吉林省长白山天池火山活动特征及成因分析

吉林省长白山天池火山活动特征及成因分析

地震灾害的研究和预测是当前地球科学研究领域的研究重点。中国是世界上地质灾害较为严重的国家之一,而地质灾害中尤以火山灾害给人类所造成的损失最大。据最近1万年来的统计,世界上约有1300多座火山喷发,约有3.6亿人口生活和居住在火山喷发危险带内。在环太平洋周围,每年约有50余座火山喷发,占世界活火山总数2/3,且部分火山喷发造成了严重的火山灾害。1978年“第42届联合国大会”已将火山灾害列入“国际减灾十年”的研究计划。我国是火山分布较多的地区,近年来随着环太平洋活火山灾害的加剧,我国火山灾害地质的研究已引起国内外许多学者的普遍关注和重视,特别是中国吉林省境内的长白山天池火山被列为全国七大活火山之首。长白山地区蕴藏着丰富的生态环境资源、林特产资源、水利电力资源和旅游资源等;长白山天池是松花江、图们江、鸭绿江的发源地。1980年被联合国科教文组织列为联合国“人与生物圈的自然保护区网”,成为我省乃至全国著名的旅游区,每年接待近百万游客到此旅游观光,因此它将面临着区内旅游资源的合理开发利用,生态环境资源的保护,灾害的监测和预警等诸方面亟待解决的问题。区内新生代火山喷发频繁而强烈,在近1万年左右时间内,至少发生过两次灾害性的大爆发,特别是公元1215年左右的一次火山爆发,其规模之大,波及范围之广,是全球近2000年来规模最大的火山喷发之一。我们本次选择火山灾害的重灾区进行1∶5万(老跃进林场、白头山、维东和天池幅)图幅联测工作,其目的是调查研究长白山天池火山的喷发活动规律,并对其稳定性作出评价。这对本区经济规划与发展和数百万人口生命财产的安全,都具有十分重大的现实意义。1基性质熔岩台和火山弱地区的构造差异测区位于吉林省东部长白山区腹地。大地构造位置属亚洲东部大陆边缘新生代构造火山岩带。长白山天池火山座落于松辽盆地与日本海弧后盆地间北北东向隆起带与吉林桦甸—朝鲜金策北西向火山断裂交汇处。自新生代上新世以来,区内曾发生过频繁的、多期次间歇性的强烈火山喷发活动,形成大面积分布的火山岩,构成以玄武质熔岩流为主的火山熔岩台地,和以粗面岩、石英粗面岩、黑曜岩、碱流岩、碱流质浮岩为主的火山渣锥地貌。根据区内火山岩的分布和已知火山口(寄生火山渣锥)的空间展布规律得知,火山活动受区域断裂构造控制明显,即断裂构造控制了火山活动,而火山活动又促进了断裂构造的发生、发展。在地质发展历史的早期阶段,受太平洋板块俯冲作用和日本海弧后盆地的扩展作用影响,使大陆边缘发生局部拱起,产生了区域北东向和北西向两组基底断裂构造,呈网格状排列,地下的基性玄武质熔浆沿断裂活动带及薄弱带上升,直至喷溢出地表,形成熔岩流,构成玄武岩台地;中晚期岩浆以碱性和酸性为主,因其粘度大,不易流动,堆积于火山口周围,形成长白山火山渣锥,并以天池主火山口为中心,形成多条放射状断裂。由于多次火山爆发,大量的地下熔浆喷出地表,造成地下固体总量的严重亏损,经估算质量亏损达80亿t,使火山口多次塌陷,区域上产生了多条环状断裂,形成了天池破火山口地貌。环状断裂与放射状断裂一同构成区域上蜘蛛网状火山机构断裂构造模式。2代代相传的火山喷雾剂2.1上地潭顶部岩浆房长白山天池火山是典型的双峰式岩浆喷发物质组成的多成因复合火山。大地电磁测深探测结果表明,在地下12～25km范围内存在地壳岩浆房(碱性岩浆房);通过S波CT结果显示,在天池火山下面40～60km的上地幔顶部,存在上地幔岩浆房(基性岩浆房)。这与区内形成的由玄武岩和粗面岩、碱流岩组成的双峰式火山岩组合的地质特征相吻合,也可佐证区内确实存在着双重岩浆房。依据1∶5万区调工作所获得的各期火山岩之间的叠覆关系,结合各期火山岩的组合、岩石学和地球化学特征,以及同位素年代学证据,按火山喷发事件,将区内火山岩由老至新划分了4个火山喷发旋回,13个火山喷发期(表1)。2.2早期火山活动阶段长白山天池火山口之下存在着两个岩浆房(地壳碱性岩浆房和上地幔基性岩浆房)。由表1可知;区内的火山喷发作用、岩浆演化特征及所形成的火山岩均由地下岩浆房的物质成分所决定,它们既有内在联系,又相互制约,互相影响,形成各具特色的火山岩岩石组合。早期阶段火山活动以上地幔基性岩浆为主,有三次基性火山事件,形成军舰山期、漫江期和黑石沟期玄武岩类。晚期阶段火山活动以地壳碱性岩浆为主,有9次碱性火山事件,形成小白山期粗安岩;白头山期粗面岩、石英粗面岩;气象站期碱流岩、黑曜岩;冰场期和八卦庙期熔结凝灰角砾岩、浮岩及火山渣;以及白云峰期碱流质浮岩等火山岩组合。此间并伴有老虎洞期碱性橄榄玄武岩组合。故本区岩浆演化不连续,有由早期上地幔基性岩浆向晚期地壳碱性岩浆演化趋势,且晚期存在两者间的过渡类型。2.3爆发性火山作用受地下熔浆补给量和岩浆物质成分的控制及外来组分(主要是水)的加入影响,导致区内火山喷发活动的强度、规模、喷发方式以及喷发作用类型的不同。上新世—早更新世早期,基性火山事件以早期裂隙式喷溢为主向晚期裂隙式中心喷发转化;喷发强度由大规模的裂隙式溢流逐渐过渡到小规模的裂隙式喷发,有由强转弱直至结束的变化趋势。早更新世晚期—全新世,碱性火山事件均以中心式喷发和中心式爆发为主,裂隙式中心喷发次之。喷发强度有由早期的小规模中心式喷发向中期大规模中心式喷发,至晚期的小规模中心式喷发转化,表现出由弱到强再转弱,最后结束的变化趋势。根据区内大面积分布的基性火山熔岩和碱性火山碎屑岩以及分布局限的碱性火山熔岩的地质特征分析,爆发性火山作用主要有岩浆型、蒸气-岩浆型(或岩浆-蒸气型)和蒸气型三种类型。由表1可知:火山喷发作用类型的演化具有由早期岩浆型爆发作用(军舰山期、漫江期、小白山期)向中期蒸气-岩浆型(白头山期、气象站期)、晚期岩浆-蒸气型(冰场期、八卦庙期)与蒸气型(白云峰期和近代喷发期)过渡的特点。区内早期岩浆来源于上地幔岩浆房的玄武质熔浆,因其本身粘度低,流动性大,且含水量极低,不含或含有少量的挥发组分,不产生体积膨胀,上升速度亦较慢,以岩浆型喷发的裂隙式溢流为主的熔岩流形式出现,且地下补给量充足,故形成区域上大面积分布的基性玄武岩熔岩台地;中期岩浆来源于地壳岩浆房的碱性熔浆,在岩浆运移过程中发生结晶分异,岩浆中除含有大量的挥发性组分(H2O、CO2)外,还有外来水(地下水)的参与补给,岩浆与水高度混合,引起沸腾,产生体积膨胀,上升速度也较前者快,喷出地表,发生火山爆发。岩浆以中心式喷发为主,裂隙式喷发次之,并在区域上形成以天池主火山口为中心的多条放射状断裂,以蒸气-岩浆型或岩浆-蒸气型喷发为主,形成粗面岩、碱流岩和少量浮岩的火山熔岩渣锥;晚期岩浆仍来自于地壳岩浆房的碱性岩浆,以天池火山口为主要通道,这时岩浆除本身富含大量挥发分,导致岩浆上升速度加快外,同时沿着原有的火山通道,在上升运移过程中,地下炽热的含有大量挥发分的熔浆与大量的地下水和火山通道汇集的足够量的地表水相遇,使体积急骤膨胀,产生以中心式爆发为主,呈爆发柱方式喷出地表的火山爆发。喷发作用类型以蒸气爆发作用为主,形成区域上大面积分布的浮岩及沿沟谷大量分布的火山碎屑流(伊格尼姆岩流)堆积。2.4火山喷发期各期区内自新生代上新世以来,曾发生过多次大规模的火山爆发,火山活动频繁而强烈。火山喷发的控制因素很多,主要取决于岩浆的物质成分及挥发分含量,其次受外来组分(水的参与)影响和断裂构造规模的控制及地下熔浆补给量的制约。岩浆的上升速度,无挥发分出溶时的岩浆上升速度较低,含挥发分出溶时的岩浆上升速度则明显加快。熔浆上升速度又直接影响到火山喷发柱的喷发高度,根据吴才来等(1998)的资料,区内各期火山喷发动力机制及动力学参数如下表(表2)。由表2得知:①全新世各期火山喷发时,火山流体中挥发分体积分数均在70%左右,其余各期火山流体中挥发分体积分数的变化区间为6.47%～15.93%,漫江期最低,仅为4.03%。这与岩浆成分有关,也与全新世各期火山岩为大量的浮岩、熔结角砾凝灰岩,其余各期为碱性火山熔岩和少量浮岩,漫江期为基性熔岩相吻合;②挥发分体积分数也决定了岩浆上升速度,即挥发分含量高,熔浆体积膨胀大,压力增高,使岩浆上升速度加快。从上述各个喷发期的动力学参数特征可以看出:岩浆挥发分体积分数值大,上升速度则增快,喷发柱的高度亦增高,参数之间呈正相关关系;③岩浆上升速度又控制了火山喷柱的高度,白云峰期喷发柱最高,为11.25km,八卦庙期次之,为10.10km,冰场期更次,为6.03km,其余各期均小于2.51km。全新世各期喷发柱喷发高度是其余各期的3～5倍,计算结果与本区白云峰期碱流质浮岩遍布全区和八卦庙期火山灰飘落到日本的事实相符;④喷发量计算结果表明:漫江期喷发量最多,为483×103Mt,其次为小白山期51.2×103Mt和白头山期51.39×103Mt,余者均小于10×103Mt,这与本区玄武岩数量最多,分布最广,碱流岩、粗面岩次之,而浮岩和熔结角砾凝灰岩的数量最少的地质事实相吻合。3长白山天池火山的性质、特征目前,长白山天池火山的研究工作正在逐步深入,对其能否发生喷发,是近期还是远期,喷发的规模大小以及波及范围有多广等,都受到了地学工作者的关注,并根据各自工作性质和目的,通过采用不同工作手段,对其稳定性进行了初步评价,归纳起来主要有:①以中科院地研所刘嘉麒为代表,认为长白山天池是一座活火山,随时都可能发生爆发。②以国家地震局地研所刘若新等为代表,认为长白山天池是一座活火山,近期不会喷发,是一座具有潜在喷发危险的大型近代活动火山。③我们在与中国地科院地研所李兆鼐研究员等一起,通过近三年的野外地质调查和收集有关火山资料,从以下诸方面进行研究、分析和论证:a.从火山爆发作用过程,由岩浆型向蒸气-岩浆型、到蒸气型过渡,认为长白山天池火山目前由中年期在向老年期转化;b.从对区内广布的寄生火山锥(火山口)的分布规律特征分析认为,这是地下能量释放的后期阶段的一种表现方式,如再次发生火山喷发,则需要一个较长时间的能量积累过程;c.从区域内所展布的断裂构造系统分析,火山机构构造主要为放射状和环状断裂,反映是张性特点,属开放体系,不具备能量积聚的构造环境特征;d.天池周围分布的大量温泉群,水温在50～80℃,基本属深源的,意味着是地下能量缓慢释放的一种表现形式;e.当有火山喷发前兆时,水中的S含量将增加上百倍,据1997年日本专家对天池水中的SO2进行测定,其S的含量无异常变化。综合上述,我们认为:长白山天池火山是由活动期向休眠期过渡,近期不会有太大规模的爆发,如果发生火山爆发,有向东及东南方向迁移的迹象。4火山喷发事件对环境效应的影响火山喷发作用是地下能量大量积骤,快速释放的过程,具有突发性。它对环境效应产生极大的影响,引发的火山灾害是不容忽视的。关于对长白山天池火山的稳定性评价研究,无论上述哪种论点,都不排除有继续爆发的可能性。据报导,1986年8月21日于长白山天池西北约40km处发生了Ms3.7级地震,也可证明地下仍有活动。根据对现今所存火山喷发堆积物的研究表明,在第四纪的整个地质历史发展过程中,火山活动具有多期多阶段性,既有间歇性的基性火山喷发事件,又有间歇性的碱性火山爆发事件,对环境效应产生巨大的影响,尤其是早全新世冰场期(4105～6440a)和中全新世白云峰期(1215a左右)的两次碱性火山喷发事件,对人类的危害更大,不仅在我国具有代表性,在东南亚乃至全球也具有典型性。区内早期的基性火山喷发活动,造成的直接火山灾害主要为熔岩流大面积吞蚀,使古地貌夷为玄武岩台地,间接灾害使古气候发生改变,对区内所有生物造成毁灭性破坏,致使某些物种灭绝。中晚期的碱性火山爆发活动,造成的直接火山灾害主要为碱性熔岩的吞蚀,大量火山碎屑流的掩埋,并由此引发的火山地震和森林大火,毁坏所有森林,这从碎屑流中含有大量碳化木的事实可以佐证。此外,火山喷发作用所引起间接的局部灾害如岩石重力滑塌、崩塌,碎屑流滑塌以及暴雨造成的泥石流等也不可轻视。火山喷发作用对环境效应的影响具有双重性,除了造成直接的灾害和引发间接的破坏性环境效应外,在一定条件下,还可产生积极的环境效应。在长白山地区,由火山作用所形成的独特优美的自然景观,蕴藏着丰富的旅游资源,为发展该区的旅游业创造了优越的条件(如长白山天池、小天池、锦江大峡谷、地下森林等);长白山天池周围分布的大量冷泉和热泉,含有多种人体所必需的微量元素,具有较高的医疗和保健功效。以上为人们提供了多处旅游景点和疗养场所。区内出露的大量玄武岩,是良好的建筑石材和工业防腐建筑的极好材料;而大量赋存的碱性浮岩,经过深加工后可做岩棉材料和新型建筑的轻体骨料,储量极为丰富。5长白山天池火山形成的稳定性评价火山喷发作用引发的火山灾害,无论是直接或间接灾害,对生态环境效应的影响,对工农业生产和人类生命财产的破坏作用都是很大的。应引起人们的高度重视。通过工作有如下认识:①区内自上新世以来,火山活动频繁,大规模的火山喷发多达13期。②喷发作用方式由基性岩浆裂隙式溢流向碱性岩浆中心式喷发过渡。喷发作用类型由岩浆型喷发向蒸气-岩浆型(岩浆-蒸气型)喷发到蒸气型爆发转化。总体上表现出火山喷发活动规模越来越小,活动时间间隔越来越短,灾害性则越来越大的特点。③对长白山天池火山的稳定性评价,目前研究结果均有再次爆发的可能和危险。虽然长白山天池火山现在没有喷发,但地震资料间接表明,地下仍有活动迹象。因此,如火山喷发,即使是规模小于1