩、玄武岩砾石各半.粗面岩磨圆好,玄武岩块状.有时见近表壳玄武岩,符合剥蚀1m以上者气泡特征.粗面岩碎屑粒度>50cm者常见.岩屑泥石流出露宽度

又为砂质泥石流覆盖玄武岩.地表平坦、无河流,路上少见淤泥层.沿途>500m以上均为同一岩流流动单元,至单元西侧边界斜向下坡处定点.

Ⅰ267,42°131893′,128°71161′

点东100m为西向斜坡底界,为玄武岩两单元界线.东高西低,斜坡长度100m,坡度3～5°,表层有砂质泥石流覆盖.

Ⅰ268,42°131775′,128°61279′

二道白河东侧大片岩屑泥石流出现,粗面岩砾石多于玄武岩,粗面岩磨圆好,.泥石100m,岩垅高2m,宽,.,地表较平,厚

Ⅰ261,42°101647′,128°71145′

二道白河主河道.河道宽5m,水深>015m,流速快,>3m/s.西侧河漫滩115m陡坎,粗面岩砾石015m粒度为主.东侧河漫滩陡坎3m高,砾石粒度>015m为主,磨圆好.粗面岩砾石为主,.

131743′,128°51853′

二道白河主河道,现宽8m,水深

Ⅰ270,42°131527′,128°51017′

岩屑泥石流冲沟,深15m,宽100m,无陡坎.V字型斜坡坡度

岩和斑状粗面岩砾石.河道西100m.再向西行,平台上点:4219164′,128°7Ⅰ262,42′,1281379′

200m泥石流陡坎坎高5m,粗面岩砾石,>50cm者常见.西侧低洼处总体较平,局部可见泥石流岩垅、岩　。

Ⅰ263,42°101568′,128°61343′

二道白河泥石流西界.砾石粗面岩为主.最大砾石粒度:长5m、宽3m、高3m.

Ⅰ264,42°101417′,128°51609′

砂质泥石流.含浮岩碎屑,有时成层性好.细者粒度5m,宽80m,西侧陡,砂质泥石流组成,偶见粗面岩、玄武岩砾石.点东100m,含气孔玄武岩,全晶质.地貌相对较平坦,小冲沟.点东两条小沟,深度

Ⅰ265,42°141122′,128°9148′

砂质泥石流,碎石流,岩屑粗面岩、玄武岩.两种泥石流相间出现.点西200m碎石流不见,砂质泥石流覆盖在玄武岩之上.西行玄武岩之上经常有中厚层砂质泥石流覆盖.

Ⅰ266,42°141022′,128°814′72

泥石流覆盖,常见粗面岩大砾石.

Ⅰ271,42°131314′,128°41531′

二道白河西支流,无水,伊格尼姆岩初始熔结,沟内充填砂质泥引流.东侧沟深>10m,西侧两台阶

,下台阶砂质泥石流高4m,未见岩屑泥石流.返回途中,二道白河以东见老黄土.

Ⅰ273,42°341169′,128°41941′

两江大坝下游砂质泥石流,分选好,斜层理,局部浮岩富集层,泥石流之上建民房.

Ⅰ274,42°331934′,128°51198′

前桥,火山泥石流富浮岩质,韵律层发育.上部115m质纯砂质,细层理水平.下部2m富浮岩韵律

层.自沟底至砂质层顶堆积物保留厚度>8m.

野外观测表明,二道白河与三道白河之间玄武

第1期聂保锋等:长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究

岩之上均被岩屑泥石流覆盖,二道白河冲下岩屑泥石流,三道白河冲下砂质泥石流.二道白河岩屑泥石流东西两侧陡坎高度>5m,两侧陡坎之间宽度>400m,河道两侧陡坎宽度>50m,高度>115m.表明为多期泥石流.最边部富含大漂砾.含岩屑泥石流两侧砂质泥石流.二道白河以东多岩屑泥石流、砂质泥石流,而二道白河以西多伊格尼姆岩.二道白河以东玄武岩剥蚀深度浅于河西侧,河东平坦而河西沟谷多.两江大坝下游多为砂质泥石流,分选好,韵律层发育.结合前人的工作,笔者认为长白山天池火山泥石流从岩相上可划分为:(1)火山泥石流碎屑流相,(2)过渡相,(3)火山泥石流超富集流相,见图2、

3.

过渡相:距天池火口64～83km,为火山泥石流的碎屑流向火山泥石流的超富集流转变的过渡相,在剖面上表现出过渡的特征,上部为粗砂层,分选好,有的表现为薄层细砂与薄层细砾互层,常具宽缓交错层理,分选好,局部可见反粒序,砂基支撑,砾石粒径在5cm左右.中部为砾石层,砾石成分为花岗岩、粗面岩以及玄武岩,砾石大多为扁平呈水平排列,不等粒,粒径变化在10～60cm之间,呈棱角状-磨圆状,有的砾石层主要由浮石组成,占70%左

右,不等粒,分选差,无层理.下部为粗砂层或粉砂层,比砾石层分选好,粉砂层常具宽缓的交错层理.

超富集流相:分布在距天池火口83km以外的河流下游,碎屑物重量在流体中占40%～80%,相应的按体积占20%～60%.岩碎屑互层,,局部显现逆递,,.在红,3部分,粒度较粗,为浮石层和砂层,发育面状水平层理,层连续性较好,局部呈现粗浮岩集中层和细砂层透镜体,单层厚015～115cm,浮岩粒径在9cm左右.剖面上部1/3,主要为细

图

2　火山砂层,发育微细面状水平层理,很少浮岩砾,局部含炭化木屑,在一些层中依浮岩颗粒大小发育逆递变粒序层.

4　二道白河沟谷火山泥石流剖面

411　典型剖面特征

笔者在长白山天池火山野外考察期间,对二道白河沟谷火山泥石流进行了详细的考察研究,绘制

图3　长白山天池火山泥石流堆积物的相模式简图

了二道白河沟谷火山泥石流剖面图,见图4.

剖面位于二道白河中学西侧,负地形,距天池火山口约65km,沿二道白河沟谷低洼地带展部,CPS:42°251482′;128°61138′,高程700m,剖面厚度4

m,出

碎屑流相:距天池火口64km以内,碎屑物重

量在流体中占80%以上,相应的按体积占60%以上.在一级阶地上碎屑流相堆积,粒度粗,砂砾石混杂在一起,含大量的巨砾,粒径1～215m.浮岩碎屑局部集中成透镜状,分选差,发育递变粒序层.在二级阶地上碎屑流相堆积,由浮岩碎屑、歪长石晶屑、粗面岩、玄武岩和少量非火山成因的砂、细砾组成,并裹携有铲刮下来的玄武岩顶面的黄土团块,并含许多巨砾.成层性差或出现粗、细交替的层次,但各层次间无明显界限.可见浮岩碎屑局部集中,常出现正递变和逆递变粒序层.通常分布在二级阶地上碎屑流相堆积,粒度更细,分选更好.

露长度36m。

剖面层序结构,分为四大层,由下到上依次为:一10～116m,偏细粒,富泥砂灰质的韵律层,可分为四层韵律层,依次为:

(a)0～60cm,反粒序韵律层.浮岩粒度最大为5cm,3cm,6cm.

(b)60cm～90cm,反粒序韵律层,浮岩靠顶部

界限清楚,富集层位呈透镜状,厚者10cm,薄者5～6cm,底部界线呈波浪状.

(c)90～110cm,内部层理多,有5个韵律层薄

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首都师范大学学报(自然科学版)2009年

者约3cm,厚者5～6cm,最大浮岩粒度,5cm,10cm.

(d)110cm～160cm,不太均匀的层理,斜层理时有出现,顶部浮岩密集,界线顶部平缓,底部呈波浪状,最大浮岩粒度,7cm,4cm,7cm.

二1116m～215m,在横向上呈透镜状,粗粒浮岩富集,不同地点厚度为80cm,90cm,100cm.分选

不好,见碳化木碎屑,其中细粒砂质堆积物有流水切割现象.

三1215m～317m,显示成层性的块状均匀泥质堆积,底部层状构造明显,顶部块状构造明显.

四1317m～4m,富浮岩质堆积,浮岩没有下部层2的大,最人粒度为5cm,5cm,6

cm.

图4　　　泥石流堆积物的特征归纳如下:

(1),面中央部为凸型或土圆型;

(2);

(3),泥石流的表面,故巨砾分布于前侧和周缘部;

(4)泥石流堆积的前侧和前半部周边的砾石的布局为长轴方向上游侧倾斜,长径方向与流下方向呈平行.412　堆积物的形成

野外发现火山泥石流中可见碳化木碎屑.许多学者研究表明火山泥石流定位时具有很高的温度,根据堆积物的熔结、烘烤结构与碳化过程估计堆积温度应在300℃以上.魏海泉等选送的3个碳化木

14

样品经中国地震局地质研究所尹金辉等采用C法测试,测年结果为1280±80、1040±100、1170±100aBP,表明这些热的火山泥石流是伴随天池火山千

[4,5,12]

年大喷发而形成的.

长白山天池火山1000年前大爆发,由于喷发柱垮塌产生的炽热的火山碎屑流(浮岩流)可能融化长白山火山顶部的积雪、积冰,并可能与天池水汇合,迅速涌入二道白河,诱发了二道白河上游近火山口段的火山泥石流,形成全由浮岩碎屑组成的单一成分的岩屑流堆积,由于火山泥流迅猛异常,速度最高可达180km/h,沿途剥蚀、铲刮河流冲积物及残坡积物.较粗较重碎屑相继沉积下来,于是,出现距火74

,是千年大喷发的产物.

5　火山泥石流的灾害

火山泥石流是最致命的火山灾害之一.火山泥石流主要是原来存在的山体的火山喷发动力作用下,产生的崩塌物和破碎物,会同泥水、冰水和火山喷发物,形成的巨大的混合物流体,其成分复杂,流速大,能量大,破坏力也大,能摧毁和掩埋所及的房屋、道路、桥梁、森林,农田等,给人们的生命财产造成很大损失.

1980年美国圣海伦斯火山爆发,大量的火山崩塌物和雪水形成能量巨大的火山泥石流,以40m/s

的速度从山坡倾斜而下,摧毁了附近所有的建筑物、村庄,并造成考利茨和哥伦比亚洪水泛滥成灾,使24人死亡,46人失踪,成为美国历史上规模最大的火山灾害之一.1985年哥伦比亚鲁伊斯火山喷发产生的火山泥石流也造成严重的灾害,灼热的火山碎屑流融化了山顶的部分冰帽,形成大规模的火山泥石流,在金鸡纳造成上百间房屋倒塌,死亡约1000人;当晚泥石流包围了距火山口74千米远的阿梅罗城,使22008人伤生;火山周围所有的道路、桥梁、商店、工厂、学校等悉数遭到破坏,7700余人流利失所,损失极为惨重.

长白山天池火山1000年前大喷发,是世界上有史以来最大的火山喷发之一.火山泥石流堆积物

第1期聂保锋等:

长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究

沿松花江中上游分布,直达吉林市以远.研究表明长白山天池火山是不久将来有潜在喷发危险的活火山.如果长白山天池火山再次爆发,火山泥石流可能是最主要的灾害,特别是松花江、鸭绿江和图们江中上游.未来长白山天池火山泥石流高危险区为以火口为半径中心,沿沟谷可扩展至45千米的区域.松花江中上游的梯级电站将链锁式地受到巨大破坏,沿江两岸将遭受巨大灾害.特别是在长白山顶,有一

[18]

个水容量达2014亿立方米的火口湖,魏海泉等计

算认为一旦长白山天池火山发生崩塌,将会产生高速泥石流,沿二道白河两岸的价值012亿美元的建筑物将遭到破坏.如发生火山喷发将造成危害更大的火山泥石流灾害.

致谢:野外工作得到长白山火山监测站的大力支持,韦玉凤、靳晋瑜和高玲同学参加了野外调研;特别要感谢的是吉林省地矿局第六地质调查所前任总工程师金伯禄老师和中国地震局地质研究所魏海泉老师的热情指导和帮助!

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TheCharacteristicsofLaharDepositsAtTianchiVolcano

NieBaofeng　LiuYongshun　PengNian

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(1.SchoolofSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing　100083,China;2.CollegeofResources,EnvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing　100048,China)

Abstract

Tianchivolcanoisanactivevolcanowithpotentialdangeroferuptioninthefuture,thehazardsoflaharisthemostimportantdissasterofvolcanoeruption,Accordingtothefieldcharacteristicofdepositsandthedistancefromcrater,lahardepositcanbedividedintodebrisflowhyperconcentratedstreamflowatthebaseoffieldstudy,wedescribedepositsof1000a.B.Peruptionindetail,ifChangbaishanvolcanowereeruptionagain,theprincipaldissasterwouldbeduetothehazardsoflahar.

Keywords:Tianchivolcano,laharhazards,distributioncharacteristic.

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