魏海泉1　白志達2　李戰(zhàn)勇3　孫謙1　樊祺誠1　史蘭斌1

張秉良1　徐德斌2　胡久常3　肖勁平3　盧永健3

1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京，100029

2.中國地質(zhì)大學，北京，100083

3.海南省地震局，海口，570203

摘要：瓊北全新世火山區(qū)分為4個火山系統(tǒng)，熔巖流流動距離集中在4—8km之間，而熔巖流寬度則以1.5km左右為常見。根據(jù)瓊北全新世火山區(qū)內(nèi)熔巖流不同流動單元表面坡度、巖流厚度的調(diào)查，結(jié)合熔巖流溫度與密度等物理參數(shù)計算恢復的瓊北全新世火山區(qū)熔巖流流動速度眾值在0.5 m/s左右，底部剪切力約為5000Pa。對于厚度巨大的熔巖流（流動單元厚度大于15m）流動速度可加快至5m/s，而底部剪切力則可加大至50000Pa。對于一條8m厚的熔巖流，其地表流動時間均在100h以內(nèi)，而以流動時間在1d以內(nèi)為常見。根據(jù)熔巖流長度與體積恢復的噴發(fā)持續(xù)時間對于不同火山系統(tǒng)短至2個月，長達2年。8km預期熔巖流長度可以作為未來火山噴發(fā)時熔巖流火山災害影響范圍的重要參照系數(shù)，制定的相應減災措施應該以此作為重要依據(jù)之一。瓊北近代火山區(qū)火山災害主要表現(xiàn)為熔巖流對農(nóng)田、林地、道路的毀壞及引發(fā)的火災。

關(guān)鍵詞：全新世；熔巖流；流動速度；持續(xù)時間；火山災害；海南島

瓊北全新世火山區(qū)分為4個火山系統(tǒng)（魏海泉等，2003），火山區(qū)離?？谑凶罱木嚯x僅8km，這些“城市火山”自上個世紀末開始已經(jīng)越來越引起國際火山學界的重視。本文將討論瓊北全新世火山作用集中發(fā)育區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)過程與有關(guān)災害類型，并首次對瓊北全新世火山區(qū)熔巖流的流動速度、流動時間、噴發(fā)持續(xù)時間等噴發(fā)物理參數(shù)作了限定。

前人研究資料中，火山地質(zhì)、遙感解譯與巖石學研究工作主要限于20世紀50—80年代（邊兆祥，1958；丁國瑜等，1964；陳述彭，1981；傅秀銀，1981；嚴正等，1983；王賢覺等，1984；陳上福等，1985；黃坤榮，1986；韓中元等，1987；朱炳泉等，1989），火山巖定年工作主要開展于20世紀80—90年代（王惠基，1981；袁寶印，1984；王惠芬等，1988；孫建中，1988a，1988b；張仲英等，1989；黃鎮(zhèn)國等，1993；陳沐龍等，1997）。由于測試手段的限制，所測年齡樣品幾乎全部針對全新世以前的火山巖樣品。1993年，海南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪隊完成的1∶50000火山區(qū)填圖，把本工作區(qū)劃為全新世火山區(qū)（海南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪隊，1993），其年齡測試結(jié)果為：全新世石山組火山巖下伏道堂組火山巖最上部底浪堆積物中所含碳化木年齡為（16.79±0.41）ka；道堂組靠下部玄武巖及底浪堆積物中還分別測到了98.3ka 的K－Ar年齡和（124.3±3.7）ka與（199.6±6.0）ka的熱釋光年齡。雖說石山組火山噴發(fā)熱釋光年齡值為（32.12±0.96）ka，業(yè)已超過全新世年代范圍，但考慮到熱釋光年齡本身的局限性，還是可以接受由地質(zhì)等其他方法確定的石山組屬全新世火山噴發(fā)的認識。本項目執(zhí)行期間，本文作者之一樊祺誠得到了石山組一萬年左右的熱釋光年齡；張秉良則通過玄武巖風化物蝕變礦物定年法得到6—12ka的火山噴發(fā)年齡，由此可以進一步證實工作區(qū)內(nèi)火山巖大部分屬全新世火山噴發(fā)產(chǎn)物的認識。

火山災害研究工作中最為重要的是區(qū)分出不同火山產(chǎn)物的噴發(fā)機制與噴發(fā)過程（Canxn，2000；Itoh et al.，2000），通過對已有火山作用過程的研究，模擬（Palumbo，1983；Gudmundsson et al.，1999；Maeda，2000）、探討未來可能發(fā)生的火山災害類型與規(guī)模（Palumbo，1999），進而制訂出可供政府決策者與公眾參考的減災方案與措施（Blong，1984；魏海泉等，1991，1997）。

因此，本文選擇瓊北全新世火山集中發(fā)育區(qū)內(nèi)熔巖流動速度與災害性加以討論。

1　工作方法

工作思路是以現(xiàn)代火山學研究為指導，首先根據(jù)區(qū)內(nèi)火山作用產(chǎn)物的成因類型與噴發(fā)物理過程野外考察結(jié)果，填制出詳細的火山地質(zhì)圖與火山災害圖。結(jié)合航片解譯資料，確定研究區(qū)火山作用發(fā)育特征、形成期次與噴發(fā)規(guī)模。依據(jù)不同熔巖流結(jié)構(gòu)參數(shù)、表面坡度、厚度與體積以及熔巖溫度、黏度等資料確定熔巖流流動速度與地表流動時間。以這兩個參數(shù)作為瓊北火山區(qū)未來火山災害減輕時所考慮的重要依據(jù)。

熔巖流最大流動距離與熔巖溢出率有明顯的相關(guān)關(guān)系，Walker（1973）給出了幾十個世界上不同成分火山噴發(fā)熔巖流長度與溢出率的資料，Kilbern（1996）也給出了熔巖流最大長度與溢出率的關(guān)系 （其中LF是單一熔巖流的最大長度，QF是巖漿溢出速率，C是常數(shù)），由此可以根據(jù)瓊北火山熔巖流出露長度資料限定噴發(fā)時巖漿溢出率等有關(guān)參數(shù)。

根據(jù)一個層流流體中的速度剖面（Allen，1997）的基本理論，在一個傾斜的平面上穩(wěn)定均一流體內(nèi)，邊界剪切力是與作用在流體之上的重力向下分量相平衡的力?；咀枇Ψ匠淌牵?/p>

τ0＝ρgSd

其中τ0是單位面積底板對流體施加的拖曳力，它等于重力的下坡分量ρgSd，并與之方向相反。ρ是密度，g是重力加速度，S是坡度，d是流體厚度。流體中與底板平行的平面上的剪切力必須要等于其上高度為 d－y的流體柱的重量的下坡分量：

τy＝ρgS（d－y）

因此，

對于一個層流，阻力方程為：

其中u為速度，μ為黏度，y為自熔巖流底面向上垂直方向上的高度，積分得到邊界之上任一點的速度。由于流體速度和黏度不隨高度變化，所以：

非滑動條件得到邊界條件：在y＝0時，u＝0，因此積分常數(shù)等于0。速度剖面呈拋物線式向著自由表面速度增加。

為了驗證計算結(jié)果的可信性，把不同參數(shù)條件下的熔巖流流速計算結(jié)果與世界現(xiàn)代火山噴發(fā)觀測記錄到的熔巖流速結(jié)果作了對比，并參照了與瓊北全新世火山類似的意大利埃特納火山1971年噴發(fā)的經(jīng)驗公式（Booth and Self，1973）。結(jié)果顯示計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相當，表明計算結(jié)果具有一定的可信度。

2　工作結(jié)果

2.1　瓊北全新世火山熔巖流平面幾何特征

瓊北近代火山熔巖流構(gòu)造類型以結(jié)殼熔巖占絕對優(yōu)勢，它反映了噴發(fā)時相對較低的質(zhì)量溢出率，并形成了本區(qū)廣為發(fā)育的熔巖隧道。熔巖流流動距離符合正態(tài)分布特征，巖流長度多集中在4000—8000m之間（圖1a）。瓊北近代火山熔巖流寬度呈比較規(guī)則的正態(tài)分布。熔巖流寬度自100m的線狀限定性流體至3200m的面狀非限定性流體。寬度1600m的熔巖流占據(jù)熔巖流寬度的主要部分。

縱橫比是研究熔巖流流動時流動方式與地形條件的一個重要指標（Walker，1973）。我們把瓊北近代火山區(qū)熔巖流的縱橫比定義為熔巖流總長度與平均寬度的比值。瓊北近代火山熔巖區(qū)內(nèi)不同火山系統(tǒng)具有不同的熔巖流縱橫比，但集中分布頻率在4左右（圖1b）。

圖1　瓊北全新世火山熔巖流長度與縱橫比分布特征

與世界上其他火山類似，瓊北近代火山熔巖流表面坡度與火山口的距離呈反消長關(guān)系。如在雷虎嶺火山（圖2），隨著離開火山口距離增加，熔巖流表面坡度在開始時迅速降低。經(jīng)過幾百米后，隨著距火山口距離增加，熔巖流表面坡度減小幅度明顯變小。就總體上坡度減小幅度而言，以雷虎嶺熔巖流系統(tǒng)為最小；以國群、陽南、浩昌熔巖流系統(tǒng)為最大；馬鞍嶺熔巖流系統(tǒng)較?。欢廊蹘r流系統(tǒng)較大。

圖2　雷虎嶺熔巖流表面坡度與火山口距離的關(guān)系

參照通常熔巖流動速度估算方法，筆者對瓊北全新世火山熔巖流動速度作了估算，并計算熔巖流動到最遠距離時所經(jīng)歷的時間。據(jù)公式，首先在野外測量不同流動單元離火山口不同位置上的地表坡度S（表1）和熔巖流厚度d（表2），然后選取不同巖漿物理參數(shù)，如巖漿溫度取1200℃，熔巖黏度取5000kg/sm，50000kg/sm，熔巖密度取2600g/cm3。再按照不同熔巖流厚度分別計算相應的流動速度與熔巖流底部剪切力（表3），最后計算出不同流動單元的熔巖流的各自總流動時間。野外考察時發(fā)現(xiàn)，瓊北全新世熔巖流厚度大多數(shù)集中于5—20m之間，計算時選取熔巖流厚度d＝8m和d＝16m的熔巖流動速度作為瓊北全新世火山熔巖流動速度的估算值。計算得到不同厚度熔巖流流動速度與底部剪切力如圖3所示。圖3a指示了對于瓊北全新世火山區(qū)內(nèi)8m厚的熔巖流，其流動速度在0.05—5m/s之間，總體上屬于偏正態(tài)分布，流速眾值為0.5m/s。由圖3b可以看出，當熔巖流厚度加大至16m時，熔巖流流動速度明顯加大，速度高達5m/s的熔巖流流速也很常見。熔巖流底部剪切力的分布特征與熔巖流流速分布特征量類似，圖3c指示8m厚的熔巖流底部剪切力基本上屬于正態(tài)分布，頻率眾值為5000Pa。圖3d則表明16m厚的熔巖流底部50000Pa左右的剪切力較集中。

圖3　瓊北全新世火山區(qū)熔巖流流動速度與底部剪切力分布特征

圖4給出了不同單元熔巖流流動時間。由圖可見：對于瓊北全新世火山區(qū)8m厚的熔巖流，不同流動單元的流動時間均在100h以內(nèi)，其中大部分流動時間又都集中在20h左右。這也指示了瓊北全新世火山區(qū)未來噴發(fā)時，8m厚的熔巖流很有可能在1d之內(nèi)就達到或接近了它的最大流動距離。

圖4　瓊北全新世火山區(qū)8m厚熔巖流流動時間分布圖

表1　瓊北全新世火山區(qū)熔巖流地表坡度測量

3　討論

3.1　噴發(fā)持續(xù)時間的判定

除了熔巖流流動時間的恢復以外，火山災害評價時還需要了解火山噴發(fā)持續(xù)時間。根據(jù)將古論今的原則，通過對不同火山過去噴發(fā)持續(xù)時間的恢復，可以推測未來噴發(fā)的持續(xù)時間。了解了不同火山的平均噴發(fā)速率和噴發(fā)物體積，就可求出噴發(fā)持續(xù)時間。根據(jù)Walker （1973）的研究成果，熔巖流流動長度和噴發(fā)速率之間有很好的對應關(guān)系，長距離的熔巖流往往都與較高的噴發(fā)速率有關(guān)（Kilbern，1993；Kilbern et al.，1994）。因此，我們可以根據(jù)對瓊北全新世火山巖出露長度的測量來恢復噴發(fā)時的溢出速率。結(jié)合不同火山系統(tǒng)熔巖體積的確定，就可計算不同火山系統(tǒng)的噴發(fā)持續(xù)時間，計算結(jié)果如表4。

表4　瓊北全新世火山區(qū)不同火山噴發(fā)持續(xù)時間

由表4可見，瓊北全新世不同火山系統(tǒng)火山噴發(fā)持續(xù)時間大約在2個月至2年之間。對于單一流動單元的國群熔巖流，火山噴發(fā)持續(xù)時間約為2個月；對于多個流動單元的雷虎嶺火山系統(tǒng)，火山噴發(fā)持續(xù)時間達1年左右。馬鞍嶺火山系統(tǒng)噴發(fā)持續(xù)時間最長，因為它具有較大的熔巖體積和較小的噴發(fā)速率，它的噴發(fā)持續(xù)時間可能超過2年。對于昌道、陽南、浩昌等火山系統(tǒng)，噴發(fā)持續(xù)時間都在幾個月的熔巖中心島范圍內(nèi)，沒有直接受到熔巖流的災害，但卻完全有可能受到熔巖流引發(fā)的火災的影響。因為熔巖中心島規(guī)模都很小，不足以躲避一場火災的襲擊。由此可見在瓊北近代火山分布區(qū)內(nèi)，對于某一特定的火山系統(tǒng)的熔巖流分布范圍內(nèi)，人員與財產(chǎn)的遷移是必要的減災措施。

3.2　溢流性火山災害

瓊北近代火山區(qū)熔巖流災害主要表現(xiàn)為熔巖流動時對農(nóng)田、林地、道路的毀壞及引發(fā)的火災。熔巖流動速度與流動范圍的預測研究是制定減災措施時必須開展的工作（Tilling，2002；Peterson and Tilling，2000；Wei et al.，2003）。熔巖流動速度的預測可以參照瓊北近代火山玄武質(zhì)熔巖流有關(guān)物理參數(shù)特征和火山周圍地形特征（主要是熔巖流流經(jīng)范圍的坡度）開展工作。

瓊北近代火山區(qū)制定未來火山噴發(fā)熔巖流減災措施時，4—8km預期長度很可能是熔巖流流經(jīng)的距離，沿途則可能需要采取必要的減災措施。不同火山系統(tǒng)未來噴發(fā)時是呈線狀分布的限定性熔巖流，還是呈面狀展布的非限定性熔巖流，很大程度上取決于現(xiàn)今火山地形條件，另外也與未來噴發(fā)時巖漿的質(zhì)量噴發(fā)率有關(guān)。

熔巖流向前流動遇到局部高的地形障礙時，在重力作用下巖漿會自兩側(cè)繞過障礙物（正地形），從而形成面狀熔巖流里分散的熔巖中心島。瓊北近代火山熔巖流熔巖中心島尺寸如圖5a所示。在這些熔巖中心島范圍內(nèi)，沒有直接受到熔巖流的災害，但卻完全有可能受到熔巖流引發(fā)的火災的影響。因為熔巖中心島規(guī)模都很小，不足以躲避一場火災的襲擊。由此可見在瓊北近代火山分布區(qū)內(nèi)，對于某一特定的火山系統(tǒng)的熔巖流分布范圍內(nèi)，人員與財產(chǎn)的遷移是必要的減災措施。

瓊北近代火山區(qū)熔巖隧道很大程度上加大了巖漿流動與火山災害的范圍，同時也引發(fā)了一種重要的次生災害類型：熔巖隧道塌陷坑災害。特別是在塌陷坑集中區(qū)里，對熔巖噴發(fā)之后遺留下的潛在災害是必須考慮的災害類型。塌陷坑嚴重地影響了熔巖區(qū)內(nèi)有關(guān)人工建筑的穩(wěn)定性。在野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，很多民房就建在熔巖隧道之上，在民房周圍已經(jīng)發(fā)生了明顯的塌陷，從而揭示了現(xiàn)在的建筑與居民處于明顯的隧道塌陷災害影響范圍之內(nèi)。更有甚者，設計中的?？凇齺喼芯€高速公路在火山區(qū)內(nèi)就多次從熔巖隧道上方通過，在很多地段已經(jīng)發(fā)生了熔巖隧道頂板的塌陷。如此顯示了待建的高速公路需要加強對熔巖隧道表殼塌陷——塌陷坑的治理。從調(diào)查得到的塌陷坑集中區(qū)規(guī)模來看（圖5b），高速公路建設時應避開塌陷坑集中區(qū)是一項可以考慮的減災措施。

圖5　瓊北全新世火山區(qū)熔巖流殘留中心島和塌陷坑規(guī)模統(tǒng)計

4　結(jié)論

瓊北全新世火山熔巖流構(gòu)造類型以結(jié)殼熔巖占絕對優(yōu)勢，它反映了噴發(fā)時相對較低的質(zhì)量溢出率，并形成了本區(qū)廣為發(fā)育的熔巖隧道。瓊北近代火山熔巖流流動距離多數(shù)集中在4—8km之間。8km預期長度可以作為制定未來火山噴發(fā)熔巖流減災措施時熔巖流流動距離的參數(shù)。瓊北近代火山區(qū)熔巖流災害主要表現(xiàn)為熔巖流動時對農(nóng)田、林地、道路的毀壞及引發(fā)的火災。

瓊北全新世火山噴發(fā)時，地表巖漿的流動速度一般都在每秒幾米或每秒一米以下。離火山口距離較近時，地形坡度一般也較陡，最大流速可以大于10m/s。而遠離火山口的流體前鋒部位，流動速度一般都小于1m/s。瓊北全新世火山區(qū)未來噴發(fā)時，8m厚的熔巖流很可能在1天之內(nèi)就達到或接近了它的最大流動距離。瓊北未來火山噴發(fā)時不同火山系統(tǒng)持續(xù)時間可能在2個月至2年之間。

致謝：本文工作思路得益于第一作者受英國皇家學會資助在英國布里斯托爾大學訪問學者進修期間對熔巖流流動速度恢復的學習成果。野外工作中得到了海南省地震局、海南省旅游局有關(guān)領(lǐng)導和同事的大力支持，海南省地震局林鎮(zhèn)、馬林、曾海軍同志參加了部分野外工作，中國地震局火山中心劉培洵、鄭秀珍協(xié)助繪制了有關(guān)圖件，洪漢凈教授對論文初稿提出了十分有益的修改建議，工作中和英國布里斯托爾大學R.S.J.Sparks教授和J.Phillips博士進行了有益的探討，在此一并感謝。

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【注釋】

[1]本文發(fā)表于《地質(zhì)論評》2005年第51卷第1期。