长白山天池火山监测与火山灾害研究动态

冯恒栋,南颖,杜会石

(1.延边大学理学院 地理系,吉林 延吉 133002； 2.吉林师范大学 旅游与地理科学学院,吉林 四平 136000)

火山喷发是地球内部能量向地表强烈释放的一种正常的地质现象，也是地壳运动的表现形式之一.火山喷发可为人类提供肥沃的土壤养分，但同时也能给人类带来危害和惨重的灾难，因此，研究火山的作用过程、活动规律、喷发机制和喷发预测、防灾减灾等问题，可以帮助人类更好地开发利用火山资源和最大限度地减轻火山灾害的发生[1-2].长白山天池火山位于我国吉林省东部，是世界公认的具有喷发潜力的活火山，2002—2005年长白山天池火山的频繁活动曾一度成为国内外关注的焦点.许多国内外学者对长白山天池火山进行了大量研究并取得了丰硕的研究成果，为揭示火山活动的机理和过程以及为防灾减灾决策提供了科学依据.本文对近期在长白山天池火山监测、喷发历史、火山灾害等领域的研究内容进行了梳理，总结了研究现状和动态，并对未来的研究进行了展望.

1 长白山天池火山喷发历史研究进展

长白山天池火山喷发历史可以分为3个阶段：以玄武质岩浆喷发为主的造盾阶段，以粗面岩、碱流岩熔岩为主的造锥阶段和以布里尼式造伊格尼姆岩喷发(爆炸式喷发)为主的近代喷发和历史喷发阶段[1]19-28，其中爆炸式喷发是长白山天池火山喷发历史研究的热点.国内外学者通过对长白山天池火山岩石进行系统的K-Ar年代学研究、岩石学研究、碳化木14C年代测定等工作认为，大约在1 000年前长白山天池曾发生过一次大喷发(即“千年大喷发”)，从规模和猛烈程度上是地球上近2 000年来最大的喷发事件之一，但对千年大喷发的精确时间一直存在争议.2000年，崔钟燮等[2]通过对大量史料进行考证和分析，将千年大喷发的时间精确为1199年(11月)至1200年(5月)之间，并通过进一步的研究发现在1201年12月有后续的小规模喷发出现[3]，此结论对于研究长白山天池火山喷发历史意义重大.崔钟燮等[4]还根据历史资料，确定长白山天池火山在公元1014年到1019年之间，也发生过一次较大喷发事件.对于千年大喷发的火山碎屑堆积物的层序和分布，刘祥[5]进行了较为详细的论述.刘强等[6]利用天池火山周边的钻孔数据，将天池火山的喷发序列分为早期旋回(上新世至早更新世，岩浆演化顺序是粗面玄武岩到粗面岩)、中期旋回(早更新世的玄武岩浆演化到粗面岩和粗安岩)和晚期旋回(更新世的玄武岩演化到全新世的粗面岩及碱流岩)，揭示了长白山天池火山的喷发序列和岩浆演化过程.潘波等[7]通过综合研究天池火山气象站期岩石的岩石化学组成、野外露头特征、岩石结构与颗粒形貌，认为长全新世以来天池火山的3期喷发活动均为爆炸式喷发，而非爆炸—溢流—爆炸式喷发.目前为止，对于千年大喷发以前的大规模喷发时间仍需进一步研究确定.

2 长白山天池火山监测进展

我国对长白山天池火山的监测主要是基于长白山火山地震监测台网进行的.长白山火山地震监测台网自1999年7月开始正式运行，至今监测成果显著，为多角度地分析火山活动状态和特征提供了数据支持[8-12]，极大地促进了对长白山天池火山的研究.

监测数据[13]显示，1999—2002年6月长白山天池火山活动较弱，但2002年7月至2005年7月地震活动的频次明显增多，并出现了一系列的火山震群事件，此监测结果引起了国内外学者的广泛关注[14].2005年8月后，天池火山活动逐渐平稳，恢复到2002年以前的活动状态.长白山火山流体监测结果显示，2010年5月有2个温泉泉点水温同步上升了3 ℃.火山区形变监测结果显示，2010年长白山北坡垂直位移量打破了火山锥体每年升高4 mm左右的规律，火山锥体的位移在垂向上发生逆转，海拔最高的水准点在1年内突降12.72 mm[15].对于这些异常的监测结果，目前尚无明确的科学解释，也无法仅以此现象推断长白山天池火山将进入新的活跃期.

目前，长白山火山监测系统由地震监测台网、形变监测台网、流体监测台网、电磁观测台等子系统组成.杨清福等[16]认为，目前的监测系统虽然已经初具规模，但尚存在很多薄弱环节，如火山地震观测台网的监测能力较弱、GPS形变观测网和流体观测网不能实时连续观测、火山影像观测系统建设处于空白等，应建设包括火山地震监测台网、火山形变GNSS监测台网、以气体地球化学为主的火山流体监测台网和火山影像监测台网在内的天池火山监测网络系统，以对长白山天池火山提供更有效的监测，并满足火山喷发预测预警的需要.仲广培等[17]也在天池火山活动监测能力和地震分辨能力、天池火山地理环境特点等方面对长白山天池火山地震预警台网的布局进行了探讨.

随着空间信息技术的发展，遥感和GIS等新技术也越来越广泛地应用到地学各个领域，尤其是卫星遥感技术已被有效地应用于火山活动监测.在早期，单新建等利用Landsat TM、ERS-1 SAR遥感影像数据并结合地质考察、测年资料，研究了长白山天池火山近代喷发期次、喷发规模及喷发物的分布特点[18-19];张学霞等提出了利用3S技术监测、预测、评估火山灾害的方法，并建立了火山区地理信息系统[20-21];薄立群等[22]也阐述了利用热红外卫星遥感探测突发性地热异常的原理和方法.近期，许军强等[23]利用ASTER遥感数据反演长白山火山区地表温度并解译了地质构造，他们还结合对水热活动及深源气体释放特征等资料的关联分析，应用地热预测模型对长白山火山区地热资源存在的有利区进行了预测[23].季灵运等[24]基于长白山天池火山区Landsat TM/ETM和ASTER热红外遥感数据，反演了1999—2008年天池火山区的温度场序列，提取出由火山岩浆活动导致的温度异常，并通过进一步分析再次证明卫星热红外遥感技术监测火山活动的可行性与可靠性.

3 长白山天池火山灾害研究动态

长白山天池火山被认为是世界上最具潜在灾害性喷发危险的火山之一.一旦发生火山喷发，所引起的火山熔岩流、火山碎屑流、火山泥石流、火山空降物等将会造成周边地区重大人员伤亡和严重的生态环境破坏，甚至对全球气候产生重大影响.对长白山天池火山灾害进行研究和分析是预防和减轻火山灾害的重要手段和决策依据，具有重要的现实意义.

针对长白山天池火山喷发的各种潜在灾害，刘松雪等[25]依据历史上最大规模的喷发空降堆积物、火山碎屑流和火山泥流分布范围，编制了火山喷发空降堆积物灾害预测图、火山碎屑流灾害预测图和火山泥流灾害预测图，并提出了防灾减灾的建议.在各种潜在灾害中，火山熔岩流危害极大，能对其流经区域造成毁灭性的灾难.靳晋瑜等[26]依据不同的熔岩物理参数资料获得长白山天池火山熔岩流流动速度与地表流动时间，以此作为参考数据确定了熔岩流动大致受灾范围和灾害表现，并提出了针对此灾害的建议.

近几年，对长白山火山泥石流灾害的研究也比较丰富.长白山天池水面海拔高度2 189.7 m，蓄水量高达20亿m3，是世界上最高的火山湖，一旦发生火山喷发，将会出现溃泄，产生巨量溃湖洪水.根据长白山的地质条件，火山湖水溃泄将必然引发严重的泥石流灾害.很多学者就此问题从多个角度展开了研究.王禹萌等[27]运用粗糙集理论，对影响长白山天池火山泥石流的因素进行了权重分析，结果表明地形条件对泥石流灾害程度的影响最大，其次为固体物源和植被条件，权重最小的为底层岩性和节理密度.温智虹等[28]利用层次分析法将影响长白山天池火山泥石流的因素分为地质条件、地形地貌和植被覆盖情况3大类9个影响因子，并进行了权重分析，结果显示，相对高差和坡纵比对火山泥石流分布的影响最大，高程、堆积厚度和植被覆盖程度也是影响长白山火山泥石流分布的主要因子.盛俭等[29]对假设的中等和较小规模喷发所引发的火山泥石流平均速度和峰值速度进行了模拟计算，发现火山泥石流流通的速度受火山喷发规模影响较小，其中中等喷发规模引发的火山泥石流从天池火山口流通到下游28 km左右的区域需要140 min左右.万园等[30]利用LAHARZ软件对长白山4条主要河道进行了火山泥石流的数值模拟，根据设定的能量锥最佳阈值和河流最佳阈值，并基于历史上最大规模的喷发设定了不同的体积阈值，并制成了长白山天池火山泥石流模拟灾害区划图.刘俊清等[31]采用相关水动力学公式及溃坝模型，初步估算了不同情况下天池火口湖溃坝的最大流量及向下游的洪水演进过程，研究表明若天池火山湖水溃泄一半即10亿m3时，距火山口50 km处的二道白河镇将全部被淹没，下游的白山水库、丰满水库安全也会受到严重威胁.

长白山天池火山的潜在灾害还包括天池风景区特殊地质地貌条件孕育的崩塌等自然灾害.目前，长白山天池区深沟陡壁的自然景观已经成为重要的旅游资源，而这种地貌类型也是崩塌灾害发生的重要因素.张丽等[32]采用有限元法对长白山天池地区高陡斜坡稳定性进行了定量分析，结果表明天池地区斜坡整体稳定性较好，但斜坡上缘表层岩体的稳定性较差，易发生崩塌事故，而龙门峰两侧南北向陡崖、瀑布附近东西向陡崖及黑风口以南南北向陡崖分布区是崩塌灾害严重区.王洁玉等[33]通过分析崩塌灾害的形成机理，对长白山北坡登山长廊边坡危岩体进行了危险性评价.刘永平等[34]根据1998年长白山瀑布西侧观光长廊段边坡崩塌事故事发地点的地质背景和形成条件对崩塌灾害的发生机制进行了阐释，并提出了综合防治措施，取得了较好效果.

根据火山监测数据，结合火山地区基础地理数据，对火山灾害进行预警是减少各种火山灾害危害的有效途径.为了更有效地提高长白山火山灾害预警能力，李征西等[35]初步建立了长白山天池火山灾害预警基础数据库，该数据库可以实现火山灾害基础数据的查询、显示、分析及数据维护更新，为防灾减灾救灾等工作提供了便利.

4 结束语

近年来，我国逐步完善了长白山火山监测系统，并在多个领域都取得了新的进展，其中千年大喷发时间的精确确定对研究长白山天池火山喷发历史意义重大.为了更加系统深入地研究长白山天池火山，今后应加强以下几个方面：① 继续建设和完善长白山火山监测网络，为火山监测提供全面的多角度的基础数据；同时建立和完善火山灾害数据库和预测系统，使监测和预警实现自动化和实时化.② 在火山灾害预测的基础上，把火山灾害对生态环境造成的危害进行定量化和空间定位，为防震减灾提供参考数据.③ 在加强传统研究方法的同时，要加大遥感和GIS技术在长白山天池火山研究中的应用.④ 根据长白山天池火山具有跨国界跨区域的特点，应积极推进与周边国家的合作机制，共同开展对长白山天池火山的研究.

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