火山分類

2018-10-12 08:37:46于紅梅

城市與減災 2018年5期

于紅梅

引言

火山是地下巖漿上升到地表產生的一種地貌形態，火山噴發是一種自然地質現象。火山噴發時噴出大量炙熱的熔巖、火山碎屑、火山灰和有毒有害火山氣體，并伴隨火山泥石流、火山崩塌、海嘯、地震、地形變、火山爆炸沖擊波、酸雨等，會給人類造成巨大的災難。不同類型的火山具有不同的噴發方式，造成的災害類型和災害程度也不同，了解火山的分類及其特征，可為減輕火山災害提供技術支持。火山的類型按不同的劃分依據具有不同的分類方法，本文按活躍程度、構造成因和地貌形態三個方面進行了分類，并對每種類型的火山特征及代表性的火山進行了介紹。

火山活躍程度分類

按活躍程度，火山可分為死火山、休眠火山和活火山三類。死火山是指那些保留火山形態和物質，但在人類歷史時期和現今從未活動過，并被證明在可預見的將來不會發生噴發的火山；休眠火山是指人類歷史時期有過活動，但現今處于“休眠”狀態的火山，休眠火山隨著地殼的變動會突然噴發；活火山則是指目前正在噴發的或歷史時期及近1萬年來有過噴發的火山。目前，世界上的活火山約有1500余座。比較著名的活火山包括夏威夷的基拉維厄（Kilauea）火山、意大利的埃特納（Etna）火山和斯通博利（Stromboli）火山、印度尼西亞的默拉皮（Merapi）火山、冰島艾雅法拉（Eyjafjallaj?kull）火山、日本的櫻島（Sakurajima）火山等。

我國已確定的活火山有：黑龍江五大連池的老黑山火山和火燒山火山、鏡泊湖火口森林火山和蛤蟆塘火山，內蒙阿爾山的焰山和高山火山，吉林長白山天池火山、龍崗金龍頂子火山，云南騰沖馬鞍山火山、打鶯山火山和黑空山火山，新疆阿什庫勒阿什火山，臺灣大屯火山和龜山島火山，海南雷虎嶺火山和馬鞍嶺火山，它們的最新活動時代見表1。

表1 中國主要活火山最新噴發時代

火山構造成因分類

1.匯聚板塊邊緣火山

匯聚板塊邊緣是兩個或多個板塊碰撞的地方，通常是一個大洋板塊和一個大陸板塊。在這種情況下，海洋板塊密度大，會俯沖或沉入大陸板塊之下，在此過程中水分也會隨大洋板塊一起帶入俯沖帶內。從俯沖板塊中釋放出來的水降低了上覆地幔楔的熔融溫度，從而易于形成巖漿。另外，兩個板塊之間摩擦生熱也促進了巖漿的形成。當巖漿到達地表時，就形成了火山（圖1）。一般火山距離俯沖形成的海溝100～300km。典型的例子為環太平洋火山。

2.離散板塊邊緣火山

在大洋中脊，兩個構造板塊彼此分開，洋中脊上部地殼輕薄，由于構造板塊的拉動，壓力釋放導致絕熱膨脹和地幔的部分熔融，造成火山作用，隨著熔融巖石的冷卻和凝固會形成新的海洋地殼（圖1）。大多數離散板塊邊界位于海洋底部，因此，地球上的大多數火山活動都是海底活動，形成新的海底。黑煙窗(也被稱為深海噴火口)是這種火山活動。當洋中脊高于海平面時，則形成火山島，例如，南太平洋洋島火山。

3.熱點型火山

有一些火山并不位于板塊的交接處，而是坐落于“熱點”上，位置不受構造板塊邊界控制。熱點的概念起源于約翰·圖佐·威爾遜（John Tuzo Wilson）的工作，他在1963年提出，夏威夷火山島的形成是由于構造板塊在地表下的一個熱點區域緩慢運動的結果。當板塊在熱點上做水平移動時，便有一連串的火山生成。這樣作用連續發生后，會造成一系列的火山島群，而離熱點越遠的火山其生成年代越老（圖2）。隨后提出熱點受來自地球核幔邊界的熱地幔流補給，被稱為“地幔柱”。曾經提出受地幔柱補給的熱點的數量從20個到幾千個，但是大部分地質科學家認為存在的就幾十個。夏威夷、留尼旺島（Réunion）、黃石公園和加拉帕戈斯群島（Galápagos）是最活躍的熱點火山地區。

圖1 板塊構造與火山成因示意圖

圖2 夏威夷火山鏈形成過程示意圖

大多數熱點火山巖為玄武巖，所以相比俯沖帶熱點型火山具有較弱的爆破性。當熱點發生在大陸內部時，玄武質巖漿上升穿過大陸地殼會演化為流紋巖，這些流紋巖可以產生爆炸性噴發。例如黃石火山口是地質歷史時期幾次較大的爆炸噴發形成。

火山地貌形態分類

根據火山的形狀、大小、坡度、組成物質等，可分為盾狀火山、層狀火山、火山渣錐、熔巖穹丘、低平火山口、泥火山等，不同類型的火山其構造成因、噴發機制、災害程度均有差異。

1.盾狀火山（Shield volcano）

盾狀火山是幾乎全部由熔巖流組成的一種火山。盾狀火山坡度較緩，一般2°～3°，向山頂逐漸變陡，最大可達10°，體積一般超過1000km3。在近山頂處呈扁平狀，形成一個整體向上凸起的形狀，高度通常是寬度的二十分之一，像戰士的盾牌躺在地上，所以稱為“盾狀火山”。它與盾片狀熔巖不同，后者體積要小很多，一般0.1～15km3。巖漿成分一般為玄武質，由于黏度低，熔巖流流速一般較層狀火山快，導致熔巖不斷地堆積，形成盾狀火山獨特的形態。但也存在爆炸噴發產生的火山碎屑巖盾和少量的偏酸性巖漿產生的盾狀火山，例如巴布亞新幾內亞的比利米切爾（Billy Mitchell）火山碎屑巖盾和美國俄勒岡州的黑耀巖盾。

活動的盾狀火山可在很長的一段時間內經歷近連續的火山噴發活動，產生大規模的火山機構。破火山口也是盾狀火山一個普遍的特征，長時間的噴發造成火山錐體崩塌形成破火山口，之后還會被后期噴發充填和改造（圖3）。世界上最大的陸上盾狀火山為夏威夷冒納羅亞（Mauna Loa）火山，位于海拔4169m之上，底部寬超過100km，估計玄武巖體積80000km3。

圖3 盾狀火山的結構特征圖

盾狀火山在世界各地都有發現。它們可以形成在熱點地區，如夏威夷群島，每個島嶼都是一座大型的盾狀火山，厄瓜多爾的加拉帕戈斯群島（Galápagos islands），或者也可形成于裂谷帶內，如位于大洋中脊的冰島火山以及東非裂谷內的盾狀火山。許多盾狀火山分布在海洋盆地中，如世界上最大的火山是太平洋內的塔穆山(Tamu Massif)。我國吉林長白山火山早期（1.48—4.5Ma）經歷了造盾式噴發，產生的玄武巖熔巖臺地坡度小于4°，分布面積達7200km2。

2.層火山（Stratovolcano，或者Composite volcano）

層火山也稱為復式火山，是一種多成因中央式火山，發生周期性的爆炸式噴發和溢流式噴發，由多層熔巖、火山碎屑、浮巖和火山灰組成，是最常見的火山類型。與盾狀火山不同的是錐體呈圓錐形，其側翼較陡，具有一個火山口，一些火口也會塌陷為破火山口。層火山普遍發生在俯沖帶，可形成火山鏈或者火山群，例如大洋地殼和大陸地殼碰撞后產生的北美的喀斯喀特山脈和南美的安第斯山脈，大洋地殼和大洋地殼碰撞后產生的日本島弧和菲律賓島弧等。

由于不同期的巖漿可沿相同的通道上升，而且一般都會有巖漿房，所以層火山巖漿補給率較高，溢出率也較高。該類型火山往往會發生爆炸式噴發，噴發柱可達幾十千米，并伴隨大量的空降火山灰、火山碎屑流和泥石流等，產生的災害巨大。兩個比較有名的層火山，一是印度尼西亞的喀拉喀托（Krakatoa）火山，因1882年災難性噴發而眾所周知，二是意大利的維蘇威（Vesuvius）火山，因公元79年的噴發埋沒了龐貝和赫庫蘭尼姆古城而聞名。兩次火山爆發均奪去了數千人的生命。我國吉林的長白山火山屬于層火山，火口塌陷后形成了美麗的天池（圖4），其公元946年的噴發，被認為是近2000年來全球最大規模的火山噴發之一。

層火山的巖漿成分經常為長英質，具有高—中等的二氧化硅含量，黏度較高，所以層火山流出的熔巖不會流太遠就冷凝。大范圍的長英質熔巖流不常見，但也有流動距離較遠的，目前見到的最遠的可達15km。我國長白山火山氣象站熔巖流為堿性流紋巖，總長約5km。

3.火山渣錐（Cinder Cone）

火山渣錐為一個陡峭的錐形山體，由松散的火山碎屑物堆積而成，例如火山渣、火山灰。錐體一般是對稱的，近圓形，高幾十米到幾百米，坡度30°～40°，大多數火山渣錐在頂部具有一個碗狀的火山口。火山渣錐的噴發方式相對簡單，當熔巖噴發時，火山渣噴出到空氣中，降落在火口周圍產生了錐體。在火山渣錐噴發的后期，巖漿損失了大部分揮發分，巖漿密度增加，會以熔巖流的形式緩慢地流進火山口內部，或者在渣錐的底部流出。未固結的錐體不能承受巖漿穿過中心出口上升到地表的壓力，所以幾乎不會在錐體頂部溢出。如果火山口一側被熔巖流完全破壞，剩下的火口緣就會形成一個馬蹄形火山口。

火山渣錐通常是由一次噴發形成，為單成因火山，但噴發也可以持續10年之久，例如著名的墨西哥帕里庫廷（Paricutin）火山，1943年形成一個新的火山口之后，持續噴發到1952年，產生了一個高424m的錐體，熔巖流面積約25km2。該類型噴發由于巖漿要開辟新的通道，巖漿補給率和溢出率一般較低，所以相比其他類型火山危險性較低。火山渣錐經常出現在盾狀火山和層狀火山的側翼。例如，在夏威夷島莫納克亞（Mauna Kea）盾狀火山側翼有近100個火山渣錐。

圖4 長白山火山口和天池火瀑布

圖5 五大連池老黑山火山渣錐和火山口

目前世界上最活躍的火山渣錐是尼加拉瓜的塞羅內格羅（Cerro Negro）火山，自1850年首次噴發以來，已經噴發了20多次，距今最近的兩次分別是在1995年和1999年。我國很多火山都具有火山渣錐，例如五大連池的老黑山火山（圖5）、龍崗金龍頂子火山、云南騰沖的黑空山火山、內蒙古阿爾山的高山和焰山等。

4.熔巖穹丘（Lava Dome）

黏性巖漿從火山中緩慢流出產生的一個近圓形的突出物稱為“熔巖穹丘”。造穹噴發非常普遍，尤其是在匯聚板塊邊界地區。熔巖穹丘是世界上許多層狀火山的主要結構特征之一。例如美國圣海倫斯火山，1980年噴發之后在火口內部生長出一座熔巖穹丘（圖6）。地球上大約6%的火山噴發為造穹噴發。熔巖穹丘的巖漿成分可以從玄武巖到流紋巖，但大部分為中性巖。玄武質和安山質穹丘風化較快，很容易被后期流動巖漿破壞，大多數保留下來的穹丘都具有高含量的硅，由流紋巖或者英安巖組成。由于高的硅含量或者巖漿脫氣使得巖漿黏度較高，高黏度的巖漿導致其流動距離不會太遠，造就了穹丘的形狀特征。

圖6 美國圣海倫斯火山及火口內部的熔巖穹丘

穹丘高度可達幾百米，生長非常緩慢，可持續幾個月（日本云仙岳火山）、幾年（蘇佛利爾火山）甚至幾個世紀（默拉皮火山）。穹丘平均生長速率可作為巖漿供給的粗略指標，但與熔巖穹丘爆炸的時間或特征沒有系統關系。熔巖穹丘的火山機構都是由不穩定的巖石碎屑組成。由于間歇性的氣體壓力積聚，穹丘會經歷爆炸式爆發。如果熔巖穹丘的一部分坍塌，就可以產生火山碎屑流。穹丘還會產生熔巖流、森林火災，以及松動的火山灰和火山碎屑產生的火山泥石流。

5.低平火山口（Maar）

低平火山口是一種由射汽巖漿噴發(當熾熱上升的巖漿接觸到近地表地下水或地表水時發生的爆炸)產生的地勢較低、產狀平緩的火山口。低平火山口內壁通常深而陡，直徑相對較大，低而平緩的火口緣由一些火山碎屑和圍巖碎屑組成，該類型噴發的災害范圍一般影響不大。有時在火口緣靠外側形成凝灰巖環（tuff ring），凝灰巖環的火山灰也呈近水平的薄層狀。凝灰巖錐(tuff cone)是一種錐體相對較高的凝灰巖環，錐體坡度要陡于凝灰巖環，它們都是由威力較小、位置較淺的爆炸點形成的。

低平火山口直徑大小從60m到8km，深度從10m到200m不等。低平火山口內充填有水，也就形成一個相對較淺的火山口湖，也稱瑪珥湖。有時瑪珥湖會干枯，被充填物淤塞。例如德國的艾克費爾德（Eckfelder）火山，是已知的最老的瑪珥火山，形成于44.3Ma年前，20世紀干涸的。低平火山口有時下部為多孔的巖石，火口內也就不能存儲住水。

已知的最大的低平火山口在阿拉斯加西北部的蘇厄德半島（Seward Peninsula）。這些低平火山口的直徑從4000m到8000m不等，深度高達300m。這些噴發發生在大約10萬年前，最年輕的在17500年前。由于噴發時巖漿接觸到永久凍土帶而造成了如此大規模的噴發。中國吉林龍崗火山群具有較多的低平火山口，例如大龍灣、二龍灣、三角龍灣、南龍灣、龍泉龍灣等，形成于中更新世至早全新世，是國內最新的、最典型的低平火山口群（圖7）。其他如內蒙阿爾山的臥牛泡子、廣東湛江的湖光巖、海南的羅經盤等。

圖7 吉林龍崗火山群低平火山口—龍灣分布

6.泥火山（mud volca no）

泥火山是由泥漿、水和氣體噴發而形成的地貌。泥火山不是真正的火成巖火山，因為它們不會產生熔巖，有些泥火山也不是受巖漿活動驅動的，其噴發動力受到地下油氣壓力或構造應力的影響。泥火山的大小范圍很大，高可從1～2m到700m，寬1～2m到10km。最大的泥火山是印尼爪哇島的 “露西”（Lusi）泥火山，它的直徑為10km。泥火山一般與俯沖帶有關，目前在全球陸地或近陸地已發現的泥火山約1100座。泥火山的溫度可從近100℃到2℃，但一座泥火山的溫度通常變化不大。泥火山釋放的氣體中大約86%是甲烷，另外含有少量的二氧化碳和氮。噴出物質通常是懸浮在水中的細粒泥漿，其中可能含有鹽、酸和各種碳氫化合物的混合物。我國新疆北天山分布著國內最大的泥火山群，約90多個泥火山噴出口，如獨山子泥火山（圖8）。