中國火山災害區劃研究歷史回顧與未來展望

許建東，萬 園，王新茹，潘 波，于紅梅，趙 波，楊文健

1.中國地震局 地質研究所，北京 100029；2.北京大學 地球與空間科學學院，北京 100081

0 引言

火山災害是人類主要的自然災害之一，國際減災十年委員會將火山災害列為第六位主要自然災害［1-2］.全球有大約10%的人口生活在火山危險地帶及其附近.最近1 000 a 以來就有1 300 多座火山噴發，其中約有5%的噴發活動造成了災難［3-4］.目前有記載的最為嚴重的火山災害是1815 年的印度尼西亞坦博爾火山噴發［5］，直接死亡人數9 萬多，但噴發造成全球氣候變化導致糧食絕產又餓死數百萬人.最近引起全球關注的火山噴發事件是2022 年湯加王國洪阿哈阿帕伊島Hunga Tonga-Hunga Ha’apai（HTHH）火山發生噴發，噴發柱高出海平面以上18～20 km，并迅速向四周擴散至火口周圍240 km 的范圍，火山噴發所產生的能量引發了整個太平洋的海嘯［6］.近年來，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域內，火山災害就成為了必須面臨的重大危險之一.

面對火山的潛在噴發危險和巨大災害，如何減輕和防御火山災害成為國際上研究的重點，而火山災害區劃就是其中一種有效的方法［2-3，7］.火山災害區劃是在對某一特定火山的歷史火山災害研究的基礎上，通過數值模擬或經驗方法預測未來火山噴發時可能造成的破壞或影響區域，為地方政府的土地使用規劃提供參考，也為居民的防災和避災提供依據.火山災害區劃包括3 個因素：火山災害的類型、火山災害的范圍、火山災害的程度.不同的火山災害種類構成不同類型的危害，不同規模的災害所造成的影響范圍和破壞程度也各不相同.這些通常應綜合考慮，編制形成一張火山災害區劃圖，對上述各類災害覆蓋的區域、活動類型和規模以不同顏色的方式綜合表達.

長白山天池火山是中國境內規模最大的一座活火山，在公元946—947 年發生了巨大的噴發活動，影響到了北半球的大部分地區［8-10］.另外，長白山火山地下巖漿活躍，2002—2006 年間地下小震頻發，地表形變異常，具有再次噴發活動的危險［11］.長白山火山不僅引起了中國政府的高度關注，而且東北亞其他各國也擔心再次噴發形成巨大災害，紛紛開展了針對本國可能遭受災害的研究，如韓國開展了火山灰的災害區劃和應急方案的制定.本研究綜合前期對長白山天池火山災害區劃的研究成果，并以此為基礎回顧中國火山災害區劃研究歷史，總結不同歷史階段各種不同類型火山災害區劃圖的優缺點，并結合目前國際上火山災害區劃的研究現狀和編圖技術，對我國未來編制具有概率含義的火山災害區劃圖的思路提出展望.

1 長白山火山概況

長白山天池火山位于中國吉林省東部的中朝邊境上，是長白山火山區內3 座大型破火山口中最年輕的一座，其噴發活動約始于5 Ma，經歷了造盾階段（5～2 Ma）、造錐階段（2～0.05 Ma）和爆炸式噴發階段（0.05 Ma 以來）［12］.造盾階段主要為玄武質巖漿的溢流式噴發，區域內形成了廣泛而平坦的熔巖臺地；造錐階段由于巖漿的演化，從玄武質逐漸演化至粗面質，黏度增大，流動性變差，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份且易爆炸的堿流質，發生了數次大規模的爆炸噴發活動，將原來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的天上懸河［13-15］.

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

在歷經20 多年系統性研究與監測工作之后，對于長白山天池火山的噴發歷史、噴發過程與深部巖漿機制已經取得了一系列成果和基本認識.長白山天池火山的地球物理探測資料表明，在淺地殼中存在低速異常體，分析認為應是地殼巖漿房.同時，多方資料證實天池火山地下深部仍不斷向地殼巖漿房進行物質補充，且兩者混合后不斷地分異演化.當未來達到一定規模后，具有極高的再次觸發噴發的危險性.且當地經過多年的發展，旅游業發達，人口相對密集，一旦發生火山噴發，將產生災害性的巨大影響，需要給與足夠的重視.

2 長白山火山災害區劃歷史與現狀

2.1 火山災害的主要類型

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

2.1.1 火山空降碎屑物災害

火山爆發式的噴發向空中釋放大量火山碎屑物，因受重力作用而下降，在降落過程中產生沖擊、掩埋和燃燒現象，在其覆蓋范圍內造成建筑物、耕地、農作物、森林等被破壞和人畜傷亡等，這類災害在世界上平均每年發生一次.最著名的是公元79 年意大利維蘇威火山噴發，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，使當時繁華的龐貝古城被火山渣所掩埋.其他幾個著名的海濱城市，如赫庫蘭尼姆、斯塔比亞等地也遭到嚴重破壞.1980 年5 月，美國圣海倫斯火山爆發，在距火山口10 km 范圍內，無一林木得以保存.此外，降落的火山灰使很大范圍的空氣、水質受到污染，特別是硫、鹽酸等化合物粘在火山灰上，對動植物極其有害.如1970 年冰島海克拉火山爆發時，富含氯化物的火山灰降落在牧草上達1～6 mm 厚，致使7 000 頭食草的羊群死去.

2.1.2 火山碎屑流災害

在火山噴發時，由熱氣托著固體顆粒，以高速密集的射流噴出.山坡等地形對熾熱火山碎屑流的行進幾乎沒有任何摩擦阻力，因此所到之處災害嚴重.1902年培雷火山爆發時，充滿氣體且黏度很高的巖漿猛烈噴發和爆炸，熾熱的氣體形成颶風，伴隨著山崩，以約100 km/h 速度從斜坡沖下來，構成一股由溫度高達800 ℃的氣體（主要是CO2）、玻璃質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，加之溫度高易發生重大火災，所以它是火山噴發災害嚴重的致災因素.

2.1.3 火山熔巖流災害

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.當巖漿噴溢流動時，因其黏度不同，其流速也不一樣，一般為幾千米每小時，如不及時躲開也很危險.熔巖流所經之處，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.熔巖流進入沼澤和水中，能產生第二次爆炸，在靠近冰川的地方，也有發生洪水泛流的情況.歷史上有記載的最大熔巖流是1783 年冰島拉基火山噴發，從16 km 長的裂隙中同時噴出玄武巖，溢滿了附近的冰川河床，并蔓延到周圍的村莊和海濱地區，覆蓋面積達565 km2.

2.1.4 火山泥石流災害

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

2.2 長白山火山災害區劃研究歷史

2.2.1 早期的火山災害區劃

中國早期的火山災害區劃研究開始于20 世紀90年代，1997 年“中國若干近代活動火山的監測與研究”項目（95211）正式啟動，中國地震局首次對長白山、五大連池與騰沖火山進行了較系統的監測與研究.在項目實施過程中，本著“以古論今”基本原則，即假設大體相同的火山區很可能受同類噴發事件的影響，火山的未來行為在事件的類型、頻率和量級上與過去的噴發行為是相似的.基于這種歷史事件重演原則，以長白山天池火山歷史上大規模噴發所產生的災害范圍為參考，對于未來同樣規模的火山噴發的可能的災害范圍給出了半定量化的厘定，完成了第一張長白山、騰沖火山災害區劃圖［22］.

根據降落堆積物的類型和厚度，把降落災害程度分為重災區、中等災害區、輕災區（圖1）.空降重災區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云中降落的火山碎屑降落物，該區的分布范圍以天池火山口為中心半徑13 km 的范圍.空降中等災害區是厚度大于10 cm 的碎屑物降落區.因為10 cm 的空降層相當于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以上.該區空降碎屑物分布主要受風的影響.天池火山歷史上的大噴發受西北風影響，未來的降落災害在天池火山東南側.空降輕災區是厚度小于10 cm 的碎屑物降落區，該區主要是對人類的生活和生產造成影響，部分土質房屋會受到破壞，森林會受到影響.細粒火山塵對引擎、管道的堵塞、粘附作用影響范圍會更遠，雖然對人類生命不構成嚴重威脅，但會嚴重影響人的呼吸系統并會刺激灼傷眼睛.如果噴發時火山灰含有大量的有毒物質（如歷史上曾經發生的富F、Cl、S 的噴發），還需要考慮火山灰對于水體、食物鏈的污染作用.

根據火山碎屑流的搬運機制和堆積物的特征，將其分為碎屑流重災區和碎屑流中等災害區（圖1）.火山碎屑流重災區是火山碎屑流的主體部分，以層流搬運，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體，具有很高的流速，可達160 m/s，可翻越很高的障礙.這個區是以天池火山口為中心，半徑40～60 km 的范圍.在這個區帶將發生流動沖撞、掩埋、高溫灼燒等破壞作用，造成火災、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.火山碎屑流中等災害區是火山碎屑流派生的灰云浪部分，以湍流搬運，堆積物具有交錯層理.灰云浪影響范圍將會超過60 km 半徑范圍，可能會達到75～90 km 范圍.與遠緣相空降型火山灰災害類型相似，灰云浪對空氣與水源的污染作用、引擎堵塞作用是主要的災害效應.

圖1 長白山天池火山災害區劃圖（據文獻［22］修改）Fig.1 Volcanic hazard map of Changbaishan Tianchi volcano（Modified from reference［22］）

根據火山泥石流的特點、河流的密集程度、原生火山碎屑的分布將火山泥石流災害分為重災區和中等災害區帶.重災區分布巖屑流，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.以火山口為中心分布的半徑為75 km左右（圖1）.在這個區內形成高速沖撞、掩埋作用，造成居民點、建筑物、橋梁、鐵路、水電站等毀滅性破壞和人員傷亡.中等災害區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，在這個區內以掩埋、沖擊、堵塞作用為主.造成水庫淤積、村莊淹沒等.

從總體上看，早期“以古論今”為原則的火山災害區劃圖編制，通過研究火山的過去噴發行為，以過去火山噴發行為或最具破壞性的噴發事件為參照系，評估預測未來火山噴發的可能影響范圍和災害程度.雖然以定性、半定量評價方法為主，僅僅給出了不同災害類型影響的大致宏觀范圍，缺乏詳細和具體的評價結果，但初步提出了火山災害區劃的原則、工作程序、災害區劃工作的內容和方法，為進一步的火山災害區劃研究打下了基礎.

2.2.2 晚期的火山災害區劃

火山災害區劃的進一步研究開始于中國地震局地質研究所在實施地震行業科研專項“中國主要活動火山噴發序列研究與災害預測”（200708027）項目中的實踐.這項研究使用了從地質調查和地質年代學中獲得的過去噴發數據，來模擬火山空降物、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值模型來模擬不同噴發規模的每種災害.隨后按照風險程度進行了災害區域劃分，繪制了長白山-天池火山的綜合災害風險區圖［23］（圖2）.

圖2 長白山天池火山的綜合災害風險區圖Fig.2 Comprehensive volcanic hazard zoning map of Changbaishan Tianchi volcano

在長白山天池火山綜合災害風險圖的編制過程中，綜合考慮了長白山天池火山的歷史災害情況和相關研究成果，采用數值方法先分別對各個災害類型進行數值模擬，編制分災種的災害區劃圖，最后匯總各災種的災害情況綜合編制長白山天池火山災害區劃圖.在綜合對比各種災害數值模型的基礎上，選擇了當前應用相對廣泛和相對成熟的模擬方法，具體模擬方法與模擬結果如下.

火山空降災害的模擬計算分為拋射部分和擴散部分.拋射部分的計算使用Charles（2001）編寫的Eject模型，設定拋射初始速度為300 m/s，在不同角度下計算獲得拋射的最遠距離為7.2 km，即火口周圍7.2 km應為極危險區域.擴散模型模擬參數的選擇主要依據：1）野外調查千年大噴發期和天文峰期兩次噴發空降浮巖的分布、粒徑、顆粒密度和形狀參數等.2）長白山區域內氣象臺1980—2009 年的風向資料與不同高度風速變化資料［24］.在此基礎上，將噴發柱高度作為衡量噴發規模的一個參數，分別設定了噴發柱高度10、20、30 km 進行空降災害的模擬，發現隨著噴發規模的增大，影響范圍也不斷擴大.噴發柱為10 km 時，火山灰1 cm 厚度線順風方向最遠到達約200 km；而噴發柱為30 km 時，火山灰1 cm 厚度線順風方向最遠到達約450 km.

火山碎屑流模擬計算使用了Flow3D 模型.模擬中設定的物理參數主要來源于千年大噴發火山碎屑流的研究數據，如碎屑流密度790 kg/m3，單碎屑體積0.001 26 m3.另外，碎屑流是受地形強控制的流體，因此模擬中根據長白山火山區DEM 資料選擇了12 條溝谷作為碎屑流流動的通道，并且測量了這12 條溝谷的地形高程和坡度.模擬以噴發柱高度來控制噴發的規模，設定了10、20、30 km 噴發規模，且假設噴發柱自天池火口上方坍塌，僅沿設定的11 條溝谷流動擴散.模擬計算結果顯示，10 km 噴發柱形成的碎屑流的流動長度介于10.1～13.7 km 之間；20 km 噴發柱形成的碎屑流的流動長度介于31.8～35.4 km 之間；30 km噴發柱形成的碎屑流的流動長度介于50.3～57.8 km之間.研究發現3 個噴發規模下沿二道白河溝谷里流動的距離最長［25］.

火山熔巖流的模擬使用了熱流變運動學FLOWGO 模型.該模型的參數設置包括熔巖參數、環境參數和地形參數3 個部分.熔巖參數的選取參照了氣象站期熔巖流的研究數據，如熔巖密度2 380 kg/m3，溢出口溫度1 328 K.環境參數的選取則根據區域氣象臺的歷史數據，如大氣溫度使用長白山天池年平均氣溫-5 ℃.地形參數的設定與碎屑流模擬相似，選取設定了15 條熔巖流流動路徑，并測繪了路徑的高程和坡度.模擬計算中設定以火口周緣為熔巖溢出口或寄生火口發育點，利用溢出率來控制熔巖的噴發規模，分別設定了100、200、350、500 m3/s 四個噴發等級，計算出了不同規模噴發沿不同路徑熔巖流流動所能達到的最遠距離［26］.

火山泥石流的模擬使用了基于半經驗模型的LAHARZ 軟件.該模型的參數包括能量錐閾值、爆發總體積和地形參數3 個部分.能量錐閾值依據千年大噴發噴發柱高度和區域平均地形坡度計算得0.07.地形參數使用區域的DEM 高程資料，在LAHARZ 軟件自動計算出的河流中選取4 條火山泥石流易發河道作為模擬路徑.爆發總體積成為控制火山泥石流規模的主要參數，分別設定了108、109、1 010、1 011 m3四個噴發規模.依據上述參數開展了模擬計算，得出了不同噴發規模條件下泥石流沿各河道流動的最遠距離［27］.

基于各災害類型的特征和數值模擬方法，分別完成了各災種的災害區劃，并繪制了相應的災害區劃圖，劃定了不同規模災害的影響范圍，這為單一災種的防御提供了參考.然而，火山的噴發活動是復雜的，通常一次噴發可能產生多種災害類型，而同一區域也可能遭受多種災害類型的破壞和影響，因此建立綜合性的火山災害區劃圖對于火山區地方政府和民眾防御火山災害會更加有效和實用.

最終完成的長白山天池火山災害區劃圖，綜合不同災害類型的具體情況，圍繞長白山天池火山口劃分了3 個等級的風險災害區域（圖2）.高風險區位于近火口的錐體之上，除火山泥石流外，其余災種在該區均可造成嚴重的破壞，是重點防御區域.中等風險區位于距火口15～60 km 的區域，主要為火山碎屑流的影響區域，小規模噴發時此區相對安全，但中大規模噴發時仍將遭受嚴重破壞.低風險區域位于距火口60～100 km 的河谷內，主要為火山碎屑流和火山泥石流的影響范圍.

高風險災害區：整體呈面狀分布在距火口約15 km的范圍內，主要為火山熔巖流、拋射碎屑、順風向空降浮巖和火山碎屑流所形成的災害區域.由于該區距離火口近，噴發物溫度高，密度大，且速度快，對人類生命財產可造成巨大影響，屬于高風險區域.但此區域范圍整體有限，加之良好的火山監測可提前預警火山的噴發活動，使人員盡早撤離避免傷亡.

中等風險災害區：分布在距火口15～60 km 的相對低洼區域，主要受火山碎屑流、火山泥石流和空降浮巖的破壞和影響，屬于災害泛濫區域.該區隨著搬運距離的增大，火山噴發物的溫度降低、體積變小，勢能減弱，風險性有所降低，但對于中等規模以上的噴發活動，破壞性還是巨大，因此仍需做好財產的規避和人員的疏散.

低風險災害區：分布在距火口60～100 km 的山麓地區和低洼河谷內，主要受火山碎屑流和火山泥石流的破壞和影響.該區遠離火口，火山熔巖流和碎屑流物質難以到達該區，但在湖水或降雨的作用下產生火山泥石流，沿河道及兩側造成破壞，該區人員需提高警惕，當發出火山泥石流預警之時盡快撤離，避免不必要的人員傷亡.

長白山天池火山的綜合災害風險區圖，充分考慮了長白山火山不同歷史災害類型的具體情況，通過利用新的火山災害模擬技術，給出了天池火山爆發時在火口周緣所形成的災害情況和危險程度.這些工作將為地方政府建立火山災害應急方案和規劃地方建設提供科學依據，也為提高火山區周圍民眾的防災意識和疏散避險能力提供幫助.

3 結論與討論

中國的火山監測與災害評估工作起步較晚，由于缺少現代火山噴發，我國火山研究者沒有直接觀測火山噴發機會和實施火山減災的經驗，除了研究歷史噴發所遺留的噴發物外，我國早期火山災害區劃的相關研究主要集中在野外調查和各種噴發物的鑒定、分期、災害類型識別等方面，火山災害區劃圖以定性和半定量化的表述為主.

近些年來開展的火山災害評估與災害區劃圖編制等嘗試性的研究，通過開展中國大陸以長白山火山為代表的不同類型火山未來的火山作用特征、可能的災害類型和發育程度的研究，參考國際流行的火山災害模擬技術，建立了反映中國火山活動特點的空降物擴散模型、碎屑流流動模型、火山泥石流模型和火山熔巖流模型，并以此為基礎編制了長白山火山災害區劃圖，實現了中國火山災害區劃研究與國際火山學潮流的同步.

目前在國際上有關火山災害區劃圖還沒有形成完全統一的標準，其技術模型、分析方法和火山災害風險管理方面也有所差異，但基本的方法與思路已經成形，并逐步走向成熟，比如說對災害進行量化并利用概率論的方法預測火山災害的“事件樹”的發展與應用［28］.我們要繼續借鑒國際上的先進經驗，發揮我們的特點與優勢，繼續開展中國大陸不同活動火山地區的火山災害評價與編圖技術研究，提升我國火山災害區劃的研究水平和國際影響力.