吉林省長白山天池火山活動特征及成因分析

地震災(zāi)害的研究和預(yù)測是當(dāng)前地球科學(xué)研究領(lǐng)域的研究重點。中國是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一,而地質(zhì)災(zāi)害中尤以火山災(zāi)害給人類所造成的損失最大。據(jù)最近1萬年來的統(tǒng)計,世界上約有1300多座火山噴發(fā),約有3.6億人口生活和居住在火山噴發(fā)危險帶內(nèi)。在環(huán)太平洋周圍,每年約有50余座火山噴發(fā),占世界活火山總數(shù)2/3,且部分火山噴發(fā)造成了嚴(yán)重的火山災(zāi)害。1978年“第42屆聯(lián)合國大會”已將火山災(zāi)害列入“國際減災(zāi)十年”的研究計劃。我國是火山分布較多的地區(qū),近年來隨著環(huán)太平洋活火山災(zāi)害的加劇,我國火山災(zāi)害地質(zhì)的研究已引起國內(nèi)外許多學(xué)者的普遍關(guān)注和重視,特別是中國吉林省境內(nèi)的長白山天池火山被列為全國七大活火山之首。長白山地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的生態(tài)環(huán)境資源、林特產(chǎn)資源、水利電力資源和旅游資源等;長白山天池是松花江、圖們江、鴨綠江的發(fā)源地。1980年被聯(lián)合國科教文組織列為聯(lián)合國“人與生物圈的自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)”,成為我省乃至全國著名的旅游區(qū),每年接待近百萬游客到此旅游觀光,因此它將面臨著區(qū)內(nèi)旅游資源的合理開發(fā)利用,生態(tài)環(huán)境資源的保護(hù),災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警等諸方面亟待解決的問題。區(qū)內(nèi)新生代火山噴發(fā)頻繁而強(qiáng)烈,在近1萬年左右時間內(nèi),至少發(fā)生過兩次災(zāi)害性的大爆發(fā),特別是公元1215年左右的一次火山爆發(fā),其規(guī)模之大,波及范圍之廣,是全球近2000年來規(guī)模最大的火山噴發(fā)之一。我們本次選擇火山災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)進(jìn)行1∶5萬(老躍進(jìn)林場、白頭山、維東和天池幅)圖幅聯(lián)測工作,其目的是調(diào)查研究長白山天池火山的噴發(fā)活動規(guī)律,并對其穩(wěn)定性作出評價。這對本區(qū)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃與發(fā)展和數(shù)百萬人口生命財產(chǎn)的安全,都具有十分重大的現(xiàn)實意義。1基性質(zhì)熔巖臺和火山弱地區(qū)的構(gòu)造差異測區(qū)位于吉林省東部長白山區(qū)腹地。大地構(gòu)造位置屬亞洲東部大陸邊緣新生代構(gòu)造火山巖帶。長白山天池火山座落于松遼盆地與日本?；『笈璧亻g北北東向隆起帶與吉林樺甸—朝鮮金策北西向火山斷裂交匯處。自新生代上新世以來,區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過頻繁的、多期次間歇性的強(qiáng)烈火山噴發(fā)活動,形成大面積分布的火山巖,構(gòu)成以玄武質(zhì)熔巖流為主的火山熔巖臺地,和以粗面巖、石英粗面巖、黑曜巖、堿流巖、堿流質(zhì)浮巖為主的火山渣錐地貌。根據(jù)區(qū)內(nèi)火山巖的分布和已知火山口(寄生火山渣錐)的空間展布規(guī)律得知,火山活動受區(qū)域斷裂構(gòu)造控制明顯,即斷裂構(gòu)造控制了火山活動,而火山活動又促進(jìn)了斷裂構(gòu)造的發(fā)生、發(fā)展。在地質(zhì)發(fā)展歷史的早期階段,受太平洋板塊俯沖作用和日本?；『笈璧氐臄U(kuò)展作用影響,使大陸邊緣發(fā)生局部拱起,產(chǎn)生了區(qū)域北東向和北西向兩組基底斷裂構(gòu)造,呈網(wǎng)格狀排列,地下的基性玄武質(zhì)熔漿沿斷裂活動帶及薄弱帶上升,直至噴溢出地表,形成熔巖流,構(gòu)成玄武巖臺地;中晚期巖漿以堿性和酸性為主,因其粘度大,不易流動,堆積于火山口周圍,形成長白山火山渣錐,并以天池主火山口為中心,形成多條放射狀斷裂。由于多次火山爆發(fā),大量的地下熔漿噴出地表,造成地下固體總量的嚴(yán)重虧損,經(jīng)估算質(zhì)量虧損達(dá)80億t,使火山口多次塌陷,區(qū)域上產(chǎn)生了多條環(huán)狀斷裂,形成了天池破火山口地貌。環(huán)狀斷裂與放射狀斷裂一同構(gòu)成區(qū)域上蜘蛛網(wǎng)狀火山機(jī)構(gòu)斷裂構(gòu)造模式。2代代相傳的火山噴霧劑2.1上地潭頂部巖漿房長白山天池火山是典型的雙峰式巖漿噴發(fā)物質(zhì)組成的多成因復(fù)合火山。大地電磁測深探測結(jié)果表明,在地下12～25km范圍內(nèi)存在地殼巖漿房(堿性巖漿房);通過S波CT結(jié)果顯示,在天池火山下面40～60km的上地幔頂部,存在上地幔巖漿房(基性巖漿房)。這與區(qū)內(nèi)形成的由玄武巖和粗面巖、堿流巖組成的雙峰式火山巖組合的地質(zhì)特征相吻合,也可佐證區(qū)內(nèi)確實存在著雙重巖漿房。依據(jù)1∶5萬區(qū)調(diào)工作所獲得的各期火山巖之間的疊覆關(guān)系,結(jié)合各期火山巖的組合、巖石學(xué)和地球化學(xué)特征,以及同位素年代學(xué)證據(jù),按火山噴發(fā)事件,將區(qū)內(nèi)火山巖由老至新劃分了4個火山噴發(fā)旋回,13個火山噴發(fā)期(表1)。2.2早期火山活動階段長白山天池火山口之下存在著兩個巖漿房(地殼堿性巖漿房和上地?；詭r漿房)。由表1可知;區(qū)內(nèi)的火山噴發(fā)作用、巖漿演化特征及所形成的火山巖均由地下巖漿房的物質(zhì)成分所決定,它們既有內(nèi)在聯(lián)系,又相互制約,互相影響,形成各具特色的火山巖巖石組合。早期階段火山活動以上地?；詭r漿為主,有三次基性火山事件,形成軍艦山期、漫江期和黑石溝期玄武巖類。晚期階段火山活動以地殼堿性巖漿為主,有9次堿性火山事件,形成小白山期粗安巖;白頭山期粗面巖、石英粗面巖;氣象站期堿流巖、黑曜巖;冰場期和八卦廟期熔結(jié)凝灰角礫巖、浮巖及火山渣;以及白云峰期堿流質(zhì)浮巖等火山巖組合。此間并伴有老虎洞期堿性橄欖玄武巖組合。故本區(qū)巖漿演化不連續(xù),有由早期上地?；詭r漿向晚期地殼堿性巖漿演化趨勢,且晚期存在兩者間的過渡類型。2.3爆發(fā)性火山作用受地下熔漿補(bǔ)給量和巖漿物質(zhì)成分的控制及外來組分(主要是水)的加入影響,導(dǎo)致區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)活動的強(qiáng)度、規(guī)模、噴發(fā)方式以及噴發(fā)作用類型的不同。上新世—早更新世早期,基性火山事件以早期裂隙式噴溢為主向晚期裂隙式中心噴發(fā)轉(zhuǎn)化;噴發(fā)強(qiáng)度由大規(guī)模的裂隙式溢流逐漸過渡到小規(guī)模的裂隙式噴發(fā),有由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱直至結(jié)束的變化趨勢。早更新世晚期—全新世,堿性火山事件均以中心式噴發(fā)和中心式爆發(fā)為主,裂隙式中心噴發(fā)次之。噴發(fā)強(qiáng)度有由早期的小規(guī)模中心式噴發(fā)向中期大規(guī)模中心式噴發(fā),至晚期的小規(guī)模中心式噴發(fā)轉(zhuǎn)化,表現(xiàn)出由弱到強(qiáng)再轉(zhuǎn)弱,最后結(jié)束的變化趨勢。根據(jù)區(qū)內(nèi)大面積分布的基性火山熔巖和堿性火山碎屑巖以及分布局限的堿性火山熔巖的地質(zhì)特征分析,爆發(fā)性火山作用主要有巖漿型、蒸氣-巖漿型(或巖漿-蒸氣型)和蒸氣型三種類型。由表1可知:火山噴發(fā)作用類型的演化具有由早期巖漿型爆發(fā)作用(軍艦山期、漫江期、小白山期)向中期蒸氣-巖漿型(白頭山期、氣象站期)、晚期巖漿-蒸氣型(冰場期、八卦廟期)與蒸氣型(白云峰期和近代噴發(fā)期)過渡的特點。區(qū)內(nèi)早期巖漿來源于上地幔巖漿房的玄武質(zhì)熔漿,因其本身粘度低,流動性大,且含水量極低,不含或含有少量的揮發(fā)組分,不產(chǎn)生體積膨脹,上升速度亦較慢,以巖漿型噴發(fā)的裂隙式溢流為主的熔巖流形式出現(xiàn),且地下補(bǔ)給量充足,故形成區(qū)域上大面積分布的基性玄武巖熔巖臺地;中期巖漿來源于地殼巖漿房的堿性熔漿,在巖漿運移過程中發(fā)生結(jié)晶分異,巖漿中除含有大量的揮發(fā)性組分(H2O、CO2)外,還有外來水(地下水)的參與補(bǔ)給,巖漿與水高度混合,引起沸騰,產(chǎn)生體積膨脹,上升速度也較前者快,噴出地表,發(fā)生火山爆發(fā)。巖漿以中心式噴發(fā)為主,裂隙式噴發(fā)次之,并在區(qū)域上形成以天池主火山口為中心的多條放射狀斷裂,以蒸氣-巖漿型或巖漿-蒸氣型噴發(fā)為主,形成粗面巖、堿流巖和少量浮巖的火山熔巖渣錐;晚期巖漿仍來自于地殼巖漿房的堿性巖漿,以天池火山口為主要通道,這時巖漿除本身富含大量揮發(fā)分,導(dǎo)致巖漿上升速度加快外,同時沿著原有的火山通道,在上升運移過程中,地下熾熱的含有大量揮發(fā)分的熔漿與大量的地下水和火山通道匯集的足夠量的地表水相遇,使體積急驟膨脹,產(chǎn)生以中心式爆發(fā)為主,呈爆發(fā)柱方式噴出地表的火山爆發(fā)。噴發(fā)作用類型以蒸氣爆發(fā)作用為主,形成區(qū)域上大面積分布的浮巖及沿溝谷大量分布的火山碎屑流(伊格尼姆巖流)堆積。2.4火山噴發(fā)期各期區(qū)內(nèi)自新生代上新世以來,曾發(fā)生過多次大規(guī)模的火山爆發(fā),火山活動頻繁而強(qiáng)烈。火山噴發(fā)的控制因素很多,主要取決于巖漿的物質(zhì)成分及揮發(fā)分含量,其次受外來組分(水的參與)影響和斷裂構(gòu)造規(guī)模的控制及地下熔漿補(bǔ)給量的制約。巖漿的上升速度,無揮發(fā)分出溶時的巖漿上升速度較低,含揮發(fā)分出溶時的巖漿上升速度則明顯加快。熔漿上升速度又直接影響到火山噴發(fā)柱的噴發(fā)高度,根據(jù)吳才來等(1998)的資料,區(qū)內(nèi)各期火山噴發(fā)動力機(jī)制及動力學(xué)參數(shù)如下表(表2)。由表2得知:①全新世各期火山噴發(fā)時,火山流體中揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)均在70%左右,其余各期火山流體中揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)的變化區(qū)間為6.47%～15.93%,漫江期最低,僅為4.03%。這與巖漿成分有關(guān),也與全新世各期火山巖為大量的浮巖、熔結(jié)角礫凝灰?guī)r,其余各期為堿性火山熔巖和少量浮巖,漫江期為基性熔巖相吻合;②揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)也決定了巖漿上升速度,即揮發(fā)分含量高,熔漿體積膨脹大,壓力增高,使巖漿上升速度加快。從上述各個噴發(fā)期的動力學(xué)參數(shù)特征可以看出:巖漿揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)值大,上升速度則增快,噴發(fā)柱的高度亦增高,參數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系;③巖漿上升速度又控制了火山噴柱的高度,白云峰期噴發(fā)柱最高,為11.25km,八卦廟期次之,為10.10km,冰場期更次,為6.03km,其余各期均小于2.51km。全新世各期噴發(fā)柱噴發(fā)高度是其余各期的3～5倍,計算結(jié)果與本區(qū)白云峰期堿流質(zhì)浮巖遍布全區(qū)和八卦廟期火山灰飄落到日本的事實相符;④噴發(fā)量計算結(jié)果表明:漫江期噴發(fā)量最多,為483×103Mt,其次為小白山期51.2×103Mt和白頭山期51.39×103Mt,余者均小于10×103Mt,這與本區(qū)玄武巖數(shù)量最多,分布最廣,堿流巖、粗面巖次之,而浮巖和熔結(jié)角礫凝灰?guī)r的數(shù)量最少的地質(zhì)事實相吻合。3長白山天池火山的性質(zhì)、特征目前,長白山天池火山的研究工作正在逐步深入,對其能否發(fā)生噴發(fā),是近期還是遠(yuǎn)期,噴發(fā)的規(guī)模大小以及波及范圍有多廣等,都受到了地學(xué)工作者的關(guān)注,并根據(jù)各自工作性質(zhì)和目的,通過采用不同工作手段,對其穩(wěn)定性進(jìn)行了初步評價,歸納起來主要有:①以中科院地研所劉嘉麒為代表,認(rèn)為長白山天池是一座活火山,隨時都可能發(fā)生爆發(fā)。②以國家地震局地研所劉若新等為代表,認(rèn)為長白山天池是一座活火山,近期不會噴發(fā),是一座具有潛在噴發(fā)危險的大型近代活動火山。③我們在與中國地科院地研所李兆鼐研究員等一起,通過近三年的野外地質(zhì)調(diào)查和收集有關(guān)火山資料,從以下諸方面進(jìn)行研究、分析和論證:a.從火山爆發(fā)作用過程,由巖漿型向蒸氣-巖漿型、到蒸氣型過渡,認(rèn)為長白山天池火山目前由中年期在向老年期轉(zhuǎn)化;b.從對區(qū)內(nèi)廣布的寄生火山錐(火山口)的分布規(guī)律特征分析認(rèn)為,這是地下能量釋放的后期階段的一種表現(xiàn)方式,如再次發(fā)生火山噴發(fā),則需要一個較長時間的能量積累過程;c.從區(qū)域內(nèi)所展布的斷裂構(gòu)造系統(tǒng)分析,火山機(jī)構(gòu)構(gòu)造主要為放射狀和環(huán)狀斷裂,反映是張性特點,屬開放體系,不具備能量積聚的構(gòu)造環(huán)境特征;d.天池周圍分布的大量溫泉群,水溫在50～80℃,基本屬深源的,意味著是地下能量緩慢釋放的一種表現(xiàn)形式;e.當(dāng)有火山噴發(fā)前兆時,水中的S含量將增加上百倍,據(jù)1997年日本專家對天池水中的SO2進(jìn)行測定,其S的含量無異常變化。綜合上述,我們認(rèn)為:長白山天池火山是由活動期向休眠期過渡,近期不會有太大規(guī)模的爆發(fā),如果發(fā)生火山爆發(fā),有向東及東南方向遷移的跡象。4火山噴發(fā)事件對環(huán)境效應(yīng)的影響火山噴發(fā)作用是地下能量大量積驟,快速釋放的過程,具有突發(fā)性。它對環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生極大的影響,引發(fā)的火山災(zāi)害是不容忽視的。關(guān)于對長白山天池火山的穩(wěn)定性評價研究,無論上述哪種論點,都不排除有繼續(xù)爆發(fā)的可能性。據(jù)報導(dǎo),1986年8月21日于長白山天池西北約40km處發(fā)生了Ms3.7級地震,也可證明地下仍有活動。根據(jù)對現(xiàn)今所存火山噴發(fā)堆積物的研究表明,在第四紀(jì)的整個地質(zhì)歷史發(fā)展過程中,火山活動具有多期多階段性,既有間歇性的基性火山噴發(fā)事件,又有間歇性的堿性火山爆發(fā)事件,對環(huán)境效應(yīng)產(chǎn)生巨大的影響,尤其是早全新世冰場期(4105～6440a)和中全新世白云峰期(1215a左右)的兩次堿性火山噴發(fā)事件,對人類的危害更大,不僅在我國具有代表性,在東南亞乃至全球也具有典型性。區(qū)內(nèi)早期的基性火山噴發(fā)活動,造成的直接火山災(zāi)害主要為熔巖流大面積吞蝕,使古地貌夷為玄武巖臺地,間接災(zāi)害使古氣候發(fā)生改變,對區(qū)內(nèi)所有生物造成毀滅性破壞,致使某些物種滅絕。中晚期的堿性火山爆發(fā)活動,造成的直接火山災(zāi)害主要為堿性熔巖的吞蝕,大量火山碎屑流的掩埋,并由此引發(fā)的火山地震和森林大火,毀壞所有森林,這從碎屑流中含有大量碳化木的事實可以佐證。此外,火山噴發(fā)作用所引起間接的局部災(zāi)害如巖石重力滑塌、崩塌,碎屑流滑塌以及暴雨造成的泥石流等也不可輕視?；鹕絿姲l(fā)作用對環(huán)境效應(yīng)的影響具有雙重性,除了造成直接的災(zāi)害和引發(fā)間接的破壞性環(huán)境效應(yīng)外,在一定條件下,還可產(chǎn)生積極的環(huán)境效應(yīng)。在長白山地區(qū),由火山作用所形成的獨特優(yōu)美的自然景觀,蘊(yùn)藏著豐富的旅游資源,為發(fā)展該區(qū)的旅游業(yè)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件(如長白山天池、小天池、錦江大峽谷、地下森林等);長白山天池周圍分布的大量冷泉和熱泉,含有多種人體所必需的微量元素,具有較高的醫(yī)療和保健功效。以上為人們提供了多處旅游景點和療養(yǎng)場所。區(qū)內(nèi)出露的大量玄武巖,是良好的建筑石材和工業(yè)防腐建筑的極好材料;而大量賦存的堿性浮巖,經(jīng)過深加工后可做巖棉材料和新型建筑的輕體骨料,儲量極為豐富。5長白山天池火山形成的穩(wěn)定性評價火山噴發(fā)作用引發(fā)的火山災(zāi)害,無論是直接或間接災(zāi)害,對生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的影響,對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生命財產(chǎn)的破壞作用都是很大的。應(yīng)引起人們的高度重視。通過工作有如下認(rèn)識:①區(qū)內(nèi)自上新世以來,火山活動頻繁,大規(guī)模的火山噴發(fā)多達(dá)13期。②噴發(fā)作用方式由基性巖漿裂隙式溢流向堿性巖漿中心式噴發(fā)過渡。噴發(fā)作用類型由巖漿型噴發(fā)向蒸氣-巖漿型(巖漿-蒸氣型)噴發(fā)到蒸氣型爆發(fā)轉(zhuǎn)化。總體上表現(xiàn)出火山噴發(fā)活動規(guī)模越來越小,活動時間間隔越來越短,災(zāi)害性則越來越大的特點。③對長白山天池火山的穩(wěn)定性評價,目前研究結(jié)果均有再次爆發(fā)的可能和危險。雖然長白山天池火山現(xiàn)在沒有噴發(fā),但地震資料間接表明,地下仍有活動跡象。因此,如火山噴發(fā),即使是規(guī)模小于1