火山熔岩爆发

琼北全新世火山区熔岩流流动速度的恢复与火山灾害性讨论^[1]

魏海泉1　白志达2　李战勇3　孙谦1　樊祺诚1　史兰斌1

张秉良1　徐德斌2　胡久常3　肖劲平3　卢永健3

1.中国地震局地质研究所，北京，100029

2.中国地质大学，北京，100083

3.海南省地震局，海口，570203

摘要：琼北全新世火山区分为4个火山系统，熔岩流流动距离集中在4—8km之间，而熔岩流宽度则以1.5km左右为常见。根据琼北全新世火山区内熔岩流不同流动单元表面坡度、岩流厚度的调查，结合熔岩流温度与密度等物理参数计算恢复的琼北全新世火山区熔岩流流动速度众值在0.5 m/s左右，底部剪切力约为5000Pa。对于厚度巨大的熔岩流（流动单元厚度大于15m）流动速度可加快至5m/s，而底部剪切力则可加大至50000Pa。对于一条8m厚的熔岩流，其地表流动时间均在100h以内，而以流动时间在1d以内为常见。根据熔岩流长度与体积恢复的喷发持续时间对于不同火山系统短至2个月，长达2年。8km预期熔岩流长度可以作为未来火山喷发时熔岩流火山灾害影响范围的重要参照系数，制定的相应减灾措施应该以此作为重要依据之一。琼北近代火山区火山灾害主要表现为熔岩流对农田、林地、道路的毁坏及引发的火灾。

关键词：全新世；熔岩流；流动速度；持续时间；火山灾害；海南岛

琼北全新世火山区分为4个火山系统（魏海泉等，2003），火山区离海口市最近的距离仅8km，这些“城市火山”自上个世纪末开始已经越来越引起国际火山学界的重视。本文将讨论琼北全新世火山作用集中发育区内火山喷发过程与有关灾害类型，并首次对琼北全新世火山区熔岩流的流动速度、流动时间、喷发持续时间等喷发物理参数作了限定。

前人研究资料中，火山地质、遥感解译与岩石学研究工作主要限于20世纪50—80年代（边兆祥，1958；丁国瑜等，1964；陈述彭，1981；傅秀银，1981；严正等，1983；王贤觉等，1984；陈上福等，1985；黄坤荣，1986；韩中元等，1987；朱炳泉等，1989），火山岩定年工作主要开展于20世纪80—90年代（王惠基，1981；袁宝印，1984；王惠芬等，1988；孙建中，1988a，1988b；张仲英等，1989；黄镇国等，1993；陈沐龙等，1997）。由于测试手段的限制，所测年龄样品几乎全部针对全新世以前的火山岩样品。1993年，海南省地质矿产勘查开发局测绘队完成的1∶50000火山区填图，把本工作区划为全新世火山区（海南省地质矿产勘查开发局测绘队，1993），其年龄测试结果为：全新世石山组火山岩下伏道堂组火山岩最上部底浪堆积物中所含碳化木年龄为（16.79±0.41）ka；道堂组靠下部玄武岩及底浪堆积物中还分别测到了98.3ka 的K－Ar年龄和（124.3±3.7）ka与（199.6±6.0）ka的热释光年龄。虽说石山组火山喷发热释光年龄值为（32.12±0.96）ka，业已超过全新世年代范围，但考虑到热释光年龄本身的局限性，还是可以接受由地质等其他方法确定的石山组属全新世火山喷发的认识。本项目执行期间，本文作者之一樊祺诚得到了石山组一万年左右的热释光年龄；张秉良则通过玄武岩风化物蚀变矿物定年法得到6—12ka的火山喷发年龄，由此可以进一步证实工作区内火山岩大部分属全新世火山喷发产物的认识。

火山灾害研究工作中最为重要的是区分出不同火山产物的喷发机制与喷发过程（Canxn，2000；Itoh et al.，2000），通过对已有火山作用过程的研究，模拟（Palumbo，1983；Gudmundsson et al.，1999；Maeda，2000）、探讨未来可能发生的火山灾害类型与规模（Palumbo，1999），进而制订出可供政府决策者与公众参考的减灾方案与措施（Blong，1984；魏海泉等，1991，1997）。

因此，本文选择琼北全新世火山集中发育区内熔岩流动速度与灾害性加以讨论。

1　工作方法

工作思路是以现代火山学研究为指导，首先根据区内火山作用产物的成因类型与喷发物理过程野外考察结果，填制出详细的火山地质图与火山灾害图。结合航片解译资料，确定研究区火山作用发育特征、形成期次与喷发规模。依据不同熔岩流结构参数、表面坡度、厚度与体积以及熔岩温度、黏度等资料确定熔岩流流动速度与地表流动时间。以这两个参数作为琼北火山区未来火山灾害减轻时所考虑的重要依据。

熔岩流最大流动距离与熔岩溢出率有明显的相关关系，Walker（1973）给出了几十个世界上不同成分火山喷发熔岩流长度与溢出率的资料，Kilbern（1996）也给出了熔岩流最大长度与溢出率的关系 （其中LF是单一熔岩流的最大长度，QF是岩浆溢出速率，C是常数），由此可以根据琼北火山熔岩流出露长度资料限定喷发时岩浆溢出率等有关参数。

根据一个层流流体中的速度剖面（Allen，1997）的基本理论，在一个倾斜的平面上稳定均一流体内，边界剪切力是与作用在流体之上的重力向下分量相平衡的力。基本阻力方程是：

τ0＝ρgSd

其中τ0是单位面积底板对流体施加的拖曳力，它等于重力的下坡分量ρgSd，并与之方向相反。ρ是密度，g是重力加速度，S是坡度，d是流体厚度。流体中与底板平行的平面上的剪切力必须要等于其上高度为 d－y的流体柱的重量的下坡分量：

τy＝ρgS（d－y）

因此，

对于一个层流，阻力方程为：

其中u为速度，μ为黏度，y为自熔岩流底面向上垂直方向上的高度，积分得到边界之上任一点的速度。由于流体速度和黏度不随高度变化，所以：

非滑动条件得到边界条件：在y＝0时，u＝0，因此积分常数等于0。速度剖面呈抛物线式向着自由表面速度增加。

为了验证计算结果的可信性，把不同参数条件下的熔岩流流速计算结果与世界现代火山喷发观测记录到的熔岩流速结果作了对比，并参照了与琼北全新世火山类似的意大利埃特纳火山1971年喷发的经验公式（Booth and Self，1973）。结果显示计算结果与实测结果基本相当，表明计算结果具有一定的可信度。

2　工作结果

2.1　琼北全新世火山熔岩流平面几何特征

琼北近代火山熔岩流构造类型以结壳熔岩占绝对优势，它反映了喷发时相对较低的质量溢出率，并形成了本区广为发育的熔岩隧道。熔岩流流动距离符合正态分布特征，岩流长度多集中在4000—8000m之间（图1a）。琼北近代火山熔岩流宽度呈比较规则的正态分布。熔岩流宽度自100m的线状限定性流体至3200m的面状非限定性流体。宽度1600m的熔岩流占据熔岩流宽度的主要部分。

纵横比是研究熔岩流流动时流动方式与地形条件的一个重要指标（Walker，1973）。我们把琼北近代火山区熔岩流的纵横比定义为熔岩流总长度与平均宽度的比值。琼北近代火山熔岩区内不同火山系统具有不同的熔岩流纵横比，但集中分布频率在4左右（图1b）。

图1　琼北全新世火山熔岩流长度与纵横比分布特征

与世界上其他火山类似，琼北近代火山熔岩流表面坡度与火山口的距离呈反消长关系。如在雷虎岭火山（图2），随着离开火山口距离增加，熔岩流表面坡度在开始时迅速降低。经过几百米后，随着距火山口距离增加，熔岩流表面坡度减小幅度明显变小。就总体上坡度减小幅度而言，以雷虎岭熔岩流系统为最小；以国群、阳南、浩昌熔岩流系统为最大；马鞍岭熔岩流系统较小；而昌道熔岩流系统较大。

图2　雷虎岭熔岩流表面坡度与火山口距离的关系

参照通常熔岩流动速度估算方法，笔者对琼北全新世火山熔岩流动速度作了估算，并计算熔岩流动到最远距离时所经历的时间。据公式，首先在野外测量不同流动单元离火山口不同位置上的地表坡度S（表1）和熔岩流厚度d（表2），然后选取不同岩浆物理参数，如岩浆温度取1200℃，熔岩黏度取5000kg/sm，50000kg/sm，熔岩密度取2600g/cm3。再按照不同熔岩流厚度分别计算相应的流动速度与熔岩流底部剪切力（表3），最后计算出不同流动单元的熔岩流的各自总流动时间。野外考察时发现，琼北全新世熔岩流厚度大多数集中于5—20m之间，计算时选取熔岩流厚度d＝8m和d＝16m的熔岩流动速度作为琼北全新世火山熔岩流动速度的估算值。计算得到不同厚度熔岩流流动速度与底部剪切力如图3所示。图3a指示了对于琼北全新世火山区内8m厚的熔岩流，其流动速度在0.05—5m/s之间，总体上属于偏正态分布，流速众值为0.5m/s。由图3b可以看出，当熔岩流厚度加大至16m时，熔岩流流动速度明显加大，速度高达5m/s的熔岩流流速也很常见。熔岩流底部剪切力的分布特征与熔岩流流速分布特征量类似，图3c指示8m厚的熔岩流底部剪切力基本上属于正态分布，频率众值为5000Pa。图3d则表明16m厚的熔岩流底部50000Pa左右的剪切力较集中。

图3　琼北全新世火山区熔岩流流动速度与底部剪切力分布特征

图4给出了不同单元熔岩流流动时间。由图可见：对于琼北全新世火山区8m厚的熔岩流，不同流动单元的流动时间均在100h以内，其中大部分流动时间又都集中在20h左右。这也指示了琼北全新世火山区未来喷发时，8m厚的熔岩流很有可能在1d之内就达到或接近了它的最大流动距离。

图4　琼北全新世火山区8m厚熔岩流流动时间分布图

表1　琼北全新世火山区熔岩流地表坡度测量

3　讨论

3.1　喷发持续时间的判定

除了熔岩流流动时间的恢复以外，火山灾害评价时还需要了解火山喷发持续时间。根据将古论今的原则，通过对不同火山过去喷发持续时间的恢复，可以推测未来喷发的持续时间。了解了不同火山的平均喷发速率和喷发物体积，就可求出喷发持续时间。根据Walker （1973）的研究成果，熔岩流流动长度和喷发速率之间有很好的对应关系，长距离的熔岩流往往都与较高的喷发速率有关（Kilbern，1993；Kilbern et al.，1994）。因此，我们可以根据对琼北全新世火山岩出露长度的测量来恢复喷发时的溢出速率。结合不同火山系统熔岩体积的确定，就可计算不同火山系统的喷发持续时间，计算结果如表4。

表4　琼北全新世火山区不同火山喷发持续时间

由表4可见，琼北全新世不同火山系统火山喷发持续时间大约在2个月至2年之间。对于单一流动单元的国群熔岩流，火山喷发持续时间约为2个月；对于多个流动单元的雷虎岭火山系统，火山喷发持续时间达1年左右。马鞍岭火山系统喷发持续时间最长，因为它具有较大的熔岩体积和较小的喷发速率，它的喷发持续时间可能超过2年。对于昌道、阳南、浩昌等火山系统，喷发持续时间都在几个月的熔岩中心岛范围内，没有直接受到熔岩流的灾害，但却完全有可能受到熔岩流引发的火灾的影响。因为熔岩中心岛规模都很小，不足以躲避一场火灾的袭击。由此可见在琼北近代火山分布区内，对于某一特定的火山系统的熔岩流分布范围内，人员与财产的迁移是必要的减灾措施。

3.2　溢流性火山灾害

琼北近代火山区熔岩流灾害主要表现为熔岩流动时对农田、林地、道路的毁坏及引发的火灾。熔岩流动速度与流动范围的预测研究是制定减灾措施时必须开展的工作（Tilling，2002；Peterson and Tilling，2000；Wei et al.，2003）。熔岩流动速度的预测可以参照琼北近代火山玄武质熔岩流有关物理参数特征和火山周围地形特征（主要是熔岩流流经范围的坡度）开展工作。

琼北近代火山区制定未来火山喷发熔岩流减灾措施时，4—8km预期长度很可能是熔岩流流经的距离，沿途则可能需要采取必要的减灾措施。不同火山系统未来喷发时是呈线状分布的限定性熔岩流，还是呈面状展布的非限定性熔岩流，很大程度上取决于现今火山地形条件，另外也与未来喷发时岩浆的质量喷发率有关。

熔岩流向前流动遇到局部高的地形障碍时，在重力作用下岩浆会自两侧绕过障碍物（正地形），从而形成面状熔岩流里分散的熔岩中心岛。琼北近代火山熔岩流熔岩中心岛尺寸如图5a所示。在这些熔岩中心岛范围内，没有直接受到熔岩流的灾害，但却完全有可能受到熔岩流引发的火灾的影响。因为熔岩中心岛规模都很小，不足以躲避一场火灾的袭击。由此可见在琼北近代火山分布区内，对于某一特定的火山系统的熔岩流分布范围内，人员与财产的迁移是必要的减灾措施。

琼北近代火山区熔岩隧道很大程度上加大了岩浆流动与火山灾害的范围，同时也引发了一种重要的次生灾害类型：熔岩隧道塌陷坑灾害。特别是在塌陷坑集中区里，对熔岩喷发之后遗留下的潜在灾害是必须考虑的灾害类型。塌陷坑严重地影响了熔岩区内有关人工建筑的稳定性。在野外调查时发现，很多民房就建在熔岩隧道之上，在民房周围已经发生了明显的塌陷，从而揭示了现在的建筑与居民处于明显的隧道塌陷灾害影响范围之内。更有甚者，设计中的海口—三亚中线高速公路在火山区内就多次从熔岩隧道上方通过，在很多地段已经发生了熔岩隧道顶板的塌陷。如此显示了待建的高速公路需要加强对熔岩隧道表壳塌陷——塌陷坑的治理。从调查得到的塌陷坑集中区规模来看（图5b），高速公路建设时应避开塌陷坑集中区是一项可以考虑的减灾措施。

图5　琼北全新世火山区熔岩流残留中心岛和塌陷坑规模统计

4　结论

琼北全新世火山熔岩流构造类型以结壳熔岩占绝对优势，它反映了喷发时相对较低的质量溢出率，并形成了本区广为发育的熔岩隧道。琼北近代火山熔岩流流动距离多数集中在4—8km之间。8km预期长度可以作为制定未来火山喷发熔岩流减灾措施时熔岩流流动距离的参数。琼北近代火山区熔岩流灾害主要表现为熔岩流动时对农田、林地、道路的毁坏及引发的火灾。

琼北全新世火山喷发时，地表岩浆的流动速度一般都在每秒几米或每秒一米以下。离火山口距离较近时，地形坡度一般也较陡，最大流速可以大于10m/s。而远离火山口的流体前锋部位，流动速度一般都小于1m/s。琼北全新世火山区未来喷发时，8m厚的熔岩流很可能在1天之内就达到或接近了它的最大流动距离。琼北未来火山喷发时不同火山系统持续时间可能在2个月至2年之间。

致谢：本文工作思路得益于第一作者受英国皇家学会资助在英国布里斯托尔大学访问学者进修期间对熔岩流流动速度恢复的学习成果。野外工作中得到了海南省地震局、海南省旅游局有关领导和同事的大力支持，海南省地震局林镇、马林、曾海军同志参加了部分野外工作，中国地震局火山中心刘培洵、郑秀珍协助绘制了有关图件，洪汉净教授对论文初稿提出了十分有益的修改建议，工作中和英国布里斯托尔大学R.S.J.Sparks教授和J.Phillips博士进行了有益的探讨，在此一并感谢。

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【注释】

[1]本文发表于《地质论评》2005年第51卷第1期。