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吉林龙岗火山区

1. 基本概况

吉林龙岗火山群是中国境内最为典型的单成因火山区之一(魏海泉等,1999),位于长白山天池火山西120km处,龙岗山脉中段,具体分布主要在龙岗山脉以东到头道松花江之间的盆地内,西起辉南县三道河畔,东达靖宇县头道松花江边,北至靖宇县景山镇,南抵浑江市三岔子乡,由于新近纪以来有多次熔岩喷发,构成大片熔岩台地,分布面积约有1500km2,尤其第四纪以来该火山群火山活动频繁,形成了独具特色的火山地貌,100多座火山口如雨后春笋屹立于龙岗山脉中,其中龙湾火山口湖群宛如珍珠一样镶嵌其中(图1)。


1 龙岗火山群无人机拍摄龙岗火山群照片

龙岗火山区从新近纪开始活动,一直延续到全新世。第四纪火山活动频繁,具有多旋回、多期次和多阶段喷发特点,是中国近代主要火山活动区之一。

2. 构造背景

东北地区火山活动最强烈的时期始自渐新世,且有中新世、上新世、更新世三个高潮期,这与构造运动紧密相联。龙岗火山群中的火山总体沿NWW或近东西向分布,这一方向恰恰是在近东西向最大水平挤压应力作用下,产生张性断裂的方位。实际上,龙岗火山群中的火山主要位于北东向和北西向断裂的交汇部位。北东向和北西向断裂可能为与东西向挤压有关的共扼扭性断裂(图2a)。

龙岗火山群夹在敦化-密山断裂带和鸭绿江-图们江断裂带之间。这里有火山近100多座,火山岩分布面积1500km2 ,沿北西西—近东西向分布。区内断裂发育,主要有北东向、北西向和近东西向三组,构成较规则的网状断裂格局,控制着新生代火山口的分布(图2b)。


2 a)东北新生代火山岩、构造以及龙岗火山群位置图; b)龙岗火山群火山构造关系图

3. 喷发历史

火山喷发期次就是火山活动历史的研究,龙岗地区第四纪火山活动活跃,喷发频繁,了解本区火山喷发期次,对未来龙岗地区火山预警提供判断依据。龙岗火山期次划分比较多。前人在龙岗地区火山活动期次划分上有不同标准,因而有不同的划分结果。部分研究者主要以测年数据为基准,对龙岗地区火山喷发期次进行划分(表1);一部分研究者根据火山地层叠置关系以及测年结果,对龙岗地区火山活动期次进行划分(表1)。

1 前人龙岗新生代火山喷发期次对比表

4.1金龙顶子火山

金龙顶子火山位于吉林省辉南县金川镇境内,是龙岗火山群中最为年轻的火山,也是龙岗火山群全新世喷发规模最大的火山(图3)。大多数研究者认为在1500~1700年前,金龙顶子火山发生了亚普尼林式喷发,形成了分布广泛的四海火山碎屑席(刘祥和张成梁,1997;魏海泉等,1999;刘若新,2000;樊祺诚等,2002)。金龙顶子火山锥体由早期降落火山渣锥、金龙顶子晚期降落火山渣锥及金龙顶子末期溅落锥共同组成,其整体形态呈椅子型,在西南方向有一个缺口,为熔岩流溢出破坏形成。刘嘉麒等(2009)测得该套熔岩流中熔岩树的年龄为1965±30 a BP2285±60a BP

3 金龙顶子火山地质简图

4.2龙泉龙湾火山

龙泉龙湾火山位于吉林靖宇县龙泉镇南1公里处,是一座较为典型的凝灰环(徐德斌,2005)。龙泉龙湾低平火山口主要有东西两个火口组成,整体形态上呈一个葫芦状(图4),西火口湖面最大直径为900 m,东火口湖面最大直径为280m,水面高程617.6m,最大水深91m,四面湖沿最大高程为693.6m。龙泉龙湾火口沿保存基本完好,西侧、东北侧和东南侧火口沿环围绕西火口展布,东侧火口沿海拔高度明显要比其它方向火口沿要高,为东西两火口基浪堆积物部分叠加的结果。从地貌上看,龙泉龙湾火山西侧火口先喷发,东侧火口后期喷发。

4 龙泉龙湾火口地质图

5.地球化学特征

前人地球化学分析样品主要来源于金龙顶子火山和大椅子山火山等(樊祺诚等,1999;隋建立,1999;于福生等,2003Liu etal.,2009)。全岩分析结果显示大部分样品岩性为粗面玄武岩(图5)。

5火山岩TAS分类图解(引自樊祺诚等,1999)

金龙顶子火山岩的样品有着极为相似的REE 和不相容元素分布模式(6) 和微弱的Eu异常,但不具有天池火山和望天鹅火山造盾玄武质岩石的SrBa 正异常, 这反映了它们直接来自地幔源区,岩浆上升过程也极少演化。


6a)金龙顶子火山岩稀土元素球粒陨石标准化分布图;b)不相容元素分布图 (引自樊祺诚等,1999)

6. 金龙顶子火山灾害

金龙顶子火山最后一次爆发发生于1600-2200年前, 所以金龙顶子火山为休眠活火山, 今后完全有再次爆发的可能(刘祥,1997)。根据金龙顶子历史上的喷发的情况,主要火山灾害由火山喷发溅落堆积物、空降堆积物和熔岩流等。

6.1火山溅落堆积物灾害

根据野外地质调查,从火口向外约2km范围内,堆积厚度大于5m,主要是溅落堆积物,具体包括火山弹、熔岩饼、围岩碎块以及粗粒级火山渣。该区堆积物为弹道喷射,撞击能量大,受风力影响小,温度高,堆积厚度大,是高危险区。

6.2火山空降堆积物灾害

若从火山空降火山渣对住宅等建筑物以及农作物的重压等角度考虑,房顶受力超过700kg/m2时,几乎所有类型房屋都会压垮;200~700 kg/m2时,部分屋顶会垮塌;10~200 kg/m2时,对农作物会产生破坏性影响(Mastrolorenzo et.al, 2008;于红梅等,2013)。

金龙顶子火山渣能浮在水上,密度一般小于1g/cm3。通过换算,把压强转化为火山渣堆积物厚度:厚度大于0.7m,几乎所有类型房屋会压垮;厚度在0.2~0.7m之间,部分屋顶会垮塌;度在0.01~0.2m之间,对农作物会产生破坏性影响。

如果金龙顶子再次发生火山爆发,可能的规模大致和上次相近,考虑现今盛行的季风(西偏北风),火山碎屑降落堆积物的分布仍是一个长轴呈北西西向展布的椭圆形。

自火口向外2km~9km为空降堆积物灾害的高度危险区,该区域是火山碎屑物主要降落区,降落火山碎屑厚度大于0.7m,几乎所有建筑物都会遭到破坏。

9~14km为中等危险区,降落堆积物以细粒火山渣、火山灰为主,厚度在0.2~0.7 m 之间,部分建筑会垮塌。

14~18km为低危险区,堆积厚度在0.01~0.2m之间,对建筑物的影响则小,对农作物会造成严重损害。

18km以外,火山灰厚度小于0.01m,主要是火山灰尘及有害气体危害。

6.3熔岩流灾害

龙岗地区火山岩岩性主要为玄武岩(Liu JQ et al.2009),1200°玄武质岩浆的粘度在1000~10000 P.s之间(Lockwood &Hazlett2010),设置熔岩流从金龙顶子火山海拔950m处向四周溢流,总共溢出体积为0.59 Km3。通过Volcflow模拟的结果显示:熔岩流主要分为南北两部分,向北流动的熔岩流被三角龙湾火山挡住分成两股,一股向西到金川镇,规模较大,另一股向东,沿着山脚流动,规模较小;向南流动的熔岩流在参场也分为两股,大部分向西流向吴家蹚子村,少量向东流;还有少量熔岩流向西被大龙湾东南部高地阻挡。从地形上看,熔岩流所在区域均为地势低洼区域。

6 金龙顶子火山熔岩流Volcflow模拟结果图

6.4金龙顶子火山灾害区划

距离金龙顶子火山3.4km处的辉南县金川镇,总人口约1.3万人。龙岗地区是国家森林公园,夏季旅游人数较多,金川镇又在兴建滑雪场。火山喷发必定会给附近人民群众造成灾害及损失。因此很有必要建立金龙顶子火山灾害区划图。

根据对金龙顶子火山机构的解析,金龙顶子火山活动具有多期性特征,历史火山灾害类型主要为火山溅落灾害、空降火山渣灾害和熔岩流灾害等。在限定金龙顶子火山未来再次喷发类型和规模与上次相当的条件下,初步建立了金龙顶子火山灾害区划图(图7)。火山溅落灾害局限于火口2km范围内;空降火山渣受风影响较大,距火口2~9km为高危险区,9~14km为中危险区,14~18km为低危险区;熔岩流灾害受地形影响大,金龙顶子周围低洼地带、金川镇到蛤蟆塘一带,吴家蹚子山前低洼地带均是高危险区,以往熔岩流流动区域为中危险区,后河农场以西为低危险区。在未来可能的火山喷发前,金龙顶子火山灾害区划可以给相关部门提供初步参考,做出相应的预防计划。

7 金龙顶子火山灾害区划图

龙岗火山区常见的火山碎屑涌浪在金龙顶子历史火山灾害没有发现,但是不能保证以后的喷发不会有;次生的火山灾害没有涉及,比如大龙湾的湖水,如果金龙顶子火山喷发导致湖水的倾泻,会产生什么破坏性影响,都是未知的。这些需要科研工作者进一步研究,完善整个地区的灾害区划图,建立火山喷发应急机制。