长白山火山泥石流研究简介

山东省烟台地震监测中心台 邹春红吉林省地震局 盛 俭

长白山火山泥石流研究简介

Brief introduction to study on volcanic mud flow in Changbaishan region

山东省烟台地震监测中心台 邹春红吉林省地震局 盛 俭

长白山天池火山

长白山天池火山，坐落于吉林省东南部中朝两国边界，属巨型复合式火山，是长白山火山群中最大的一座活火山。

长白山是松花江、鸭绿江、图们江三江之源，是生态环境资源、森林特产资源、水利水电资源和矿产资源的聚集区。主峰为白头山（海拔2700 m），顶部即为喷发形成的火山口湖——长白山天池。天池北面有一缺口，池水从悬崖陡壁处跌水直泻，形成落差达68 m的巨大瀑布。长白山地区为典型的火山构造地貌，自下而上主要由熔岩台地、山麓倾斜熔岩高原和火山锥体三大地貌单位构成，围绕天池呈同心环状分布。长白山火山经历了早期的造玄武岩盾阶段（上新世—早更新世）、中期的造粗面岩锥阶段（更新世）、晚期造火山碎屑席阶段（全新世）。全新世天池火山曾发生爆炸式喷发，目前的地质监测及研究表明，该区域内地壳活动日益频繁，预示着未来具有潜在喷发的可能性。

火山泥石流

关于火山泥石流（Lahar）的概念目前还没有明确的书面定义，许多学者对火山泥石流进行了不同的论述。1985年Pierson将火山泥石流描述成含粘性的泥浆、分选性差的砾石、砂、泥和水混合成的火山泥流或碎屑流，认为火山泥石流是由火山喷发所融化的冰雪以及火山湖泊的水夹杂着火山碎屑物质所形成的泥石流。有的学者直接将火山碎屑流或火山泥流称为火山泥石流。一些国内学者认为，火山泥石流应该是伴随着火山喷发，由火山湖泊水的突然溢出或火山喷发造成的高温融化的火山顶冰雪所形成的突然增多的水流，夹杂着火山碎屑物质、岩浆等，在重力作用下，沿着火山的沟谷或山坡一起向下快速流动的一种特殊洪流。火山泥石流具有流速快、能量大、破坏力强的特点，能摧毁和淹没所波及的房屋、道路、农田等，是对人类社会危害最大的火山次生灾害之一。到目前为止，已有超过30 000余人在火山泥石流中丧生。

暴雨冲刷火山灰引发泥石流

树干上留下的肮脏痕迹显示了泥浆的深度（美国圣海伦斯火山）

鲁伊斯火山喷发形成的火山泥石流冲毁了阿尔梅罗城

被泥石流淹没的村庄

泥石流经过的村庄

1631年12月16日，意大利维苏威火山发生大喷发，喷发后形成泥石流，山坡上很多村庄被毁，约3000人死亡，熔岩流抵达海边，天空昏暗达数日之久。1882年印度尼西亚嘉能根火山大喷发，产生高温气流及泥石流，约4000人遇难。1980年美国圣海伦斯火山爆发，融化的大量雪水和火山灰、砂石混合在一起形成强大泥石流，从山上倾泻而下，严重破坏了沿途的农田、森林及一切设施。这次火山喷发造成57人死亡﹐390 km2土地变成不毛之地﹐损失巨大﹐是美国历史上规模最大的火山爆发之一。位于哥伦比亚的内华达德鲁兹火山被积雪覆盖，1985年11月13日突然喷发，炙热的火山气体和灰尘融化了冰川，并与融化后的水混合在一起。在顺流而下过程中，泥石流的厚度最高达到130英尺(约合40 m)，以每小时30英里(约合48 km/h)的速度冲向有人居住的河谷，摧毁所到之处的一切东西。泥石流在短短几分钟内席卷整个阿莫罗，导致2.5万人死亡，15万家畜死亡，13万人无家可归，经济损失高达50亿美元，是哥伦比亚最严重的自然灾难。1991年菲律宾的皮纳图博火山大爆发，喷出大量火山灰和火山碎屑流，整个泥石流肆虐的范围超出了人们的预估。此次喷发是1980年圣海伦火山的10倍，在20世纪所有火山喷发中位居第二位，仅次于1912年阿拉斯加州卡特迈火山喷发。鲁阿佩胡火山是新西兰最大的活火山，也是世界上最活跃的火山之一，2007年该火山爆发泥石流，火山泥流冲开火山口上的石墙，酸性水夹杂着大量木头和石块，不断地冲向火山附近的河流。该火山在1953年也曾发生火山泥流，将一道铁路桥冲毁，当时一列客运火车跌进奔腾的泥浆中，造成151人死亡。2010年印尼默拉皮火山喷发，马吉冷地区遭遇火山泥石流破坏，共造成大约300人死亡，1000多名居民被迫转移。这些只是部分火山泥石流造成破坏的统计，火山泥石流的危害远远大于人们的估计。

长白山天池火山泥石流研究概况

长白山天池火山是目前公认的我国最具喷发危险的活火山之一，一旦喷发将可能会形成大规模的火山泥石流，严重威胁到该地区人民生命财产安全。因此，许多学者对长白山火山泥石流进行了研究。

1998年，魏海泉等对中国部分活火山的泥石流发育情况进行了研究，强调了火山喷发物对火山泥石流形成的重要作用。2000年，刘祥等对长白山火山1000年前火山泥流堆积及其灾害研究时，探讨了长白山火山泥石流的成因。2002年，孙平等提出长白山火山泥石流主要类型为山坡型泥石流，区内广泛分布的倒石堆为泥石流的形成提供了主要物质来源，陡峭的地形提供了动力条件，丰富集中的降雨是诱发因素。并表明本区泥石流的空间分布规律与倒石堆的发育状况密切相关。2009年，聂保锋等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。温智虹等人通过建立层次结构模型，对长白山火山泥石流分布影响因子权重进行了分析，认为地形地貌中的相对高差及纵坡比，对长白山火山泥石流分布的影响最大。姚文清等人用层次分析法为长白山火山泥石流建立了层次结构模型，确定成对比较矩阵，计算权向量，为泥石流的预警和治理提供了依据。

最新研究成果

由于自然条件、科技水平等限制，对火山泥石流的直接测量和观测有时是很难实现的，这种情况下对火山泥石流进行研究就需要借助于数值模拟。通过对长白山天池火山泥石流的模拟，可以预测火山一旦喷发，所形成的火山泥石流的特性。

吉林省地震局盛俭等人的《长白山火山泥石流数值模拟与灾害预测研究》项目在建立模型时，选取天池附近区域为研究区，将研究区划分为形成区、流通区和堆积区3个区段，对流通区和堆积区划分为足够小的计算网格，计算步长设定为0.001 min。通过Delft 3D软件，对假设的中等和较小规模喷发所引发的火山泥石流的平均速度和峰值速度进行了模拟计算，发现喷发规模的大小对火山泥石流流通的平均速度和峰值速度的变化规律影响不大，只是在幅值上产生变化。对中等喷发规模下火山泥石流不同时间内的影响范围以及火山泥石流流通途径中不同时间段各剖面上泥石流厚度进行了计算，得出中等喷发规模引发的火山泥石流从火山口流通到下游28 km左右的区域，也就是二道白河镇附近，需要140 min左右，这对火山灾害预警提供了时间参考。

模拟还给出了距离火山口不同距离处剖面位置上的火山泥石流随时间的深度变化规律，可以了解到火山泥石流的影响范围。通过模型对长白山天池火山泥石流的流通速度、流通时间及影响范围等进行研究，确定了灾害预警时间和灾害影响范围。虽然数值模拟和实际情况存在一定的差异，但此项成果对制定长白山火山泥石流防治方案具有参考价值，这将明显提高天池火山泥石流灾害的预测能力，有助于长白山旅游经济开发区的规划布局和经济建设的健康运行，有助于经济建设、国土利用和环境保护，使减轻火山泥石流灾害从被动救灾转变为主动防灾。同时，也为其它火山开展相应工作提供参考资料和理论基础。

未来展望

目前火山泥石流的研究还处于起步阶段，火山泥石流的发育情况、分布特征及数值模拟等尚不成熟，但随着研究的进一步加深，对于这些方面问题必将会有更多新的突破。清楚认识到火山泥石流的成因、形成机制后，提出合理的数学模型及预测评估方法将会对减轻火山泥石流灾害提供有力的科学支撑和技术保障，从而保障人民生活及生产安全，减轻社会经济财产损失，保护生态环境，促进经济社会可持续发展。