龍崗金龍頂子火山空降碎屑物數值模擬及概率性災害評估1

于紅梅 許建東 吳建平 欒 鵬 趙 波

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國地震局地質研究所活動構造與火山重點實驗室，北京 100029

3）國土資源部經濟研究院，北京 101149

引言

火山爆發形成的火山碎屑會對人類的生命和財產造成巨大的危害。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，雖然噴發的規模不大，但由于氣流和天氣原因，此次噴發后飄散的火山灰致使歐洲空中交通癱瘓了數日，嚴重影響了經濟和社會生活的正常運轉。除了影響交通外，火山碎屑還會產生其它類型的災害，首先，在火山口附近幾km范圍內，大塊的火山碎屑以彈道式從火山口拋射出或是在噴發柱的底部降落下來，會直接造成建筑物及房屋的破壞和人畜的嚴重傷亡。較小的火山碎屑在風的作用下降落到遠離火山口處，一旦火山碎屑產生的載荷超過200kg/m2時（約10cm厚玄武質火山碎屑或20cm厚堿流質火山碎屑），一些建筑物的屋頂會被壓塌（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008），當超過700 kg/m2時，幾乎所有的房屋都會被壓塌（Bonadonna等，2005；Mastrolorenzo等，2008）。尤其是當火山灰為濕的時候，其產生的載荷是同厚度干火山灰的1.5倍。在更大范圍內，火山碎屑空降物超過10kg/m2時（約0.5cm厚玄武質火山碎屑或1cm厚堿流質火山碎屑）將會嚴重破壞已有耕地，影響農業生產（Edward等，1995；Hoblitt等，1998；Mastrolorenzo等，2008）；空氣中懸浮的細小顆粒會進入人的呼吸道和肺部，影響人的健康（Baxter等，1981；1986；1999a；Baxter，1999b）；這些細小的顆粒甚至可能會引起氣候的變化（Mills，2000；Rampino等，2000；Fedele等，2003）。

自Suzuki（1983）提出二維火山灰擴散模型后，數值模擬已成為一個快速有效的確定火山灰擴散和沉積范圍的方法。后來該模型被Armienti等（1988）、Bonadonna等（1998；2002；2005）、Connor等（2001）、Dellino等（2005）和Macedonio等（2005）改進，并應用到79 AD意大利Vesuvius（Macedonio等，1988）、1980美國圣海倫斯（Armienti等，1988）和1982墨西哥El Chichón（Bonasia等，2012）等火山噴發中。由于預測下次火山噴發還很困難，因此目前普遍應用概率方法來評估火山灰擴散災害（Costa等，2009）。結合擴散模型和火山區風參數，可以獲得概率性空降火山灰災害區劃圖。該方法最初由Barberi等（1990）提出，后來被應用到世界上許多火山災害區劃研究中。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）。

位于我國東北地區的龍崗火山群中的金龍頂子火山早期發生了強烈的爆炸式噴發，產生了大面積的空降火山碎屑，被認為是近2000年來中國第二大火山噴發（劉嘉麒，1987；Wei等，2003）。前人對該火山進行了大量的野外地質工作，確定了該火山噴發的碎屑沉積厚度和范圍、碎屑的粒度、噴發的規模和體積等（劉祥等，1997；于福生等，2005；張燾，2006；李智等，2006；劉強等，2009）。但是目前缺少對該火山空降災害區劃方面的研究。由于該火山周圍居住有大量的居民，如果再次發生如此規模的噴發，勢必給該區人們造成嚴重的災難，所以本文根據改進的Suzuki（1983）擴散模型原理，編寫了用于Windows環境下擴散模型程序，模擬了金龍頂子火山爆炸式噴發產生的空降碎屑擴散范圍，并與實際測量結果進行了對比，確定了合理模擬參數，最后基于該區風參數，制作了不同沉積厚度閾值時的概率性火山灰擴散災害區劃圖，為未來火山噴發的空降物災害預測和預警提供了可靠的依據。

1 金龍頂子火山地質背景

龍崗火山群位于我國東北吉林省靖宇縣和輝南縣境內，處于北東向的敦化-密山斷裂與圖們江-鴨綠江斷裂之間，受區域構造影響，火山活動始于新近紀（劉嘉麒，1987；王雨鈞等，1980）。該火山群東西長約70km，南北寬約40km，在2500km2范圍內分布著約168座火山（白志達等，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），是由一次單獨的火山噴發形成的，并且區內發育了極具代表性的射汽巖漿噴發產物——瑪珥湖，為眾多龍灣集中區（圖1）。

金龍頂子火山位于龍崗火山群中部偏西北位置（圖1），距金川鄉政府所在地2.5km，地理坐標為42°20′ N，126°26′ E。金龍頂子火山經歷了早期爆炸式噴發和晚期熔巖流式噴發。爆炸式噴發形成了巨大的火山渣錐和大面積的火山碎屑席，擴散范圍達距離火山口約 23km處（李智等，2006）（圖1），為一次規模較大的噴發（白志達等，2006）。大爆發后，火山活動轉變為相對寧靜的溢流作用，形成晚期熔巖流，但規模較小，區內分布局限。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 金龍頂子火山噴發模擬

擴散模型的原理在很多文獻中（Suzuki，1983；趙誼等，2002；趙誼，2003；張程遠等，2003；于紅梅等，2007）有詳細介紹，在此不再贅述。作者根據模型原理編寫了用于Windows環境下擴散模型程序，并曾應用到長白山天池火山千年噴發的模擬中（于紅梅等，2007），得到了較好的結果。在此，應用該模型模擬金龍頂子火山灰擴散，模型需要的主要參數包括：碎屑顆粒的粒度、密度、噴發體積、噴發柱高度、風速和風向等。

2.1 碎屑粒度和密度

劉強等（2009）曾對金龍頂子火山產生的火山碎屑進行了詳細的粒度分析（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），標準偏差為0.79—1.79（平均值1.23）。Burisk等（1992）認為，擴散模型對于小于0.00625cm的碎屑不適用，所以碎屑的粒度范圍選擇為 0.00625—6.4cm。該區噴發物成分為單一的粗面質玄武巖（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準偏差（數據來自劉強等，2009）Fig. 2 Median particle size and standard deviation of tephra from Jinlongdingzi volcano（Data is cited from Liu et al., 2009）

2.2 噴發柱高度和噴發體積

前人根據最大碎屑的粒度和厚度確定了金龍頂子火山噴發柱高度和噴發體積，但是不同學者得到了不同的結果，見表1。但較多的學者認為，噴發柱高度約14km左右，噴發體積大于0.1km3。為此，在模擬時選擇噴發柱高14km，噴發體積0.33km3。在2.4節可以看到得到了很好的模擬結果。

表1 不同學者得到的噴發柱高度和噴發體積Table 1 Eruptive column heights and volumes from previous studies

2.3 風速和風向

根據碎屑的沉積分布，其主要分布在火山口以東，所以模擬時風向為W270°。但是風速很難確定，本文采用最優模擬方法，確定平均風速約為8m/s。

2.4 火山灰擴散模擬結果

根據以上分析，確定模型輸入參數的值（見表2），然后模擬金龍頂子火山空降碎屑擴散范圍，結果見圖 3。與劉祥等（1997）根據實際測量結果手繪的等值線進行對比，可以看到在中源和遠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柱坍塌產生的碎屑占據較大的比例，模擬時沒有考慮，使得火山口處模擬值小于實測值。因此，模擬結果與實測結果具有很好的一致性，這也證明了模擬參數的合理性。

圖3 模擬厚度等值線（虛線）與手繪等值線（實線）對比圖（手繪等值線來自劉祥等，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 模型主要輸入參數Table 2 Main input parameters for the model

3 概率性空降災害研究

3.1 研究方法

根據擴散模型和火山區高空風數據，可以獲得空降火山灰災害概率圖。首先計算每個風剖面時區域內每個位置點（x，y）上沉積的火山灰厚度，然后對每個位置點（x，y）上大于某個厚度閾值（h0）的概率（Ph＞h0）可以用該點上火山灰厚度值（h）大于閾值的風剖面的個數（Nh＞h0）除以所利用的所有風剖面的個數（Ntotal）（Barberi等，1990）獲得，即：

3.2 氣象資料

制作空降災害概率圖需要首先確定金龍頂子火山地區風的參數。從中國氣象科學數據共享服務網（http∶//www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/）下載離該火山較近的氣象臺站——延吉臺站，1991—2000十年的高空大風層定時數據（每天0點和12點在15個不同氣壓下測量的數據），并統計＜5km、5—10km和10—20km三個不同海拔高度區間內的風速和風向（圖4）。可以看出，該區風向以西風為主，在低于5km以下區域風速較小，一般小于20m/s；高于5km區域風速加大；到10—20km區域風速大于30m/s的比例明顯增加。

圖4 延吉氣象站1991—2000高空大風定時數據統計Fig. 4 The local wind distribution diagrams from Yanji weather station for the period of 1991 to 2000

3.3 概率性空降災害評估

空降火山灰引起的災害首先與噴發的規模有很大關系。在此，作者假設金龍頂子火山未來噴發為過去噴發的規模。根據作者編寫的擴散模型和表 2中的參數，利用并行計算機模擬了1991—2000十年共7021個不同風剖面時火山灰的擴散范圍。氣象資料顯示，該區高空大多數情況下風速較大，導致火山灰擴散的范圍很大，所以在此只統計了火山灰厚度超過1cm和0.5cm時的災害概率圖（見圖5和圖6），其代表了火山灰對耕地和人類呼吸等災害的影響程度。

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

4 結果與討論

根據二維擴散模型，作者編寫了基于Windows環境下的火山灰擴散程序。通過對前人資料的分析，模擬了金龍頂子火山噴發產生的空降碎屑物擴散范圍，與實測結果對比得到了很好的一致性，說明參數的合理性。根據該區風參數，確定了火山灰沉積厚度超過1cm和0.5cm時的概率性空降碎屑災害區劃圖。結果證實，由于該區風速較大，金龍頂子火山如果產生噴發，將會對該區100km范圍內的農業、人民的健康及氣候帶來嚴重的影響。

圖5 金龍頂子火山灰沉積厚度大于1cm空降災害概率圖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空降災害概率圖Fig. 6 Tephra fallout hazard probability map at deposit thickness more than 0.5cm for Jinlongdingzi volcano

根據下載的該區高空大風定時數據，該區高空風速較大，尤其是高于10km以上時，風速多超過 30m/s，強烈的風速攜帶著較多的火山灰擴散向更大的范圍，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1cm和0.5cm的空降災害概率圖。根據金龍頂子火山碎屑實測數據和數值模擬結果，金龍頂子火山噴發時平均風速較小，約8m/s，火山灰厚度超過10cm（對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，所以距離火山口20km范圍可劃定為重災區。本文的研究可以為龍崗火山區危險性分析和災害預警與對策提供重要的科學依據。

致謝：感謝中國地震局地質研究所郝永偉老師、廖凱寧老師和李曉麗老師在并行計算機使用過程中給予的熱情幫助。

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