长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积的粒度特征与地质意义

长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积的粒度特征与地质意义 长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流 堆积的粒度特征与地质意义 )))))1 2 1 1 2 杨清福史兰斌 张羽 陈波 陈孝德 ) 1 吉林省地震局 , 长春 130022 )2 中国地震局地质研究所 , 北京 100029 火山碎屑流堆积因其巨大的危害性而成为火山学研究的重要课之一 。文中对长白山区摘 要 天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积进行了粒度分析 。分析结果表明 ,火山碎屑流堆积分选差 ,伴生的灰云浪堆积分选性好 。火山碎屑流堆积中的岩屑和浮岩的平均最大粒度随着离开火山口距离的加 大而减小 ,反映火山碎屑流搬运过程中存在重力分选和机械磨损作用 。火山碎屑流在搬运过程中发 生了流体化作用 ,离开火山口越远流体化速度越小 ,反映火山碎屑流在搬运过程中发生了流体化去气 作用 ,这种作用使火山碎屑流的粘度和屈服强度增加而导致沉积 。流体化速度是控制搬运距离的因 素之一 ,远源多渠道火山碎屑流的汇合使流体化速度增大 ,搬运距离更远 ,造成的灾害范围也增大 。 火山碎屑流 粒度特征 搬运机制 长白山天池火山关键词 中图分类号 : P31713 ( ) 文献标识码 : A文章编号 : 0253 - 4967 2007 03 - 0480 - 12 0 引言 火山碎屑流堆积由炽热的火山碎屑和气体组成 ,沿地表高速流动 ,可造成巨大的火山灾害。 在 1900年至 1986 年间 ,火山碎屑流是世界上造成死亡人数最多的火山灾害类型 ,占火山灾害 () 死亡人数的 47118 % B long, 1996 。因此 ,火山碎屑流堆积物一直是活动火山研究的重要课题 之一。 长白山天池火山是一座巨型层状复式火山 ,经历了粗面玄武岩浆造盾 、粗面质岩浆造锥和 () 近代碱流质岩浆爆破式喷发 3个阶段 樊祺诚等 , 2005 。近代喷发可以划分为距今 5 000 a、距 (今 4 000 a、距今 1 000 a、历史记录的 1668 —1702 年和 1903 年喷发 崔钟燮等 , 1995; 刘若新等 , ) 1999; 杨清福等 , 2006 。 ()距今约 1 000 a的大喷发 以下称千年大喷发 是一次布里尼式大规模爆炸式火山喷发 ,早 () 期形成空降堆积 ,晚期形成火山碎屑流堆积 刘若新等 , 1998 a; 杨清福等 , 1998 。由于这次大 () 喷发具有很大的灾害性和全球意义 樊祺诚等 , 2005 ,前人开展了多方面研究工作 ,如火山喷 (() 发的年代 刘若新等 , 1997; 崔钟燮等 , 2000; 尹金辉等 , 2005 、物理火山学 刘若新等 , 1998 a; () ) 杨清福等 , 1998 、火山喷发的触发机制 刘若新等 , 1998 b; 樊祺诚等 , 2005 、火山喷发的气体含 〔收稿日期 〕 2006 - 12 - 20收稿 , 2007 - 02 - 26改回。 ( ) ( 〔基金项目 〕 国家“十五 ”科技攻关项目 2001BA601B06和科技部社会公益研究专项资金 2001D IA10003, )2002D IA20009共同资助。 ( ) 量及其对环境的影响 Gill et a l. , 1992; Ho rn et a l. , 2000; 郭正府等 , 2001 等。本文主要研究天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积物的粒度特征。 国外火山碎屑流粒度分析主要用于以下几 )方面的研究工作 : 1 采用粒度分析参数 ,判别堆 ( ) 积物的成因类型。W a lke r 1971 , 1983 根据粒度分析资料 ,建立了火山碎屑堆积物的成因类型 () )判别投点图 ,被广泛引用 D ru itt et a l. , 1986; Gianne tti et a l. , 2000; B e lou sov et a l. , 2002 。2 讨 ( 论火山碎屑流堆积的粒度特征、垂向上的变化和分选性 Sp a rk s et a l. , 1973; Sp a rk s, 1976; ) )W a lke r et a l. , 1981; Pa llad ino et a l. , 2002; Saucedo et a l. , 2002 , 2004 。3 运用粒度分析资料探 ( ) 讨火山碎屑流的搬运机制 Sp a rk s, 1976; Gmó ez2Tuena, et a l. , 1999; Taddeucc i et a l. , 2002 。 ( )天池火山千年大喷发堆积物的粒度分析工作并不多见。刘祥等 1997 开展了千年大喷发 火山碎屑物的粒度分析工作 ,根据粒度分析参数 ,讨论了空降堆积和火山碎屑流堆积粒度特征 的差异以及火山碎屑流堆积的分选性 , 得出了火山碎屑流堆积分选差的认识。刘若新等 ( )1998 a筛分了千年大喷发火山碎屑堆积物的碎屑样品 ,采用粒度分析参数投点图 ,判别堆积 物的成因类型 ,分为空降堆积 、火山碎屑流堆积和灰云浪堆积 ; 根据火山碎屑流堆积剖面上粒 度的垂向变化 ,认为火山碎屑流搬运分选作用差 ,搬运营力复杂 ,但搬运营力以层流为主。总的来看 ,前人主要运用粒度分析结果 ,研究天池火山千年大喷发火山碎屑堆积物的成因类型 、分选 性和搬运方式。本次工作除运用粒度分析资料判别堆积物成因类型和分选性外 ,主要研究天池 火山千年大喷发火山碎屑流的搬运机制 ,定量恢复火山碎屑流的流体化速度 ,进而讨论流体化 作用对火山碎屑流搬运和堆积的影响。 1 千年大喷发火山碎屑流堆积物概况 长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积分布在火山口周围约 60 km 的范围内 。根据 离火山口的距离和堆积物的特征变化 ,将火山碎屑流堆积分为近源相、中源相和远源相。在近 源相至中源相 ,堆积物沿沟谷分布 ,如鸭绿江峡谷、锦江峡谷、黑石河 、沙林 、槽子河等 ,岩石类型 为强熔结 、中等熔结、弱熔结的黑色含集块凝灰角砾岩、角砾凝灰岩 ,黄色凝灰角砾岩 ,最大厚度 约 80m。局部夹薄层灰云浪形成的火山灰堆积 。远源堆积呈面状分布 ,如火山东北侧老东方红 林场、北侧光明林场、西侧锦北浮石采场等地 ,岩石类型为灰白色松散的浮岩质火山碎屑堆积 , 最大厚度约 70m。局部夹薄层灰云浪形成的火山灰堆积 。 火山碎屑流堆积中的浮岩代表了原始岩浆成分。千年大喷发火山碎屑流堆积中 ,存在黑色 和白色两种颜色的浮岩 。岩石化学分析结果表明 ,黑色浮岩代表的岩浆成分为粗面质 ,白色浮 () 岩代表的岩浆成分为碱流质 史兰斌等 , 2005 。 2 粒度分析和结果 2. 1 野外观测和结果 粒度分析分两步完成 ,一是野外露头上碎屑最大粒度测定 ,二是采样室内筛分测定。火山 ()碎屑流堆积中碎屑 浮岩和岩屑 的平均最大粒度测量是一个重要的野外工作方法。具体做法 ( 是 ,在大量地质点的每个野外剖面上 ,测量 3 ,5 个最大岩屑和浮岩的粒径 ,取其平均值 Ca s et ) a l. , 1987 。这种测量结果能够反映粒度的侧向变化 。野外共测定 136 个浮岩最大粒度平均值 , 64个岩屑最大粒度平均值 。测定结果表明 ,自火山口向远源 ,火山碎屑流堆积的最大浮岩的平 482 地 震 地 质 29卷 () 均粒度差异很大 ,但总趋势是最大浮岩平均粒度逐渐减小 图 1 a,最大岩屑平均粒度随离开火 () 山口的距离增加也呈减小的趋势 图 1 b。 图 1 火山碎屑流堆积最大平均粒度与离开火山口中心点距离投点图 F ig. 1 P lo t of ave rage m axim um gra in size in ign im b rite aga in st d istance away from Tianch i. () ()a 平均最大浮岩粒度 M P ; b 平均最大岩屑粒度 M L 2 12 室内粒度筛分和结果 室内筛分测定所用样品 ,一般是在未熔结和未固结的堆积物中采集。样品的重量没有统一 规定 ,主要根据堆积物的粒度而定 ,堆积物最大碎屑粒度越大 ,分选越差 ,所需的样品重量越大 , 样品的重量通常在 015,2 kg; 如果堆积物只有火山灰 ,样品有几克至几十克就够了。本次工 作 ,采集了 67个火山碎屑流堆积以及火山灰夹层的碎屑样品。在室内对样品烘干 ,然后用一套 Φ(Φ ) Φ以一个 值为间隔的筛子 = - logd, d 是以 mm 为单位的碎屑粒度 ,值区间是 - 5,4 ,对 2 样品进行筛分和称重 。将粒度筛分资料投到几何概率纸上 ,建立起粒度分布累积曲线 ,确定 In2 ( ) m an指数 Ca s et a l. , 1987 ,即 ΦM d = Φ50 σ(ΦΦ) - / 2 = Φ 8416 σσσ M d是粒径中值 ; 是图解偏差 , 这是分选性的测量标志 ,< 2为分选好 ,> 2为分Φ Φ Φ Φ 选差。F:样品中粒度 < 1mm 碎屑的质量分数; F:样品中粒度 < 01063mm 碎屑的质量分数。 1 2 粒度分析结果见表 1。 表 1 天池火山千年大喷发火山碎屑流和灰云浪堆积物粒度分析参数 Tab le 1 Gra in size ana lysis p a ram e te rs of p yroc la stic flow depo sits and a sh c loud su rge depo sits in the m illenn ium e rup tion a t Tianch i vo lcano σ M dFF 序号样品编号地点Ф Ф12 老房子小山路边1104 116 121 152 461161 S02D05 - 2 沙林 0135 3179 55107 11104 2 S02D06 - 2 沙林 1131 5115 61156 2018 3 S02D08 - 3 沙林 0119 4173 5119 8125 4 S02D08 - 5 沙林 0171 217 45125 14159 5 S02D08 - 7 沙林 6 S02D08 - 8 0162 3135 58173 15131 0101 3128 5012 7164 7 S02D 08 - 10 沙林 续表 1 σ M dFF 序号样品编号地点ФФ12 0139 199 142 135 35488 S02D08 - 11 沙林 沙林 0187 2174 6311 1219 9 S02D08 - 12 沙林 10 S02D08 - 13 0124 4149 52166 9171 天池公路原 1715 km 11 S02D21 - 2 - 0161 2142 40165 0187 北坡山门西南 1km 12 S02D22 - 2 0172 5106 5711 13189 北坡山门西南 1km 13 S02D22 - 4 1164 2161 69196 12167 北坡山门西南 1km 北坡山门西南 1km 14 S02D22 - 6 016 5104 55193 13145 锦北采石场 锦北采15 S02D22 - 10 1125 4161 59182 17125 石场 锦江峡谷 16 S02D26 - 2 1119 5103 53173 22137 锦江峡谷 锦17 S02D26 - 4 2161 3108 72141 16177 江峡谷 锦江18 S02D29 - 2 4163 35157 12155 - 2 峡谷 西坡公19 S02D29 - 4 - 512 3137 17174 612 路路堑 西坡 20 S02D29 - 6 0126 4172 53176 13156 公路路堑 西 21 S02D29 - 8 - 1147 5164 41125 14187 坡公路路堑 西坡公路路堑 22 S02D31 - 2 - 3134 4141 29111 7143 西坡公路路堑 23 S02D31 - 4 - 5124 5159 36147 13125 王池 鸭绿江24 S02D31 - 6 - 6101 3116 14173 4194 峡谷 鸭绿江25 S02D31 - 8 - 012 3181 47146 15158 峡谷 26 S02D31 - 9 - 4157 3178 22127 7134 老东方红林场桥 老东27 S02D32 - 3 1109 5123 57147 21109 方红林场桥 双目峰 28 S02D33 - 2 - 3147 5134 38114 20192 边防站院内 双目峰 边防站院内 东方红29 S02D33 - 3 - 3146 5141 44179 22134 林场南 414 km 30 S02D34 - 12 - 1161 5138 46118 20172 红石至星火林场 1014 km ,公路东侧 31 S02D34 - 15 2173 5113 64116 28159 星火林场木材检查站 32 S03D01 - 2 1163 3156 65145 19151 星火林场木材检查站 星火林场木材33 S03D01 - 3 1189 4126 65144 26161 检查站 星火林场木材检查站 二道34 S03D21 - 1 3110 4193 65150 34148 至山门公路 16 km 路标东 150m 二道35 S03D29 - 2 0188 5160 52163 19134 至山门公路 1918km 路标处 36 S03D30 - 1 2175 4127 67101 28182 二道至山门公路 1918km 路标处37 S04D30 - 4 - 054919191 132 160 193 二道至山门公路 1918km 路标处 38 S03D30 - 5 3133 2183 80116 25144 黑石河桥南西 1155 km 河西壁 39 S03D30 - 8 2106 4152 60110 17173 黑石河桥东 200m 公路北东侧 40 S03D46 - 1 - 2152 5127 44182 17180 41 S03D48 - 1 - 0118 5127 49172 17118 42 S03D48 - 2 0172 4157 57118 15171 43 S03D48 - 3 0190 2137 71112 15149 44 S03D51 - 2 1187 3126 69179 23136 45 S03D53 - 1 1126 3164 64115 22163 0130 3147 54102 17181 46 S03D 53 - 4 黑石河桥东 200m 公路北东侧 484 地 震 地质 29卷 续表 1 σ M dFF 序号样品编号地点ФФ12 - 3119 5122 40198 16121 锦北林场东南 514 km 浮岩采场 47 S03D65 - 1 锦北林场东南 514 km 浮岩采场 1137 5126 52118 35108 48 S03D65 - 4 西坡山门至梯子河的路两侧 2127 3135 74127 21161 49 S03D67 - 2 白西林场桥东南 5 km 白云山庄0138 4159 53190 19137 50 S03D73 - 1 电站北 10m 老房子小山东北 1 0120 4134 52140 20149 51 S03D81 - 1 350m 老房子小山 333?方向 2 - 0123 5128 49114 16119 52 ST13 - 1 700m 沙林 天池公路原 19 km 1159 3133 66165 25106 53 ST17 - 1 北坡山门南西 1km 3159 0198 99138 3017 54 S02D08 - 1 锦北采石场 1146 2152 71199 1911 55 S02D20 - 3 王池 老东方红林场桥 1162 2175 56195 23156 56 S02D22 - 8 老东方红林场桥 老317 1149 98164 41167 57 S02D27 - 1 东方红林场桥 老东 58 S02D32 - 1 3146 1147 97124 34153 方红林场西北 东方 3193 1191 91177 48141 59 S02D34 - 9 红林场南 414 km 星火 林场木材检查站 星60 S02D34 - 13 2119 1149 83118 2161 火林场木材检查站 61 S02D34 - 16 409955111 189 186 189 星火林场木材检查站 62 S03D10 - 2 4111 1139 95177 56117 3144 1170 93127 31193 63 S03D21 - 3 3159 1161 96125 37157 64 S03D30 - 3 65 S03D30 - 7 3175 1146 93177 42111 66 S03D30 - 10 4102 1103 94171 51100 3129 1189 90145 29161 67 S03D 67 - 1 椅子山东北 6 km 公路两侧 3 讨论 3 11 堆积物的成因类型 σ 采用火山碎屑堆积物成因类型判别图 ,对火山碎屑堆积样品做 M d- 投点和 F- F投Φ Φ 1 2 () 点 图 2 , 大部分落在火山碎屑流区 , 少量样品落在区外 , 这是因为野外取样时 , 采集的粗粒浮 () ( ) 岩碎屑过多 , 因而使得样品粒度中值 M d增加 , 细粒含量变小 F值变小 。火山灰样品落在 Φ 1 火山灰云浪堆积区内 。粒度分析投点结果与野外堆积物成因类型定名一致。 3 12 分选性 σσ表 1显示 ,火山碎屑流堆积的 > 2, 分选差 。与火山碎屑流伴生的灰云浪堆积< 2, 分Φ Φ 选较好。 3 13 侧向粒序性 () 最大岩屑粒度测量表明 ,火山碎屑流堆积中的岩屑粒度随远离火山口变小 图 1 a ,这是一 种侧向正粒序。岩屑含量也随远离火山口变少 ,直至肉眼基本看不到岩屑 。岩屑侧向正粒序反 映在火山碎屑流搬运过程中存在重力分选作用 。 最大浮岩粒度测量结果显示浮岩最大粒径随 () 远离火山口变小 图 1 b ,火山碎屑流在 () 图 2 堆积物成因类型投点图 原图引自 W a lke r, 1983 σ( ) F ig. 2 M dvs. d iagram and Fvs1Fd iagram afte r W a lke r, 1983 . Φ Φ 1 2 搬运过程中存在机械磨损作用。但火山碎屑流堆积物的粒度中值随离开火山口的距离增大而 () 增加 图 3 ,由于岩屑的粒度和含量随远离火山口变小 ,堆积物中浮岩的含量增加 ,因此样品的 粒度中值的侧向增大反映浮岩在侧向上呈反粒序。 图 3 粒径中值与离开火山口距离投点图 ) () (F ig. 3 P lo t of m ed ian gra in d iam e te r M dof ign im b rite aga in st d istance D away from Tianch i vo lcano. Φ 3 14 流体化作用 火山碎屑流能远距离搬运 ,在火山碎屑流上部有云浪堆积 ,说明火山碎屑流发生了流体化 作用。根据从火山碎屑流中淘析出来的灰云浪的粒度分布 ,可以求出火山碎屑流的流体化速度 ( ) () Sp a rk s, 1976 。先求出灰云浪堆积粒度筛分的中值粒径参数 表 2 ,再用图 4 求出最小流体 () 化速度 U,结果见表 3。 m f 将最小流体化速度与离火山口的距离投点 ,显示最小流体化速度随远离火山口降低的总趋 486 地震地质 29卷 ()()( )()图 4 最小流体化速度 U和降落终速度 U 与粒度 d 之间的关系 原图引自 Sp a rk s, 1976 m f t ()F ig. 4 Theo re tica l cu rve s of the re la tion sh ip of m in im um flu id iza tion ve loc ity U m f () ( ) ( ) and te rm ina l fa ll ve loc ity U w ith gra in size d afte r Sp a rk s, 1976. t () 势 图 5 。这归因于火山碎屑流搬运过程中的流体去气作用 。通过流体化去气作用 ,火山碎屑流的粘度和屈服强度加大 ,导致火山碎屑流的沉积 。 老东方红林场水泥桥灰云浪样品距火山 口约 29 km ,远离火山口 ,该点的流体化速度突然增 () 大。其下伏火山碎屑流样品的粒度直方图显示双峰特征 图 6 ,表明可能有多渠道火山碎屑流 汇合 ,因此上覆的火山灰云浪堆积受多渠道火山碎屑流汇合影响 ,流体化速度增大。流体化速 度的增加 ,导致了天池东北侧火山碎屑流搬运距离的增大。 4 结论 ( )1 粒度分析结果表明 ,天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积分选差 ,火山碎屑流析出的 灰云浪堆积分选较好 。 表 2 天池火山千年大喷发灰云浪中值粒径 ) (Tab le 2 M ed ian gra in size M dof a sh c loud depo sit Φ in the m illenn ium e rup tion a t Tianch i vo lcano M d /mm M dФФ 序号取样地点样品编号Φ- ( )d = 2Ф 1153 135 01 S02D20 - 3 天池公路 44km 王池 沙林 3137 011 2 S02D32 - 1 老东方红桥 3152 0109 3 S02D08 - 1 老东方红桥 319 0107 4 S02D34 - 9 老东方红桥 20118 122 5 S02D34 - 13 东方红林场西北 1km 411 0106 6 S02D34 - 16 锦北采石场 和 4111 0106 7 S03D10 - 2 平营子采场 308 S02D27 - 1 168 108 9 S91E01 - 2 412 0105 10 东方红林场南 414 km S03D 21 - 3 3144 011 ()表 3 天池火山千年大喷发火山碎屑流最小流体化速度 U m f () Tab le 3 M in im um flu id iza tion ve loc ity Uof p yroc la stic flow in the m illenn ium e rup tion a t Tianch i vo lcano m f - 1 U/ cm ?s序号取样地点样品编号 离火山口的距离 D / kmm f 185 19 081 S02D20 - 3 天池公路 44 km 王池 沙林 2 S02D32 - 1 014 14107 老东方红桥 013 1814 3 S02D08 - 1 老东方红桥 012 28167 4 S02D34 - 9 老东方红桥 5 S02D34 - 13 2 28167 东方红林场西北 1km 0115 28167 6 S02D34 - 16 锦北采石场 和平营 0112 29121 7 S03D10 - 2 子采场 东方红林场 0125 30106 南 8 414km S02D27 - 1 01095 31 9 S91E01 - 2 10 S03D21 - 3 0135 3214 ( ) 2 火山碎屑流堆积的侧向粒序性表明 ,火山碎屑流搬运过程中存在重力分选作用和机械 磨损作用 。 ( )3 火山碎屑流在搬运过程中发生了流体化作用 ,流体化速度远离火山口变小 ,反映火山 碎屑流在搬运过程中发生了流体化去气作用 。流体化去气作用使火山碎屑流的粘度和屈服强 度增加 ,导致沉积 。 ( )4 当远源多渠道火山碎屑流汇合时 ,流体化速度突然增大 ,导致火山碎屑流搬运距离更 远 ,造成的灾害范围也增大 。 488 地震地质 29卷 ()图 5 最小流体化速度 U与 老东方红林场水泥桥火山碎屑流堆积 m f 图 6 ()( )离火山口距离 D 关系投影图 S02D34 - 15粒度分析直方图 P lo t of m in im um flu id iza tion F ig. 5 ve loc ity F ig. 6 Size frequency h istogram of ign im b rite ) ( ()of ign im b rite aga in st d istance D away U a t L aodongfanghong B ridge. m f from Tianch i vo lcano. 中国地震局地质研究所林传勇研究员、张秉良研究员 、首都师范大学刘永顺教授给予了大力帮助 ,表示衷心感谢。 参考文献 崔钟燮 ,魏海泉 ,刘若新. 1995. 长白山天池火山喷发历史记载资料的考证 [ A ]. 见 : 刘若新主编. 火山作用与人 类环境. 北京 :地震出版社. 36—39. 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Th is p ap e r demon stra te s the re su lts of gra in2size sieve ana lyse s of the m illenn ium p yroc la stic flow depo sits from Tianch i vo lcano. The re su lt show s tha t the p yroc la stic flow depo sits a re poo rly so rted and the a sh c loud su rge depo sits accomp an ied w ith p yro2 c la stic flow a re we ll so rted. The ave rage grea te st gra in2size s of lith ic fragm en ts and p um ice fragm en ts in p yroc la stic flow depo sits dec rea se w ith inc rea sing d istance from the c ra te r, ind ica ting tha t gravity so rting and m echan ica l wea ring d id occu r du ring the tran spo rta tion of the p yroc la stic flow. In add i2 tion, flu id iza tion a lso occu rred du ring the tran spo rta tion of p yroc la stic flow. The ra te of flu id iza tion dec rea se s w ith inc rea sing d istance from the c ra te r, ind ica ting the occu rrence of dega ssing du ring the tran spo rta tion p roce ss of the p yroc la stic flow. Th is p roce ss m igh t cau se the inc rea se of visco sity and yie ld strength of the p yroc la stic flow , re su lting in the depo sition of the flow. The ra te of flu id iza tion, the refo re, is an impo rtan t fac to r con tro lling the tran spo rta tion d istance. The confluence of m u lti2chan2 ne l p yroc la stic flow s a t d ista l p a rt m ay inc rea se the ra te of flu id iza tion of the p yroc la stic flow , a s a re2 su lt, the tran spo rta tion d istance becom e s longe r and the haza rd a rea becom e s grea te r. Key word s p yroc la stic flow , gra in2size cha rac te ristic s, tran spo rta tion m echan ism , Tianch i vo lcano 〔作者简介 〕 杨清福 ,男 , 1963年生 , 1998年毕业于长春科技大学 ,获得博士学位 ,高级工程师 ,现从事火山学 研究 ,电话 : 0431 - 85806034 , E - m a il: q ingfuyang@ tom1com。