基于ArcGis建模分析圈定腾冲火山潜在喷发危险区域

龚丽文　李　霓　樊祺诚　张柳毅　曹园园　陈丽娟

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京　100029

2）中国地震局地球物理研究所，实时地震学与地震监测预报技术研究室，北京　100081

基于ArcGis建模分析圈定腾冲火山潜在喷发危险区域

龚丽文1）李霓1）樊祺诚1）张柳毅1）曹园园1）陈丽娟2）

1）中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京100029

2）中国地震局地球物理研究所，实时地震学与地震监测预报技术研究室，北京100081

火山是基于充足的岩浆源、通畅的岩浆通道及较高的岩浆温度形成的，同时受地形、岩性及历史火山喷发条件等因素的控制。结合前人的研究成果，以岩浆房、断层和岩浆温度为主要因素，同时以岩性、应力、应变及火山分布为辅助因素，利用ArcGis中的Modelbuilder工具进行建模分析，并将每种因素按危险程度分9个等级，通过加权叠加，得出腾冲地区火山喷发危险区域等级图，从而圈定了该地区潜在的火山喷发危险区域，并且根据图中颜色的变化直观地显示出各地区的喷发危险程度。建模研究结果表明，目前最危险的地区是荷花—马鞍山—上庄一带的断层附近；其次分别是曲石—焦山—大坡头、腾冲—清水—荷花、五合—团田一带的断层附近。为预测未来火山喷发可能性提供了理论依据。

火山潜在喷发危险区ArcGis建模分析加权叠加腾冲

0　引言

前人通过研究发现火山喷发和许多因素密切相关，其中岩浆源、岩浆通道及岩浆温度可能是影响火山形成与喷发的主要因素。岩浆源的位置可以通过地震波测定岩浆房来确定，岩浆通道一般与该地区基底张性断裂有关，岩浆温度热异常可以通过该地区火山气体及温泉分布圈定异常区。

腾冲位于中国西南的滇缅交界地带，在横断山脉南段的西南部位，区域构造活动强烈，是火山活动多发地区，各种迹象表明该地区仍处于岩浆活动期，如一直有温泉活动、火山地震及火山气体排放等。研究人员从不同的角度进行了详细的研究，并取得了重要成果：杨晓涛等（2011）、楼海等（2002）和王椿镛等（2002）对腾冲火山区进行了地震层析成像研究，发现在腾冲地区的下部存在P波低速区；赵慈平等（2006，2011）由相对地热梯度推断出该地区现存岩浆囊，并根据温泉溢出气体CO2、CH4间碳同位素估计了现今岩浆囊的温度；李辉等（2011）根据多时相夜间MODIS LST圈定了地表温度异常，并推断了腾冲地区火山岩浆囊的分布位置；姜朝松等（1998a，b）总结了该地区火山构造与火山成因的关系，陈廷方等（1995）、向才英等（2000）、赵勇伟等（2009）和罗照华等（2011）对该地区的火山岩及岩石地化进行研究，并论述火山群的岩浆来源和深部过程。另外，秦嘉政等（2000a，b）和王绍晋等（2000）根据数据地震资料分析出该地区的应力场，从而圈定该地区应力降和环境应力异常；李成波等（2007）用GPS数据分析出该地区面膨胀量和最大剪应变；黎炜等（1998）、李春光等（2000）、李成波等（2007）和胡亚轩等（2007）分别对该地区的水平形变、垂直形变、GPS形变及形变与岩浆作用的关系作了深入的研究。

文中通过综合前人的研究数据和成果，利用数学插值和ArcGis加权叠加创建模型，把危险区域分为9个等级，从而精确地圈定火山潜在喷发危险区域，为预测未来火山喷发可能性提供理论依据。

1　火山分布及演化特征

1.1火山分布特征

整体而言，腾冲火山区呈两边高中间低的狭长凹槽形式，其间分布着几大盆地。从腾冲地区地面高程分布来看，该区地貌具有明显的阶梯状分布特点：在腾冲一带EW向地形剖面上，西部老平山附近存在2 100m、1 900m 2级台阶；腾冲县城至龙川江之间存在2 100m、2 300m 2个台阶；龙川江以东有1 400m、1 800m和3 000m 3级台阶。火山区从南向北依次分布着腾冲盆地、固东盆地及瑞滇盆地等断陷盆地，腾冲西南还有梁河盆地。总之，腾冲地区的地貌具有断块地貌的特征，火山多数位于断块之间（姜朝松等，2003）。

根据姜朝松（1998a）统计的腾冲地区的火山，对其进行投点，并依据火山的喷发期次及喷发时间先后顺序，对其插值得到火山密度分布图（图1）。图1显示出这些火山主要分布在SN向的固东—腾冲一带，其中处于这一带中间的马站附近的火山分布密度最大，且呈SN向线性排列。

1.2火山地质演化特征

前人对腾冲地区第四纪火山进行了研究，根据火山活动的时空变化，把腾冲自上新世以来的火山活动分为4期：

第1期火山活动为上新世，主要分布在东部龙川江两岸的芒棒盆地至囊宋盆地一带和北部的瑞滇、杜家坡一线；

第2期火山活动为第四纪早更新世，火山活动向腾冲盆地中心迁移和扩展，是本区火山活动最强烈的1期，现今保留了38座火山，其火山岩面积超过腾冲火山区火山岩面积一半以上；

第3期火山活动为晚更新世，主要集中在马站至腾冲县城一带，呈SN向沿断裂分布，火山岩相类型齐全，有爆发相、喷溢相、溢出相及灰流相，现今保留了18座火山。该期活动的起始和终止过程在空间上呈现由中北部向南部逐渐变新的规律，显示出火山活动从北向南迁移的趋势；

第4期火山活动为全新世，主要火山活动分布在马鞍山、打鹰山、黑空山、老龟坡等4座火山周围，岩相为喷溢－爆发相复合类型。

综上所述，腾冲地区瑞滇—固东—腾冲—梁河一带分布着一系列断陷盆地，盆地的两侧断裂都是在拉张作用力下形成的正断层；盆地两侧的阶地可以推测出盆地的发展过程，对比盆地的发育过程和火山活动分期，发现二者之间存在某种时间的一致性（姜朝松，1998b）。因此可以认为，强烈的挤压环境使得幔源岩浆上涌而导致岩浆囊形成，而局部的拉张作用，则打开了岩浆上升的通道，从而产生了火山喷发活动。

图1　腾冲地区火山分布密度图Fig．1　The plot of volcano distribution density in Tengchong area．

2　岩浆房深度

岩浆以熔体的形式存在于岩浆房中，而地震波的P波在穿过地壳时遇到熔体，波速会明显降低或消失，因此，P波波速的变化特征能反映岩浆房的位置及熔融程度。杨晓涛等（2011）对该地区做了地震层析成像研究，利用地震数据反演该地区P波速度结构图，结果显示在该地区下方10～20km范围内存在直径为20～30km的低速区，推测这一低速区代表了仍处于活动状态的壳内岩浆源，热流通道有可能通过腾冲断裂延伸至地壳深部。地壳速度结构自东向西的变化显示出与不同时期的火山活动的关系，腾冲东侧偏高的速度结构反映了龙川江一带上新世时期火山通道内冷凝固结的岩浆侵入体或不易挥发的高密度残留物质，腾冲西侧的低速异常揭示了更新世以来持续至今的岩浆作用和热流活动（Xu et al．，2012）。Lei等（2009）认为该地区下部4～70km深处范围内存在低速区，腾冲之下的上涌岩浆流是来自400km深处的地幔。

由于随着岩浆房深度的增加，其对地表的喷发危险性降低。本文通过引用杨晓涛等（2011）4～30km深度范围内的P波速度扰动图像和李辉等（2011）根据多时相夜间MODIS LST推断出的岩浆囊分布位置图，并对其加权叠加投影在地表，从而显示出不同深度和不同位置的岩浆囊对地表的影响程度，并得到地表危险区域（图2）。图中颜色越红，说明该地区岩浆房越浅，岩浆温度越高，对地表的危险程度越高，从图中可以看出曲石一带、马鞍山—荷花—朗蒲、五合—新华—团田3个地表温度高、地下可能存在岩浆房的危险区域。

3　温度异常范围

温度是有关岩浆熔融围岩形成岩浆房和岩浆通道的重要物理参数。当熔体温度超过围岩的熔点后便会熔融围岩，从而扩大岩浆房和岩浆通道，有利于火山形成。因此，获取温度参数并监测其变化，对更好地理解岩浆囊的物理化学性质和行为，评价火山的活动性和喷发危险性具有重要的理论和现实意义。文中从地表温度异常和壳内岩浆房温度异常分别圈定危险区域。

3.1地表温度异常范围

赵慈平等（2006）通过对温泉的基本要素和温泉水化学数据分析，用克里金插值方法获得了腾冲火山区的相对地热梯度的平面分布；李辉等（2011）根据多时相夜间MODIS LST圈定了地表温度异常。他们的结果非常接近，都发现腾冲火山区有3个温度异常区域，且位置及范围基本重合，这就从不同角度论证了这3个异常区下面确实存在着某种热源，使得其温度高于周围地区。

3.2壳内温度异常

赵慈平等（2011）通过对温泉逸出气体CO2和CH4碳同位素样品的采集、分析测试，利用Horita通过实验矫正的Richet平衡分馏系数的理论计算数据，通过拟合得到碳同位素平衡分馏方程，结果表明腾冲火山区地下岩浆囊顶部气体富集区目前的温度变化范围为400～1 200℃。3个岩浆囊的边缘温度可能为400～600℃，中心温度可能为700～1 200℃（表1）。3个岩浆囊中心的现今温度已达到流纹岩浆（600～900℃）、安山岩（800～1 100℃）和玄武岩浆（1 000～1 250℃）的形成温度。

通过叠加地表温度梯度和地壳内岩浆房的温度，可以圈定出地表温度异常区，从图3中可以看出该地区存在3个温度异常区：曲石—马站一带、腾冲—荷花—清水一带、五合—团田一带。3个异常区具有各自的特点：腾冲—清水一带具有相对地热梯度、幔源物质释放、形变和地震活动等多项异常，活动性最强；马站—曲石一带的幔源物质释放最强，五合—团田一带形变异常特别突出。

图2　岩浆囊深度和温度对地表危险程度分布图（数据引自杨晓涛等，2011；李辉等，2011）Fig．2　The distribution map of eruption risk with depth and temperature of magma chambers（Data from YANG Xiao-tao et al．，2011；LI Hui et al．，2011）．

表1　腾冲地区壳内温度异常特征Table 1　The characteristics of abnormal crustal temperature in Tengchong area

4　断层构造控制

4.1本区构造活动演化史

本地区石炭系主要为浅海陆棚沉积，晚石炭纪结束后沿大盈江－腾冲断裂两侧有小规模岩浆活动；二叠纪为海相碳酸盐沉积，二叠纪晚期受海西运动上升为陆地，三叠纪本区经历了明显的升降运动；印支运动开始，本区地壳上升，由海相沉积进入陆相沉积，加剧了广泛的断裂运动；燕山运动使中、晚三叠纪地层产生褶皱，发生多期多阶段的酸性岩浆侵入活动。新生代早期以挤压上升为主，中晚期产生拉张，形成山间拗陷。中新世—更新世由于印度－缅甸板块沿葡萄—密支那持续向东俯冲，使腾冲一带拉张，爆发了钙碱性玄武质岩浆喷发，形成了中国著名的腾冲火山群（姜朝松等，1998）。

图3　地温异常分布图（数据引自赵慈平等，2006，2011）Fig．3　The distribution of geothermal anomalies in Tengchong area（Data from ZHAO Ci-ping et al．，2006，2011）．

4.2构造与火山活动的关系

姜朝松等（1998）和Wang等（2007）对腾冲地区的构造活动做了详细的研究，发现地处横断山脉南端的本区，以SN向构造为主，辅以NW向、NE向配套构造的活动格架，西藏板块东南边缘的构造控制着腾冲地区中新世—全新世的火山喷发。因此，他们认为本区的火山活动及地貌形态主要受SN向构造控制，火山活动与断裂的关系见表2。

表2　断层与火山活动的关系Table 2　The relationship between fault and volcanic activity

综合以上数据，对断裂做缓冲区分析，并与火山分布图叠合，发现大约90%的火山靠近断层分布。由于受断层的倾角、倾向及其他性质影响，火山离断层远近也不一致。从图4中可以看出，火山几乎和断层相伴生，特别是在盆地中部的SN向断裂和断层交叉处，火山更密集，喷发期次更多，呈线状分布。

5　岩性特征

岩层是阻碍岩浆上升的主要因素，不同的岩性在不同的温压下熔融温度不一样，不同岩性也记录着过去岩浆侵入或喷出地表的演化信息。由于腾冲地块变质基底主要由新元古代—早中生代绿片岩相－角闪岩相花岗片麻岩、角闪岩、混合岩、大理岩和片岩组成，动力变质特征明显，剪切构造变形强烈，总厚度＞4 000m；新生代地层沉积以角度不整合覆盖在变质基底之上，因此地壳内部岩性组成特别复杂，各种岩性的展布也很难控制，很难圈定有利于岩浆上升的地壳。

为了理清岩性分布与火山喷发的关系，将腾冲地区地质图与火山分布图进行叠加（图4），从图中不难发现，新生代火山基本上分布在历史上有过侵入或喷发的中酸性岩和基性岩中，而在较老的基底上很少发现火山。因此可以认为在较新的火成岩下方存在着更有利于岩浆上升的地壳。结合岩性时代和成分，将该地区岩性分为7个等级：新生代玄武岩、第四纪沉积物、古近纪花岗岩、白垩纪钾长花岗岩、三叠纪花岗闪长岩、泥盆纪—二叠纪基底、新元古代—寒武纪基底。

图4　岩性、断层与火山的分布关系图（数据引自姜朝松等，1998；李辉等，2011）Fig．4　The relationship between lithology，fault and volcano distribution（Data from JIANG Chao-song et al．，1998；LI Hui et al．，2011）．

6　应力－应变特征

地表的形变特征是地壳内部作用在地表的体现，是各种应力作用的最终结果，地表的上隆或凹陷能反映出地壳内部岩浆活动的运移及该地区的构造应力场。而火山的喷发也经常以地面明显的上隆为先导，地形变测量资料可以反演火山系统内部岩浆在时间和空间的运动状态。以下分别从应力和应变两方面论证火山系统内部岩浆的活动性。

6.1应力特征

秦嘉政等（2000）根据Brune地震震源破裂模式，导出了地面运动峰值速度参数与应力降或环境应力值的依赖关系，并利用腾冲火山地震数字化记录观测的峰值速度资料，研究了火山地区的应力降和环境应力值。从图5的彩色图层中可以看出，在最年轻的打鹰山－马鞍山火山群周围地区的应力等值线梯度变化较为强烈，这一地区的微震活动也相对其他地区更为频繁，从而表明地下岩浆系统仍在活动，他们分析认为火山区内有浅源的低应力地震事件的发生，地震的成因可能与浅部存在的封闭岩浆体内压力的增加有关。

6.2应变特征

垂直形变资料显示，火山区南部发生较明显下降，垂直形变的多个极值区以及水平位移的不规则性表明，火山区岩浆体不规则或有多个岩浆囊体存在（李春光等，2000）。胡亚轩等（2007）参考其他研究成果，初步认为火山区南部的下降可能是由于岩浆及地下水的流失及放气等原因引起。断层附近点位的运动表明，SN向断层有一定的拉张活动，参考重力分析结果，岩浆活动多发生在火山区的南部，同时在其他断层中也有活动。

李成波等（2007）利用腾冲火山区由20点组成的GPS观测网进行了反演计算，得出膨胀量和最大剪应变，利用Mogi模型的计算公式，对腾冲—热海附近的区域进行了反演，他们认为等效源的位置在腾冲的SW方向，岩浆活动量约为8×105m3／a。此外，黎炜等（1998）认为，以固东－腾冲断裂的西支为界，断层两盘分别向东、西两个方向运动，断层活动表现出明显的拉张特征，显示了南面活跃的迹象。

本文基于垂直形变、面膨胀量和最大剪应变3组数据对整个测量区域作Tin图（图5底图），从图中可以直观看到曲石、腾冲—清水—马鞍山、五合—芒棒3个地区具有明显的凸起。此外，综合应力的异常区和季灵运等（2011）提取的火山区的整体形变时间序列（SBAS-DIn-SAR），可以得出以下结论：腾冲火山区现今地壳运动比较活跃，形变特征复杂多样；打鹰山地区活动性尤为显著，下方可能存在隐伏断裂；胆札－高田断裂两侧形变相对较大，差异性显著，地球物理资料揭示其下方存在的活动性较强的岩浆囊可能是导致其差异性形变的主要因素。

7　因子权重叠加模型

由以上各种地质现象可以发现，许多地质因素都与火山活动紧密相关，且各种因素之间也存在着某种相关性，它们指示着相似的异常区，为圈定火山喷发危险区域提供了数据支持。本文试图通过对各因子加权叠加建立模型，更精确合理地圈定火山活动的危险区域。

7.1模型建立

本模型是基于ArcGis开发环境下的Modelbuilder平台建立起来的，它以流程图的形式表示，通过此工具将数据串起来以创建高级的功能和流程，利用Arctoolbox中的各种工具对原始数据进行栅格化、叠加、重分类等预处理，得到各种因素的复合图层，然后根据其影响火山喷发的重要性赋权重，其中主因子为火山形成的必要条件，缺一不可，权重较大，设为20%，辅助因子是火山形成在地表的反映，能辅助主因子确定岩浆上升喷发的区域，权重较小，设为10%。最终加权叠加生成火山喷发危险性区域图。

图5　应力－应变分布图（数据引自秦嘉政等，2000；胡亚轩等，2007；李辉等，2011）Fig．5　The distribution of stress and strain（Data from QIN Jia-zheng et al．，2000；HU Ya-xuan et al．，2007；LI Hui et al．，2011）．

具体流程见图6。

7.2模型结果

把文中提到的所有参考因素考虑在内，该模型经过ArcGis运行后得出腾冲火山潜在喷发危险区域图（图7）。从图中可以非常清楚地看到：综合各种异常后，目前最危险的地区是位于火山区南部的荷花—马鞍山—上庄一带的断层附近；其次分别是曲石—焦山—大坡头、腾冲—清水—荷花、五合—团田一带的断层附近。

图6　模型流程图Fig．6　The flow chart of the model．

7.3结果验证

为了验证该模型结果的准确性，文中以腾冲地区有过最新喷发的3座火山：黑空山、打鹰山和马鞍山为例，通过对比新期火山与古老火山喷发的时空关系，可以得出新期火山的喷发与演化规律，通过这种迁移与演化趋势来验证模型中提出的将来有可能发生火山喷发的区域。

结合前人的研究发现：腾冲第3期火山活动始于早更新世末期，中更新世早期（40万年以前）在盆地中部近SN向均匀分布；40～10万年火山活动呈现收缩转移趋势，北部和中部的收缩开始较早，分别向黑空山（包括大空山和小空山）地区和打鹰山收缩，南部向马鞍山及周边地区的收缩明显较晚，即收缩转移过程从中北部开始并向南发展；晚更新世以后火山活动集中于黑空山（包括大空山和小空山）、打鹰山和马鞍山。这3座火山中，黑空山和打鹰山喷发的开始时间较早（78～79万年或更早），马鞍山较晚（19.5万年）。其间，马鞍山、打鹰山和黑空山的喷发交替发生，至少有78～79万年、41～45万年、19.5～22．5万年、11.6～13万年和8万年以来5次相对同步的喷发（李大明等，2000）。它们最后喷发的时间顺序和火山活动衰减的过程都是呈现由中北部向南逐渐迁移的趋势。

图7　腾冲火山喷发潜在危险区域图Fig．7　The potential dangerous area of volcanic eruption in Tengchong region．

另外，与黑空山、打鹰山、马鞍山成一线向南延伸的热海地区，目前具有腾冲地区最强的水热活动，腾冲地区热泉表明其下部存在岩浆活动（廖志杰等，1999）；利用电磁测深方法探知热海地区的下部存在低阻体（白登海等，1994）。叶建庆等（2003）根据腾冲地区火山地震群的活动特征证明打鹰山以南一带存在岩浆熔体介质或通道，并勾画了两个不同位置的岩浆囊体；罗增强等（1988）结合重力网观测资料发现，在黑空山、打鹰山和马鞍山3个火山口附近形成了重力相对低值区，而重力异常又与岩浆的运移密切相关。这些地质现象和研究结果均佐证了腾冲岩浆活动从北向南迁移且可能尚未结束的论点，而本模型得出的结论为未来腾冲地区最有可能发生喷发的地区为火山区南部的荷花—马鞍山—上庄一带的断层附近，这与前人的研究结果完全吻合，从而说明该模型具有较高的可信度。

8　结论

火山的喷发离不开岩浆房、岩浆通道和岩浆形成的温度等因素。而且，地表的岩性、形变异常、应力异常、重力异常、电磁特征以及历史火山演化的规律等共同指示着火山潜在喷发的危险区域。文中利用前人的研究数据，通过ArcGis建立模型，综合各方面的因素，从不同角度论证这一地区的危险区域，并把不同危险性的地区用不同的颜色表示，颜色越红，表明危险程度越高。根据本文模型计算结果，把腾冲地区未来火山喷发的危险区域分为以下两类，为未来火山灾害预测提供理论依据：

（1）重度危险区荷花—马鞍山—上庄一带的断层附近；

（2）危险区分别是曲石—焦山—大坡头、腾冲—清水—荷花、五合—团田一带的断层附近。

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Abstract

Abundant magma sources，open magma conduit and high magma temperature are the three major factors that affect volcanic eruption．Meanwhile，topographic condition，lithology of overlying strata and condition of historical volcanic eruptions also restrict the formation of a volcano．Combining the previous researches on Tengchong volcanic cluster and considering the depth of magma chamber，location of fault and magma temperature as the main factors，as well as lithology，strain，stress，volcano distribution density as accessory factors，we set up a model with ArcGis Modelbuilder．Through a series of modeling，analyzing and weighted stack calculating on the basis of classifying all the factors concerned as nine grades according to the risk degree of each factor to the eruption，we finally work out a grading map indicating the potential risk of volcanic eruption in Tengchong region．According to the different colors shown in the map，we can see clearly that the most dangerous area is near the Hehua-Ma’anshan-Shangzhuang Fault．In addition，Qushi-Jiaoshan-Dapotou，Tengchong-Qingshui-Hehua and Wuhe-Tuantian faults are also worth paying attention to．The article provides the theoretical basis for forecast of future volcanic eruption hazard．

DELINEATING POTENTIAL RISK AREAS OF VOLCANIC ERUPTION IN TENGCHONG REGION BASED ON ARCGIS MODELING ANALYSIS

GONG Li-wen1）LI Ni1）FAN Qi-cheng1）ZHANG Liu-yi1）CAO Yuan-yuan1）CHEN Li-juan2）
1）Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）Real-time Seismology，Seismological Observation＆Interpretation，and Earthquake Forecast，Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China

potential volcanic eruption area，ArcGis modeling analysis，weighted stack，Tengchong

P317．3

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0094－16

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．008

龚丽文，男，土家族，1988年生，中国地震局地质研究所在读硕士研究生，主要从事火山地质学研究，电话：010－62009171，E－mail：glw777＠126．com。

2013－12－29收稿，2014－10－04改回。

中国地震局地震行业科研专项（201108001）和国家自然科学基金（41472305）共同资助。