許建東，萬(wàn) 園，王新茹，潘 波，于紅梅，趙 波，楊文健

1.中國(guó)地震局 地質(zhì)研究所，北京 100029；2.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100081

0 引言

火山災(zāi)害是人類主要的自然災(zāi)害之一，國(guó)際減災(zāi)十年委員會(huì)將火山災(zāi)害列為第六位主要自然災(zāi)害［1-2］.全球有大約10%的人口生活在火山危險(xiǎn)地帶及其附近.最近1 000 a 以來(lái)就有1 300 多座火山噴發(fā)，其中約有5%的噴發(fā)活動(dòng)造成了災(zāi)難［3-4］.目前有記載的最為嚴(yán)重的火山災(zāi)害是1815 年的印度尼西亞坦博爾火山噴發(fā)［5］，直接死亡人數(shù)9 萬(wàn)多，但噴發(fā)造成全球氣候變化導(dǎo)致糧食絕產(chǎn)又餓死數(shù)百萬(wàn)人.最近引起全球關(guān)注的火山噴發(fā)事件是2022 年湯加王國(guó)洪阿哈阿帕伊島Hunga Tonga-Hunga Ha’apai（HTHH）火山發(fā)生噴發(fā)，噴發(fā)柱高出海平面以上18～20 km，并迅速向四周擴(kuò)散至火口周圍240 km 的范圍，火山噴發(fā)所產(chǎn)生的能量引發(fā)了整個(gè)太平洋的海嘯［6］.近年來(lái)，由于地球上人口密度不斷增大，大量人口不可避免地居住在土壤肥沃的火山區(qū)域內(nèi)，火山災(zāi)害就成為了必須面臨的重大危險(xiǎn)之一.

面對(duì)火山的潛在噴發(fā)危險(xiǎn)和巨大災(zāi)害，如何減輕和防御火山災(zāi)害成為國(guó)際上研究的重點(diǎn)，而火山災(zāi)害區(qū)劃就是其中一種有效的方法［2-3，7］.火山災(zāi)害區(qū)劃是在對(duì)某一特定火山的歷史火山災(zāi)害研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬或經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測(cè)未來(lái)火山噴發(fā)時(shí)可能造成的破壞或影響區(qū)域，為地方政府的土地使用規(guī)劃提供參考，也為居民的防災(zāi)和避災(zāi)提供依據(jù).火山災(zāi)害區(qū)劃包括3 個(gè)因素：火山災(zāi)害的類型、火山災(zāi)害的范圍、火山災(zāi)害的程度.不同的火山災(zāi)害種類構(gòu)成不同類型的危害，不同規(guī)模的災(zāi)害所造成的影響范圍和破壞程度也各不相同.這些通常應(yīng)綜合考慮，編制形成一張火山災(zāi)害區(qū)劃圖，對(duì)上述各類災(zāi)害覆蓋的區(qū)域、活動(dòng)類型和規(guī)模以不同顏色的方式綜合表達(dá).

長(zhǎng)白山天池火山是中國(guó)境內(nèi)規(guī)模最大的一座活火山，在公元946—947 年發(fā)生了巨大的噴發(fā)活動(dòng)，影響到了北半球的大部分地區(qū)［8-10］.另外，長(zhǎng)白山火山地下巖漿活躍，2002—2006 年間地下小震頻發(fā)，地表形變異常，具有再次噴發(fā)活動(dòng)的危險(xiǎn)［11］.長(zhǎng)白山火山不僅引起了中國(guó)政府的高度關(guān)注，而且東北亞其他各國(guó)也擔(dān)心再次噴發(fā)形成巨大災(zāi)害，紛紛開展了針對(duì)本國(guó)可能遭受災(zāi)害的研究，如韓國(guó)開展了火山灰的災(zāi)害區(qū)劃和應(yīng)急方案的制定.本研究綜合前期對(duì)長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害區(qū)劃的研究成果，并以此為基礎(chǔ)回顧中國(guó)火山災(zāi)害區(qū)劃研究歷史，總結(jié)不同歷史階段各種不同類型火山災(zāi)害區(qū)劃圖的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合目前國(guó)際上火山災(zāi)害區(qū)劃的研究現(xiàn)狀和編圖技術(shù)，對(duì)我國(guó)未來(lái)編制具有概率含義的火山災(zāi)害區(qū)劃圖的思路提出展望.

1 長(zhǎng)白山火山概況

長(zhǎng)白山天池火山位于中國(guó)吉林省東部的中朝邊境上，是長(zhǎng)白山火山區(qū)內(nèi)3 座大型破火山口中最年輕的一座，其噴發(fā)活動(dòng)約始于5 Ma，經(jīng)歷了造盾階段（5～2 Ma）、造錐階段（2～0.05 Ma）和爆炸式噴發(fā)階段（0.05 Ma 以來(lái)）［12］.造盾階段主要為玄武質(zhì)巖漿的溢流式噴發(fā)，區(qū)域內(nèi)形成了廣泛而平坦的熔巖臺(tái)地；造錐階段由于巖漿的演化，從玄武質(zhì)逐漸演化至粗面質(zhì)，黏度增大，流動(dòng)性變差，原地堆積逐漸形成了高聳的錐體；而晚期巖漿演化成富含揮發(fā)份且易爆炸的堿流質(zhì)，發(fā)生了數(shù)次大規(guī)模的爆炸噴發(fā)活動(dòng)，將原來(lái)高聳的錐體破壞并形成了如今的破火山口，且積水成湖形成了天池.天池目前湖面海拔2 194 m，最大水深373 m，蓄水量20×108m3，成為具有巨大潛在危險(xiǎn)的天上懸河［13-15］.

長(zhǎng)白山天池火山目前處于爆炸式噴發(fā)階段，該階段大約始于50 ka 前的天文峰期噴發(fā)，其后又發(fā)生了氣象站期和千年大噴發(fā)期兩次大規(guī)模的噴發(fā)活動(dòng)［16-18］.除此之外，部分學(xué)者還認(rèn)為存在其他噴發(fā)活動(dòng)，如公元1018、1124、1265、1373、1401、1573、1668、1702 和1903年的噴發(fā)［14，16］，但這些噴發(fā)目前沒有發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)物，可能僅是無(wú)噴發(fā)的巖漿擾動(dòng)事件.其中最為著名的是千年大噴發(fā)，該次噴發(fā)發(fā)生于公元946—947 年［19-20］，是一次規(guī)模巨大的爆炸式噴發(fā)，形成了多種火山災(zāi)害，如火山灰災(zāi)害，噴發(fā)柱進(jìn)入平流層，火山灰擴(kuò)散至大半個(gè)北半球；火山碎屑流災(zāi)害橫掃方圓50 km 內(nèi)的一切，至今仍可見裹挾在碎屑流內(nèi)的大量碳化木.另外，長(zhǎng)白山天池火山還在大約距今8 ka 前發(fā)生了一次以溢流為主的氣象站期熔巖噴發(fā)活動(dòng)，熔巖流覆蓋在錐體北坡上，是天池火山熔巖流災(zāi)害的典型代表［21］.對(duì)于天文峰期噴發(fā)目前研究較少，主要認(rèn)識(shí)有其噴發(fā)時(shí)間大約距今50 ka，且是形成如今天池破火山口的關(guān)鍵噴發(fā).該期噴發(fā)地表出露較少，但基本認(rèn)同其應(yīng)該也是類似于千年大噴發(fā)的一次大規(guī)模爆炸式噴發(fā)活動(dòng)［18］.

在歷經(jīng)20 多年系統(tǒng)性研究與監(jiān)測(cè)工作之后，對(duì)于長(zhǎng)白山天池火山的噴發(fā)歷史、噴發(fā)過(guò)程與深部巖漿機(jī)制已經(jīng)取得了一系列成果和基本認(rèn)識(shí).長(zhǎng)白山天池火山的地球物理探測(cè)資料表明，在淺地殼中存在低速異常體，分析認(rèn)為應(yīng)是地殼巖漿房.同時(shí)，多方資料證實(shí)天池火山地下深部仍不斷向地殼巖漿房進(jìn)行物質(zhì)補(bǔ)充，且兩者混合后不斷地分異演化.當(dāng)未來(lái)達(dá)到一定規(guī)模后，具有極高的再次觸發(fā)噴發(fā)的危險(xiǎn)性.且當(dāng)?shù)亟?jīng)過(guò)多年的發(fā)展，旅游業(yè)發(fā)達(dá)，人口相對(duì)密集，一旦發(fā)生火山噴發(fā)，將產(chǎn)生災(zāi)害性的巨大影響，需要給與足夠的重視.

2 長(zhǎng)白山火山災(zāi)害區(qū)劃歷史與現(xiàn)狀

2.1 火山災(zāi)害的主要類型

火山噴發(fā)是巖漿等噴出物在短時(shí)間內(nèi)從火山口向地表的釋放.由于巖漿中含大量揮發(fā)份，加之上覆巖層的圍壓，使這些揮發(fā)份溶解在巖漿中無(wú)法逸出，當(dāng)巖漿上升靠近地表時(shí)，壓力減小，揮發(fā)份急劇被釋放出來(lái)，于是形成火山噴發(fā).火山噴發(fā)產(chǎn)生的災(zāi)害有兩大類：一類是由于火山噴發(fā)本身造成直接災(zāi)害，另一類是由于火山噴發(fā)而引起的間接災(zāi)害.實(shí)際上，在火山噴發(fā)時(shí)，這兩類災(zāi)害常常是兼而有之.直接災(zāi)害主要有火山空降碎屑物災(zāi)害、火山碎屑流災(zāi)害和火山熔巖流災(zāi)害；火山噴發(fā)引起間接災(zāi)害包括火山泥石流、山崩、海嘯等.

2.1.1 火山空降碎屑物災(zāi)害

火山爆發(fā)式的噴發(fā)向空中釋放大量火山碎屑物，因受重力作用而下降，在降落過(guò)程中產(chǎn)生沖擊、掩埋和燃燒現(xiàn)象，在其覆蓋范圍內(nèi)造成建筑物、耕地、農(nóng)作物、森林等被破壞和人畜傷亡等，這類災(zāi)害在世界上平均每年發(fā)生一次.最著名的是公元79 年意大利維蘇威火山噴發(fā)，最先噴出的是高黏度的巖漿，繼而涌出灼熱的火山碎屑流和碎屑堆積物，使當(dāng)時(shí)繁華的龐貝古城被火山渣所掩埋.其他幾個(gè)著名的海濱城市，如赫庫(kù)蘭尼姆、斯塔比亞等地也遭到嚴(yán)重破壞.1980 年5 月，美國(guó)圣海倫斯火山爆發(fā)，在距火山口10 km 范圍內(nèi)，無(wú)一林木得以保存.此外，降落的火山灰使很大范圍的空氣、水質(zhì)受到污染，特別是硫、鹽酸等化合物粘在火山灰上，對(duì)動(dòng)植物極其有害.如1970 年冰島?？死鹕奖l(fā)時(shí)，富含氯化物的火山灰降落在牧草上達(dá)1～6 mm 厚，致使7 000 頭食草的羊群死去.

2.1.2 火山碎屑流災(zāi)害

在火山噴發(fā)時(shí)，由熱氣托著固體顆粒，以高速密集的射流噴出.山坡等地形對(duì)熾熱火山碎屑流的行進(jìn)幾乎沒有任何摩擦阻力，因此所到之處災(zāi)害嚴(yán)重.1902年培雷火山爆發(fā)時(shí)，充滿氣體且黏度很高的巖漿猛烈噴發(fā)和爆炸，熾熱的氣體形成颶風(fēng)，伴隨著山崩，以約100 km/h 速度從斜坡沖下來(lái)，構(gòu)成一股由溫度高達(dá)800 ℃的氣體（主要是CO2）、玻璃質(zhì)和塵土組成的火山碎屑流，頃刻吞沒了山下的圣·皮爾市.具有破壞性的火山碎屑流，在世界上平均每百年約發(fā)生40 起.由于火山碎屑流的速度快，避離困難，橫掃一切，破壞力大，加之溫度高易發(fā)生重大火災(zāi)，所以它是火山噴發(fā)災(zāi)害嚴(yán)重的致災(zāi)因素.

2.1.3 火山熔巖流災(zāi)害

熔巖流是地下巖漿噴出地表后的高溫流體，其溫度一般是在幾百至1 200 ℃左右.當(dāng)巖漿噴溢流動(dòng)時(shí)，因其黏度不同，其流速也不一樣，一般為幾千米每小時(shí)，如不及時(shí)躲開也很危險(xiǎn).熔巖流所經(jīng)之處，能破壞建筑物、森林、耕地等，使之變成不毛之地.熔巖覆蓋面積的大小，與熔巖黏度、地形條件等有關(guān).熔巖流進(jìn)入沼澤和水中，能產(chǎn)生第二次爆炸，在靠近冰川的地方，也有發(fā)生洪水泛流的情況.歷史上有記載的最大熔巖流是1783 年冰島拉基火山噴發(fā)，從16 km 長(zhǎng)的裂隙中同時(shí)噴出玄武巖，溢滿了附近的冰川河床，并蔓延到周圍的村莊和海濱地區(qū)，覆蓋面積達(dá)565 km2.

2.1.4 火山泥石流災(zāi)害

火山泥石流是由火山噴發(fā)碎屑物與水相混合的流動(dòng)體，同火山碎屑流具有同樣快速和猛烈的破壞作用，而且在火山災(zāi)害中發(fā)生的幾率較高.世界上平均每年發(fā)生一次以上.因火山噴發(fā)死亡的人數(shù)中，至少有10%是由泥石流災(zāi)害造成的.如哥倫比亞魯伊斯火山1985 年11 月13 日的噴發(fā)雖然發(fā)生于沒有人類活動(dòng)的山區(qū)，但火山噴發(fā)融化了冰雪，形成的泥石流厚達(dá)40 m，攜帶土壤和巖塊，以50 km/h 的速度向山口快速流動(dòng).火山噴發(fā)2.5 h 后，到達(dá)了距噴發(fā)口74 km 阿梅羅鎮(zhèn)，經(jīng)過(guò)短短的4 h，阿梅羅鎮(zhèn)被摧毀，造成了23 000 居民死亡、5 000 人受傷、5 000 幢房屋被毀的嚴(yán)重火山次生災(zāi)害.

2.2 長(zhǎng)白山火山災(zāi)害區(qū)劃研究歷史

2.2.1 早期的火山災(zāi)害區(qū)劃

中國(guó)早期的火山災(zāi)害區(qū)劃研究開始于20 世紀(jì)90年代，1997 年“中國(guó)若干近代活動(dòng)火山的監(jiān)測(cè)與研究”項(xiàng)目（95211）正式啟動(dòng)，中國(guó)地震局首次對(duì)長(zhǎng)白山、五大連池與騰沖火山進(jìn)行了較系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與研究.在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，本著“以古論今”基本原則，即假設(shè)大體相同的火山區(qū)很可能受同類噴發(fā)事件的影響，火山的未來(lái)行為在事件的類型、頻率和量級(jí)上與過(guò)去的噴發(fā)行為是相似的.基于這種歷史事件重演原則，以長(zhǎng)白山天池火山歷史上大規(guī)模噴發(fā)所產(chǎn)生的災(zāi)害范圍為參考，對(duì)于未來(lái)同樣規(guī)模的火山噴發(fā)的可能的災(zāi)害范圍給出了半定量化的厘定，完成了第一張長(zhǎng)白山、騰沖火山災(zāi)害區(qū)劃圖［22］.

根據(jù)降落堆積物的類型和厚度，把降落災(zāi)害程度分為重災(zāi)區(qū)、中等災(zāi)害區(qū)、輕災(zāi)區(qū)（圖1）.空降重災(zāi)區(qū)是指遵循彈道軌跡拋射的火山碎屑降落物以及自火山噴發(fā)云中降落的火山碎屑降落物，該區(qū)的分布范圍以天池火山口為中心半徑13 km 的范圍.空降中等災(zāi)害區(qū)是厚度大于10 cm 的碎屑物降落區(qū).因?yàn)?0 cm 的空降層相當(dāng)于100～200 kg/m2的載荷，可引起許多平頂或尖頂建筑物坍塌.在火山口外30 km 處，浮巖溫度仍可在燃點(diǎn)以上.該區(qū)空降碎屑物分布主要受風(fēng)的影響.天池火山歷史上的大噴發(fā)受西北風(fēng)影響，未來(lái)的降落災(zāi)害在天池火山東南側(cè).空降輕災(zāi)區(qū)是厚度小于10 cm 的碎屑物降落區(qū)，該區(qū)主要是對(duì)人類的生活和生產(chǎn)造成影響，部分土質(zhì)房屋會(huì)受到破壞，森林會(huì)受到影響.細(xì)粒火山塵對(duì)引擎、管道的堵塞、粘附作用影響范圍會(huì)更遠(yuǎn)，雖然對(duì)人類生命不構(gòu)成嚴(yán)重威脅，但會(huì)嚴(yán)重影響人的呼吸系統(tǒng)并會(huì)刺激灼傷眼睛.如果噴發(fā)時(shí)火山灰含有大量的有毒物質(zhì)（如歷史上曾經(jīng)發(fā)生的富F、Cl、S 的噴發(fā)），還需要考慮火山灰對(duì)于水體、食物鏈的污染作用.

根據(jù)火山碎屑流的搬運(yùn)機(jī)制和堆積物的特征，將其分為碎屑流重災(zāi)區(qū)和碎屑流中等災(zāi)害區(qū)（圖1）.火山碎屑流重災(zāi)區(qū)是火山碎屑流的主體部分，以層流搬運(yùn)，堆積物不顯層理.它是一種熾熱的氣固體混合高度流體化的流動(dòng)體，具有很高的流速，可達(dá)160 m/s，可翻越很高的障礙.這個(gè)區(qū)是以天池火山口為中心，半徑40～60 km 的范圍.在這個(gè)區(qū)帶將發(fā)生流動(dòng)沖撞、掩埋、高溫灼燒等破壞作用，造成火災(zāi)、建筑物、橋梁、植物、水電站、微波站、道路等毀滅性破壞以及人員傷亡等.火山碎屑流中等災(zāi)害區(qū)是火山碎屑流派生的灰云浪部分，以湍流搬運(yùn)，堆積物具有交錯(cuò)層理.灰云浪影響范圍將會(huì)超過(guò)60 km 半徑范圍，可能會(huì)達(dá)到75～90 km 范圍.與遠(yuǎn)緣相空降型火山灰災(zāi)害類型相似，灰云浪對(duì)空氣與水源的污染作用、引擎堵塞作用是主要的災(zāi)害效應(yīng).

圖1 長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害區(qū)劃圖（據(jù)文獻(xiàn)［22］修改）Fig.1 Volcanic hazard map of Changbaishan Tianchi volcano（Modified from reference［22］）

根據(jù)火山泥石流的特點(diǎn)、河流的密集程度、原生火山碎屑的分布將火山泥石流災(zāi)害分為重災(zāi)區(qū)和中等災(zāi)害區(qū)帶.重災(zāi)區(qū)分布巖屑流，即巖屑比例高、巖屑顆粒大，河流密布，是原生火山碎屑堆積如火山碎屑流堆積物的主要分布區(qū).以火山口為中心分布的半徑為75 km左右（圖1）.在這個(gè)區(qū)內(nèi)形成高速?zèng)_撞、掩埋作用，造成居民點(diǎn)、建筑物、橋梁、鐵路、水電站等毀滅性破壞和人員傷亡.中等災(zāi)害區(qū)分布著火山泥石流及火山泥石流消退流，即巖屑含量變低、浮巖及泥質(zhì)含量增高，主要沿三江流域分布，其分布距火山口240 km 以外，在這個(gè)區(qū)內(nèi)以掩埋、沖擊、堵塞作用為主.造成水庫(kù)淤積、村莊淹沒等.

從總體上看，早期“以古論今”為原則的火山災(zāi)害區(qū)劃圖編制，通過(guò)研究火山的過(guò)去噴發(fā)行為，以過(guò)去火山噴發(fā)行為或最具破壞性的噴發(fā)事件為參照系，評(píng)估預(yù)測(cè)未來(lái)火山噴發(fā)的可能影響范圍和災(zāi)害程度.雖然以定性、半定量評(píng)價(jià)方法為主，僅僅給出了不同災(zāi)害類型影響的大致宏觀范圍，缺乏詳細(xì)和具體的評(píng)價(jià)結(jié)果，但初步提出了火山災(zāi)害區(qū)劃的原則、工作程序、災(zāi)害區(qū)劃工作的內(nèi)容和方法，為進(jìn)一步的火山災(zāi)害區(qū)劃研究打下了基礎(chǔ).

2.2.2 晚期的火山災(zāi)害區(qū)劃

火山災(zāi)害區(qū)劃的進(jìn)一步研究開始于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所在實(shí)施地震行業(yè)科研專項(xiàng)“中國(guó)主要活動(dòng)火山噴發(fā)序列研究與災(zāi)害預(yù)測(cè)”（200708027）項(xiàng)目中的實(shí)踐.這項(xiàng)研究使用了從地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)年代學(xué)中獲得的過(guò)去噴發(fā)數(shù)據(jù)，來(lái)模擬火山空降物、火山碎屑流、熔巖流和火山泥流分布范圍，采用了幾種被廣泛接受的數(shù)值模型來(lái)模擬不同噴發(fā)規(guī)模的每種災(zāi)害.隨后按照風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行了災(zāi)害區(qū)域劃分，繪制了長(zhǎng)白山-天池火山的綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)圖［23］（圖2）.

圖2 長(zhǎng)白山天池火山的綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)圖Fig.2 Comprehensive volcanic hazard zoning map of Changbaishan Tianchi volcano

在長(zhǎng)白山天池火山綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖的編制過(guò)程中，綜合考慮了長(zhǎng)白山天池火山的歷史災(zāi)害情況和相關(guān)研究成果，采用數(shù)值方法先分別對(duì)各個(gè)災(zāi)害類型進(jìn)行數(shù)值模擬，編制分災(zāi)種的災(zāi)害區(qū)劃圖，最后匯總各災(zāi)種的災(zāi)害情況綜合編制長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害區(qū)劃圖.在綜合對(duì)比各種災(zāi)害數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，選擇了當(dāng)前應(yīng)用相對(duì)廣泛和相對(duì)成熟的模擬方法，具體模擬方法與模擬結(jié)果如下.

火山空降災(zāi)害的模擬計(jì)算分為拋射部分和擴(kuò)散部分.拋射部分的計(jì)算使用Charles（2001）編寫的Eject模型，設(shè)定拋射初始速度為300 m/s，在不同角度下計(jì)算獲得拋射的最遠(yuǎn)距離為7.2 km，即火口周圍7.2 km應(yīng)為極危險(xiǎn)區(qū)域.擴(kuò)散模型模擬參數(shù)的選擇主要依據(jù)：1）野外調(diào)查千年大噴發(fā)期和天文峰期兩次噴發(fā)空降浮巖的分布、粒徑、顆粒密度和形狀參數(shù)等.2）長(zhǎng)白山區(qū)域內(nèi)氣象臺(tái)1980—2009 年的風(fēng)向資料與不同高度風(fēng)速變化資料［24］.在此基礎(chǔ)上，將噴發(fā)柱高度作為衡量噴發(fā)規(guī)模的一個(gè)參數(shù)，分別設(shè)定了噴發(fā)柱高度10、20、30 km 進(jìn)行空降災(zāi)害的模擬，發(fā)現(xiàn)隨著噴發(fā)規(guī)模的增大，影響范圍也不斷擴(kuò)大.噴發(fā)柱為10 km 時(shí)，火山灰1 cm 厚度線順風(fēng)方向最遠(yuǎn)到達(dá)約200 km；而噴發(fā)柱為30 km 時(shí)，火山灰1 cm 厚度線順風(fēng)方向最遠(yuǎn)到達(dá)約450 km.

火山碎屑流模擬計(jì)算使用了Flow3D 模型.模擬中設(shè)定的物理參數(shù)主要來(lái)源于千年大噴發(fā)火山碎屑流的研究數(shù)據(jù)，如碎屑流密度790 kg/m3，單碎屑體積0.001 26 m3.另外，碎屑流是受地形強(qiáng)控制的流體，因此模擬中根據(jù)長(zhǎng)白山火山區(qū)DEM 資料選擇了12 條溝谷作為碎屑流流動(dòng)的通道，并且測(cè)量了這12 條溝谷的地形高程和坡度.模擬以噴發(fā)柱高度來(lái)控制噴發(fā)的規(guī)模，設(shè)定了10、20、30 km 噴發(fā)規(guī)模，且假設(shè)噴發(fā)柱自天池火口上方坍塌，僅沿設(shè)定的11 條溝谷流動(dòng)擴(kuò)散.模擬計(jì)算結(jié)果顯示，10 km 噴發(fā)柱形成的碎屑流的流動(dòng)長(zhǎng)度介于10.1～13.7 km 之間；20 km 噴發(fā)柱形成的碎屑流的流動(dòng)長(zhǎng)度介于31.8～35.4 km 之間；30 km噴發(fā)柱形成的碎屑流的流動(dòng)長(zhǎng)度介于50.3～57.8 km之間.研究發(fā)現(xiàn)3 個(gè)噴發(fā)規(guī)模下沿二道白河溝谷里流動(dòng)的距離最長(zhǎng)［25］.

火山熔巖流的模擬使用了熱流變運(yùn)動(dòng)學(xué)FLOWGO 模型.該模型的參數(shù)設(shè)置包括熔巖參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和地形參數(shù)3 個(gè)部分.熔巖參數(shù)的選取參照了氣象站期熔巖流的研究數(shù)據(jù)，如熔巖密度2 380 kg/m3，溢出口溫度1 328 K.環(huán)境參數(shù)的選取則根據(jù)區(qū)域氣象臺(tái)的歷史數(shù)據(jù)，如大氣溫度使用長(zhǎng)白山天池年平均氣溫-5 ℃.地形參數(shù)的設(shè)定與碎屑流模擬相似，選取設(shè)定了15 條熔巖流流動(dòng)路徑，并測(cè)繪了路徑的高程和坡度.模擬計(jì)算中設(shè)定以火口周緣為熔巖溢出口或寄生火口發(fā)育點(diǎn)，利用溢出率來(lái)控制熔巖的噴發(fā)規(guī)模，分別設(shè)定了100、200、350、500 m3/s 四個(gè)噴發(fā)等級(jí)，計(jì)算出了不同規(guī)模噴發(fā)沿不同路徑熔巖流流動(dòng)所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離［26］.

火山泥石流的模擬使用了基于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腖AHARZ 軟件.該模型的參數(shù)包括能量錐閾值、爆發(fā)總體積和地形參數(shù)3 個(gè)部分.能量錐閾值依據(jù)千年大噴發(fā)噴發(fā)柱高度和區(qū)域平均地形坡度計(jì)算得0.07.地形參數(shù)使用區(qū)域的DEM 高程資料，在LAHARZ 軟件自動(dòng)計(jì)算出的河流中選取4 條火山泥石流易發(fā)河道作為模擬路徑.爆發(fā)總體積成為控制火山泥石流規(guī)模的主要參數(shù)，分別設(shè)定了108、109、1 010、1 011 m3四個(gè)噴發(fā)規(guī)模.依據(jù)上述參數(shù)開展了模擬計(jì)算，得出了不同噴發(fā)規(guī)模條件下泥石流沿各河道流動(dòng)的最遠(yuǎn)距離［27］.

基于各災(zāi)害類型的特征和數(shù)值模擬方法，分別完成了各災(zāi)種的災(zāi)害區(qū)劃，并繪制了相應(yīng)的災(zāi)害區(qū)劃圖，劃定了不同規(guī)模災(zāi)害的影響范圍，這為單一災(zāi)種的防御提供了參考.然而，火山的噴發(fā)活動(dòng)是復(fù)雜的，通常一次噴發(fā)可能產(chǎn)生多種災(zāi)害類型，而同一區(qū)域也可能遭受多種災(zāi)害類型的破壞和影響，因此建立綜合性的火山災(zāi)害區(qū)劃圖對(duì)于火山區(qū)地方政府和民眾防御火山災(zāi)害會(huì)更加有效和實(shí)用.

最終完成的長(zhǎng)白山天池火山災(zāi)害區(qū)劃圖，綜合不同災(zāi)害類型的具體情況，圍繞長(zhǎng)白山天池火山口劃分了3 個(gè)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害區(qū)域（圖2）.高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于近火口的錐體之上，除火山泥石流外，其余災(zāi)種在該區(qū)均可造成嚴(yán)重的破壞，是重點(diǎn)防御區(qū)域.中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位于距火口15～60 km 的區(qū)域，主要為火山碎屑流的影響區(qū)域，小規(guī)模噴發(fā)時(shí)此區(qū)相對(duì)安全，但中大規(guī)模噴發(fā)時(shí)仍將遭受嚴(yán)重破壞.低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于距火口60～100 km 的河谷內(nèi)，主要為火山碎屑流和火山泥石流的影響范圍.

高風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害區(qū)：整體呈面狀分布在距火口約15 km的范圍內(nèi)，主要為火山熔巖流、拋射碎屑、順風(fēng)向空降浮巖和火山碎屑流所形成的災(zāi)害區(qū)域.由于該區(qū)距離火口近，噴發(fā)物溫度高，密度大，且速度快，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)可造成巨大影響，屬于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域.但此區(qū)域范圍整體有限，加之良好的火山監(jiān)測(cè)可提前預(yù)警火山的噴發(fā)活動(dòng)，使人員盡早撤離避免傷亡.

中等風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害區(qū)：分布在距火口15～60 km 的相對(duì)低洼區(qū)域，主要受火山碎屑流、火山泥石流和空降浮巖的破壞和影響，屬于災(zāi)害泛濫區(qū)域.該區(qū)隨著搬運(yùn)距離的增大，火山噴發(fā)物的溫度降低、體積變小，勢(shì)能減弱，風(fēng)險(xiǎn)性有所降低，但對(duì)于中等規(guī)模以上的噴發(fā)活動(dòng)，破壞性還是巨大，因此仍需做好財(cái)產(chǎn)的規(guī)避和人員的疏散.

低風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害區(qū)：分布在距火口60～100 km 的山麓地區(qū)和低洼河谷內(nèi)，主要受火山碎屑流和火山泥石流的破壞和影響.該區(qū)遠(yuǎn)離火口，火山熔巖流和碎屑流物質(zhì)難以到達(dá)該區(qū)，但在湖水或降雨的作用下產(chǎn)生火山泥石流，沿河道及兩側(cè)造成破壞，該區(qū)人員需提高警惕，當(dāng)發(fā)出火山泥石流預(yù)警之時(shí)盡快撤離，避免不必要的人員傷亡.

長(zhǎng)白山天池火山的綜合災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)圖，充分考慮了長(zhǎng)白山火山不同歷史災(zāi)害類型的具體情況，通過(guò)利用新的火山災(zāi)害模擬技術(shù)，給出了天池火山爆發(fā)時(shí)在火口周緣所形成的災(zāi)害情況和危險(xiǎn)程度.這些工作將為地方政府建立火山災(zāi)害應(yīng)急方案和規(guī)劃地方建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，也為提高火山區(qū)周圍民眾的防災(zāi)意識(shí)和疏散避險(xiǎn)能力提供幫助.

3 結(jié)論與討論

中國(guó)的火山監(jiān)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估工作起步較晚，由于缺少現(xiàn)代火山噴發(fā)，我國(guó)火山研究者沒有直接觀測(cè)火山噴發(fā)機(jī)會(huì)和實(shí)施火山減災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)，除了研究歷史噴發(fā)所遺留的噴發(fā)物外，我國(guó)早期火山災(zāi)害區(qū)劃的相關(guān)研究主要集中在野外調(diào)查和各種噴發(fā)物的鑒定、分期、災(zāi)害類型識(shí)別等方面，火山災(zāi)害區(qū)劃圖以定性和半定量化的表述為主.

近些年來(lái)開展的火山災(zāi)害評(píng)估與災(zāi)害區(qū)劃圖編制等嘗試性的研究，通過(guò)開展中國(guó)大陸以長(zhǎng)白山火山為代表的不同類型火山未來(lái)的火山作用特征、可能的災(zāi)害類型和發(fā)育程度的研究，參考國(guó)際流行的火山災(zāi)害模擬技術(shù)，建立了反映中國(guó)火山活動(dòng)特點(diǎn)的空降物擴(kuò)散模型、碎屑流流動(dòng)模型、火山泥石流模型和火山熔巖流模型，并以此為基礎(chǔ)編制了長(zhǎng)白山火山災(zāi)害區(qū)劃圖，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)火山災(zāi)害區(qū)劃研究與國(guó)際火山學(xué)潮流的同步.

目前在國(guó)際上有關(guān)火山災(zāi)害區(qū)劃圖還沒有形成完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其技術(shù)模型、分析方法和火山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理方面也有所差異，但基本的方法與思路已經(jīng)成形，并逐步走向成熟，比如說(shuō)對(duì)災(zāi)害進(jìn)行量化并利用概率論的方法預(yù)測(cè)火山災(zāi)害的“事件樹”的發(fā)展與應(yīng)用［28］.我們要繼續(xù)借鑒國(guó)際上的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮我們的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)開展中國(guó)大陸不同活動(dòng)火山地區(qū)的火山災(zāi)害評(píng)價(jià)與編圖技術(shù)研究，提升我國(guó)火山災(zāi)害區(qū)劃的研究水平和國(guó)際影響力.