于紅梅 許建東 吳建平 欒 鵬 趙 波

1）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3）國(guó)土資源部經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149

引言

火山爆發(fā)形成的火山碎屑會(huì)對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的危害。例如，2010年 4月14日冰島埃亞菲亞德拉冰蓋冰川附近的一座火山突然噴發(fā)，雖然噴發(fā)的規(guī)模不大，但由于氣流和天氣原因，此次噴發(fā)后飄散的火山灰致使歐洲空中交通癱瘓了數(shù)日，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除了影響交通外，火山碎屑還會(huì)產(chǎn)生其它類型的災(zāi)害，首先，在火山口附近幾km范圍內(nèi)，大塊的火山碎屑以彈道式從火山口拋射出或是在噴發(fā)柱的底部降落下來(lái)，會(huì)直接造成建筑物及房屋的破壞和人畜的嚴(yán)重傷亡。較小的火山碎屑在風(fēng)的作用下降落到遠(yuǎn)離火山口處，一旦火山碎屑產(chǎn)生的載荷超過(guò)200kg/m2時(shí)（約10cm厚玄武質(zhì)火山碎屑或20cm厚堿流質(zhì)火山碎屑），一些建筑物的屋頂會(huì)被壓塌（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008），當(dāng)超過(guò)700 kg/m2時(shí)，幾乎所有的房屋都會(huì)被壓塌（Bonadonna等，2005；Mastrolorenzo等，2008）。尤其是當(dāng)火山灰為濕的時(shí)候，其產(chǎn)生的載荷是同厚度干火山灰的1.5倍。在更大范圍內(nèi)，火山碎屑空降物超過(guò)10kg/m2時(shí)（約0.5cm厚玄武質(zhì)火山碎屑或1cm厚堿流質(zhì)火山碎屑）將會(huì)嚴(yán)重破壞已有耕地，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008）；空氣中懸浮的細(xì)小顆粒會(huì)進(jìn)入人的呼吸道和肺部，影響人的健康（Baxter等，1981；1986；1999a；Baxter，1999b）；這些細(xì)小的顆粒甚至可能會(huì)引起氣候的變化（Mills，2000；Rampino等，2000；Fedele等，2003）。

自Suzuki（1983）提出二維火山灰擴(kuò)散模型后，數(shù)值模擬已成為一個(gè)快速有效的確定火山灰擴(kuò)散和沉積范圍的方法。后來(lái)該模型被Armienti等（1988）、Bonadonna等（1998；2002；2005）、Connor等（2001）、Dellino等（2005）和Macedonio等（2005）改進(jìn)，并應(yīng)用到79 AD意大利Vesuvius（Macedonio等，1988）、1980美國(guó)圣海倫斯（Armienti等，1988）和1982墨西哥El Chichón（Bonasia等，2012）等火山噴發(fā)中。由于預(yù)測(cè)下次火山噴發(fā)還很困難，因此目前普遍應(yīng)用概率方法來(lái)評(píng)估火山灰擴(kuò)散災(zāi)害（Costa等，2009）。結(jié)合擴(kuò)散模型和火山區(qū)風(fēng)參數(shù)，可以獲得概率性空降火山灰災(zāi)害區(qū)劃圖。該方法最初由Barberi等（1990）提出，后來(lái)被應(yīng)用到世界上許多火山災(zāi)害區(qū)劃研究中。例如，意大利的Vesuvius和Campi Flegrei火山、新西蘭的Taupo和Tarawera火山、墨西哥的Volcán de Colima火山，以及厄瓜多爾的Cotopaxi火山等（Barberi等，1990；Rhoades等，2002；Bonadonna等，2005；Macedonio等，2008；Costa等，2009；Bonasia等，2011；2012；Biass等，2012；2013）。

位于我國(guó)東北地區(qū)的龍崗火山群中的金龍頂子火山早期發(fā)生了強(qiáng)烈的爆炸式噴發(fā)，產(chǎn)生了大面積的空降火山碎屑，被認(rèn)為是近2000年來(lái)中國(guó)第二大火山噴發(fā)（劉嘉麒，1987；Wei等，2003）。前人對(duì)該火山進(jìn)行了大量的野外地質(zhì)工作，確定了該火山噴發(fā)的碎屑沉積厚度和范圍、碎屑的粒度、噴發(fā)的規(guī)模和體積等（劉祥等，1997；于福生等，2005；張燾，2006；李智等，2006；劉強(qiáng)等，2009）。但是目前缺少對(duì)該火山空降災(zāi)害區(qū)劃方面的研究。由于該火山周?chē)幼∮写罅康木用?，如果再次發(fā)生如此規(guī)模的噴發(fā)，勢(shì)必給該區(qū)人們?cè)斐蓢?yán)重的災(zāi)難，所以本文根據(jù)改進(jìn)的Suzuki（1983）擴(kuò)散模型原理，編寫(xiě)了用于Windows環(huán)境下擴(kuò)散模型程序，模擬了金龍頂子火山爆炸式噴發(fā)產(chǎn)生的空降碎屑擴(kuò)散范圍，并與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，確定了合理模擬參數(shù)，最后基于該區(qū)風(fēng)參數(shù)，制作了不同沉積厚度閾值時(shí)的概率性火山灰擴(kuò)散災(zāi)害區(qū)劃圖，為未來(lái)火山噴發(fā)的空降物災(zāi)害預(yù)測(cè)和預(yù)警提供了可靠的依據(jù)。

1 金龍頂子火山地質(zhì)背景

龍崗火山群位于我國(guó)東北吉林省靖宇縣和輝南縣境內(nèi)，處于北東向的敦化-密山斷裂與圖們江-鴨綠江斷裂之間，受區(qū)域構(gòu)造影響，火山活動(dòng)始于新近紀(jì)（劉嘉麒，1987；王雨鈞等，1980）。該火山群東西長(zhǎng)約70km，南北寬約40km，在2500km2范圍內(nèi)分布著約168座火山（白志達(dá)等，2006）（圖1）。龍崗火山群的大部分火山屬于單成因火山作用（魏海泉等，1999），是由一次單獨(dú)的火山噴發(fā)形成的，并且區(qū)內(nèi)發(fā)育了極具代表性的射汽巖漿噴發(fā)產(chǎn)物——瑪珥湖，為眾多龍灣集中區(qū)（圖1）。

金龍頂子火山位于龍崗火山群中部偏西北位置（圖1），距金川鄉(xiāng)政府所在地2.5km，地理坐標(biāo)為42°20′ N，126°26′ E。金龍頂子火山經(jīng)歷了早期爆炸式噴發(fā)和晚期熔巖流式噴發(fā)。爆炸式噴發(fā)形成了巨大的火山渣錐和大面積的火山碎屑席，擴(kuò)散范圍達(dá)距離火山口約 23km處（李智等，2006）（圖1），為一次規(guī)模較大的噴發(fā)（白志達(dá)等，2006）。大爆發(fā)后，火山活動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)寧?kù)o的溢流作用，形成晚期熔巖流，但規(guī)模較小，區(qū)內(nèi)分布局限。劉祥等（1989）獲得的火山渣層炭化木14C年齡為1587±70 aBP—1690±85 aBP，所以金龍頂子火山被認(rèn)為是龍崗火山群中最為年輕的一座火山。

圖1 龍崗火山群火山分布圖（據(jù)隋建立等，1999修改）Fig. 1 Distribution map of volcanoes in the Longgang volcanic field (modified from Sui et al., 1999)

2 金龍頂子火山噴發(fā)模擬

擴(kuò)散模型的原理在很多文獻(xiàn)中（Suzuki，1983；趙誼等，2002；趙誼，2003；張程遠(yuǎn)等，2003；于紅梅等，2007）有詳細(xì)介紹，在此不再贅述。作者根據(jù)模型原理編寫(xiě)了用于Windows環(huán)境下擴(kuò)散模型程序，并曾應(yīng)用到長(zhǎng)白山天池火山千年噴發(fā)的模擬中（于紅梅等，2007），得到了較好的結(jié)果。在此，應(yīng)用該模型模擬金龍頂子火山灰擴(kuò)散，模型需要的主要參數(shù)包括：碎屑顆粒的粒度、密度、噴發(fā)體積、噴發(fā)柱高度、風(fēng)速和風(fēng)向等。

2.1 碎屑粒度和密度

劉強(qiáng)等（2009）曾對(duì)金龍頂子火山產(chǎn)生的火山碎屑進(jìn)行了詳細(xì)的粒度分析（圖2），得到的碎屑粒度中值為0.3—-3.41Φ（平均值為-1.77Φ，即3.13mm），標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.79—1.79（平均值1.23）。Burisk等（1992）認(rèn)為，擴(kuò)散模型對(duì)于小于0.00625cm的碎屑不適用，所以碎屑的粒度范圍選擇為 0.00625—6.4cm。該區(qū)噴發(fā)物成分為單一的粗面質(zhì)玄武巖（隋建立等，1999），密度選為1500kg/m3。

圖2 金龍頂子火山碎屑粒度中值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（數(shù)據(jù)來(lái)自劉強(qiáng)等，2009）Fig. 2 Median particle size and standard deviation of tephra from Jinlongdingzi volcano（Data is cited from Liu et al., 2009）

2.2 噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積

前人根據(jù)最大碎屑的粒度和厚度確定了金龍頂子火山噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積，但是不同學(xué)者得到了不同的結(jié)果，見(jiàn)表1。但較多的學(xué)者認(rèn)為，噴發(fā)柱高度約14km左右，噴發(fā)體積大于0.1km3。為此，在模擬時(shí)選擇噴發(fā)柱高14km，噴發(fā)體積0.33km3。在2.4節(jié)可以看到得到了很好的模擬結(jié)果。

表1 不同學(xué)者得到的噴發(fā)柱高度和噴發(fā)體積Table 1 Eruptive column heights and volumes from previous studies

2.3 風(fēng)速和風(fēng)向

根據(jù)碎屑的沉積分布，其主要分布在火山口以東，所以模擬時(shí)風(fēng)向?yàn)閃270°。但是風(fēng)速很難確定，本文采用最優(yōu)模擬方法，確定平均風(fēng)速約為8m/s。

2.4 火山灰擴(kuò)散模擬結(jié)果

根據(jù)以上分析，確定模型輸入?yún)?shù)的值（見(jiàn)表2），然后模擬金龍頂子火山空降碎屑擴(kuò)散范圍，結(jié)果見(jiàn)圖 3。與劉祥等（1997）根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果手繪的等值線進(jìn)行對(duì)比，可以看到在中源和遠(yuǎn)源處火山灰厚度等值線很相近，但火山口附近誤差較大，這是由于火山口處拋射和噴發(fā)柱坍塌產(chǎn)生的碎屑占據(jù)較大的比例，模擬時(shí)沒(méi)有考慮，使得火山口處模擬值小于實(shí)測(cè)值。因此，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，這也證明了模擬參數(shù)的合理性。

圖3 模擬厚度等值線（虛線）與手繪等值線（實(shí)線）對(duì)比圖（手繪等值線來(lái)自劉祥等，1997）（單位：cm）Fig. 3 Comparison of simulated isopachs (dotted line) and the hand-drawn contours (solid line) of tephra fallout (unit∶ cm) ( the hand-drawn contours are from Liu et al., 1997)

表2 模型主要輸入?yún)?shù)Table 2 Main input parameters for the model

3 概率性空降災(zāi)害研究

3.1 研究方法

根據(jù)擴(kuò)散模型和火山區(qū)高空風(fēng)數(shù)據(jù)，可以獲得空降火山灰災(zāi)害概率圖。首先計(jì)算每個(gè)風(fēng)剖面時(shí)區(qū)域內(nèi)每個(gè)位置點(diǎn)（x，y）上沉積的火山灰厚度，然后對(duì)每個(gè)位置點(diǎn)（x，y）上大于某個(gè)厚度閾值（h0）的概率（Ph＞h0）可以用該點(diǎn)上火山灰厚度值（h）大于閾值的風(fēng)剖面的個(gè)數(shù)（Nh＞h0）除以所利用的所有風(fēng)剖面的個(gè)數(shù)（Ntotal）（Barberi等，1990）獲得，即：

3.2 氣象資料

制作空降災(zāi)害概率圖需要首先確定金龍頂子火山地區(qū)風(fēng)的參數(shù)。從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http∶//www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/）下載離該火山較近的氣象臺(tái)站——延吉臺(tái)站，1991—2000十年的高空大風(fēng)層定時(shí)數(shù)據(jù)（每天0點(diǎn)和12點(diǎn)在15個(gè)不同氣壓下測(cè)量的數(shù)據(jù)），并統(tǒng)計(jì)＜5km、5—10km和10—20km三個(gè)不同海拔高度區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向（圖4）?？梢钥闯觯搮^(qū)風(fēng)向以西風(fēng)為主，在低于5km以下區(qū)域風(fēng)速較小，一般小于20m/s；高于5km區(qū)域風(fēng)速加大；到10—20km區(qū)域風(fēng)速大于30m/s的比例明顯增加。

圖4 延吉?dú)庀笳?991—2000高空大風(fēng)定時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig. 4 The local wind distribution diagrams from Yanji weather station for the period of 1991 to 2000

3.3 概率性空降災(zāi)害評(píng)估

空降火山灰引起的災(zāi)害首先與噴發(fā)的規(guī)模有很大關(guān)系。在此，作者假設(shè)金龍頂子火山未來(lái)噴發(fā)為過(guò)去噴發(fā)的規(guī)模。根據(jù)作者編寫(xiě)的擴(kuò)散模型和表 2中的參數(shù)，利用并行計(jì)算機(jī)模擬了1991—2000十年共7021個(gè)不同風(fēng)剖面時(shí)火山灰的擴(kuò)散范圍。氣象資料顯示，該區(qū)高空大多數(shù)情況下風(fēng)速較大，導(dǎo)致火山灰擴(kuò)散的范圍很大，所以在此只統(tǒng)計(jì)了火山灰厚度超過(guò)1cm和0.5cm時(shí)的災(zāi)害概率圖（見(jiàn)圖5和圖6），其代表了火山灰對(duì)耕地和人類呼吸等災(zāi)害的影響程度。

由圖5和圖6可以看到，受該區(qū)風(fēng)的影響，火山灰影響范圍較大，并且主要集中在火山口的東部?；鹕交液穸瘸^(guò) 1cm的影響區(qū)域面積約為 3000km2，在火山口東部影響距離達(dá)60km，在靖宇縣火山灰厚度超過(guò)1cm的概率約為6%?；鹕交液穸瘸^(guò)0.5cm的影響范圍增大，達(dá)7000km2左右，在火山口東部影響距離超過(guò)100km，在靖宇縣火山灰厚度超過(guò)0.5cm的概率近20%，在撫松縣的概率也已達(dá)8%。

4 結(jié)果與討論

根據(jù)二維擴(kuò)散模型，作者編寫(xiě)了基于Windows環(huán)境下的火山灰擴(kuò)散程序。通過(guò)對(duì)前人資料的分析，模擬了金龍頂子火山噴發(fā)產(chǎn)生的空降碎屑物擴(kuò)散范圍，與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比得到了很好的一致性，說(shuō)明參數(shù)的合理性。根據(jù)該區(qū)風(fēng)參數(shù)，確定了火山灰沉積厚度超過(guò)1cm和0.5cm時(shí)的概率性空降碎屑災(zāi)害區(qū)劃圖。結(jié)果證實(shí)，由于該區(qū)風(fēng)速較大，金龍頂子火山如果產(chǎn)生噴發(fā)，將會(huì)對(duì)該區(qū)100km范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)、人民的健康及氣候帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

圖5 金龍頂子火山灰沉積厚度大于1cm空降災(zāi)害概率圖Fig. 5 Tephra fallout hazard probability map at deposit thickness more than 1cm for Jinlongdingzi volcano

圖6 金龍頂子火山灰沉積厚度大于0.5cm空降災(zāi)害概率圖Fig. 6 Tephra fallout hazard probability map at deposit thickness more than 0.5cm for Jinlongdingzi volcano

根據(jù)下載的該區(qū)高空大風(fēng)定時(shí)數(shù)據(jù)，該區(qū)高空風(fēng)速較大，尤其是高于10km以上時(shí)，風(fēng)速多超過(guò) 30m/s，強(qiáng)烈的風(fēng)速攜帶著較多的火山灰擴(kuò)散向更大的范圍，使得火山口附近沉積厚度也只有幾cm，所以在此本文只給出了火山灰厚度超過(guò)1cm和0.5cm的空降災(zāi)害概率圖。根據(jù)金龍頂子火山碎屑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，金龍頂子火山噴發(fā)時(shí)平均風(fēng)速較小，約8m/s，火山灰厚度超過(guò)10cm（對(duì)建筑物有一定的影響）的影響范圍在距離火山口約20km范圍內(nèi)，所以距離火山口20km范圍可劃定為重災(zāi)區(qū)。本文的研究可以為龍崗火山區(qū)危險(xiǎn)性分析和災(zāi)害預(yù)警與對(duì)策提供重要的科學(xué)依據(jù)。

致謝：感謝中國(guó)地震局地質(zhì)研究所郝永偉老師、廖凱寧老師和李曉麗老師在并行計(jì)算機(jī)使用過(guò)程中給予的熱情幫助。

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