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火山碎屑沈積物的主要類型與火山災害

壹.火山碎屑沈積物的主要類型

火山碎屑沈積物不僅是重要的非金屬礦產,而且可以形成獨特的土壤資源和獨特的自然景觀,也是引發火山災害的重要因素。火山碎屑沈積物具有粒度的含義,根據其形成方式可分為不同類型,包括火山噴發沈降物沈積、火山碎屑流沈積、火山泥流沈積和火山底波沈積。

1.火山噴發沈降物

火山沈降物是指火山爆發時從火山口噴向空中的所有產物,它們從空中落下,靠自身重力堆積而成。這些產物可以直接來源於噴發的巖漿,也可以是同源巖漿前次噴發的產物,還可以含有外來成分。

火山沈降物在大氣中分布廣泛,主要取決於火山噴發的規模,即噴發柱的高度,以及主導風向和風速。火山沈降物通常是壓倒性的,覆蓋所有的地形。這是識別沈降物的特征之壹,也是沈降物分布與火山碎屑流沈積和火山碎屑流沈積的主要區別。湖相沈積發育平面平行層理和漸變層理,分選性好。湖相沈積物的厚度、中值粒徑和最大平均粒徑隨著離火山口的距離有規律地減小(Fisher&Schmincke,1984;劉祥和王,1991)。

2.火山碎屑流沈積

火山碎屑流是由火山噴出的高溫氣體和固體火山碎屑物質組成的高密度流。火山碎屑流沈積是由火山碎屑流攜帶的物質堆積而成的。火山泥石流堆積物由晶體、火山玻璃碎片、浮石、火山渣(富含鎂鐵質成分)和碎屑組成,含量比例變化很大,取決於巖漿成分和泥石流的起源。常含炭化木,通常結構塊狀,分選差,粗顆粒中有級配層理,可發生多次沈積疊加的火山碎屑流。

火山碎屑流沈積主要有兩種形成機制。壹是熔巖穹丘崩塌,形成火山灰流。這種塊灰流堆積由細火山灰基質和無孔隙的粗同源巖屑組成,巖屑直徑可達5 m,這種塊灰流是火山碎屑流的重要標誌之壹。另壹種是火山噴發柱的崩塌,充滿火山灰和火山碎屑的垂直噴發柱的有效密度大於大氣的有效密度,導致重力崩塌,產生火山碎屑流。浮石流和火山灰流(火山灰粒徑含量> 50%)大多形成於此。

3.火山泥流沈積

火山碎屑流和水的混合物是火山噴發的產物。拉哈爾的特征與正常河流不同,類似於流動的混凝土。火山泥流粘度低,易受地形影響,常沿河谷和低地分布。拉哈爾幾乎沒有高溫的跡象,其溫度壹般在40 ~ 100℃之間。泥灰巖可以是單壹巖性的,也可以是非均質巖性的。壹般來說,火山噴發直接形成的火山泥流巖性單壹。火山泥流攜帶的碎屑顆粒包括從粘土到巨礫的不同顆粒大小。拉哈爾和拉哈爾的不同部位,粒徑變化很大。遠離隕石坑,大碎片的含量和粒徑逐漸減小。火山泥流包含直徑為> > 1m的巨礫,這是火山泥流最重要的特征之壹。火山碎屑流沈積比火山碎屑流沈積分選差。在粗粒牽引(> 2mm)中,許多泥灰巖表現出不明顯的逆粒序層理和正粒序層理。

火山泥流的形成機制不同,但水是必不可少的。主要成因機制包括:壹種與火山爆發直接相關,通過火山口湖、雪、冰堆積和暴雨中的火山爆發,或火山碎屑流註入河流、冰雪,這是火山爆發最常見的原因;另壹種與火山爆發間接相關,是火山爆發後短時間內地震或火山擴張引起的火山口湖崩塌或松散的火山碎屑快速排水所致。如長白山火山1000年前的噴發和松花江上遊的火山泥流沈積的發育就是典型的例子(劉,1991)。

4.火山基浪沈積物

火山底波沈積是指熱巖漿與水相互作用引起爆炸而形成的水性碎屑沈積。

玄武巖漿遇水會立即爆炸,並伴有基本波。這種火山基波含有大量的水蒸氣、火山灰、火山礫石等。凝結的水汽作為整個火山基波的壹部分,與火山基波流中的火山碎屑顆粒充分混合,對基波中的火山碎屑顆粒起到支撐和稀釋作用。在火山基浪沈積中形成交錯層理、沙丘、逆行沙丘等獨特的構造標誌,分選性差。基波輻射的最大距離大致等於隕石坑的直徑,但有的等於隕石坑直徑的2倍或幾倍。Fisher & Schmincke (1984)和CAS & Wright (1987)都把基波歸入火山碎屑波的範疇,認為基波是壹種火山碎屑波,火山碎屑波有三種類型:基波、底波和灰雲波。不同的是,基波是冷濕的,底波和灰雲波是幹熱的。基底波往往伴隨著小環形山的形成,形成壹系列的低位環形山(廣義的馬爾湖),根據其形態和成分的變化,分別稱為低位環形山(狹義的馬爾湖)、凝灰巖環和凝灰巖錐。

第二,火山災害

火山災害是主要的自然災害之壹。在主要的自然災害中,火山災害排在第六位。減輕火山災害是國際減輕自然災害十年(1991 ~ 2000)的重要組成部分。火山災害包括直接災害和間接災害。前者是火山爆發本身造成的災害,後者是火山爆發引起的氣候和環境變化造成的災害(劉嘉琦,1999)。火山災害的主要類型有:

1.火山碎屑流造成的災害

大規模的火山噴發往往形成巨大的火山碎屑流,能量大,流速快,平均速度可達每秒幾十米至幾百米。它們被彈出火山口後,以極快的速度順山坡流下,可以在較短的時間內摧毀火山口周圍方圓數公裏甚至數百公裏範圍內的森林、城市、村莊、橋梁和建築物,同時也對火山口附近居民的生命安全和活動場所造成嚴重威脅和破壞。例如,1902年,蒙彼利埃火山噴發產生的大量火山碎屑流,使擁有6.5萬人口的聖皮埃爾鎮成為壹片廢墟(Wright&Pierson,1992)。此外,與火山碎屑流相關的影響是,火山碎屑流的熱量導致冰雪融化,形成火山泥流和相關的洪水,這些洪水可能遠遠超出火山碎屑流,造成更大的災害。

2.火山熔巖流造成的災害

熾熱的巖漿就像熔化的鋼鐵,沖擊、破壞、燃燒著生物(包括農田)和建築物,有時還會引發嚴重的火災,給自然和人類社會帶來災難。熔巖流造成的災害主要取決於熔巖流的規模、速度、火山口外壁坡度和粘度。熔巖流規模越大,速度越快,火山口外壁坡度越陡,熔巖流粘度越小,災難就越嚴重。比如1977年,剛果民主共和國尼拉貢戈火山的熔巖流高達每小時3 ~ 3~100km,導致300人死於熾熱的熔巖流中。

3.火山滑坡、泥石流和洪水

大規模的火山噴發造成山體滑坡和地裂縫,並伴有滑坡和泥石流。火山碎屑流主要是指火山碎屑流和熔巖流在高速流動過程中與水或雪融合形成的高密度流體。它是壹種破壞力很大的流體,主要是湍流,能摧毀它所流過地區的農作物、森林、橋梁和建築物,對人類社會造成極大的破壞。當泥石流流速降低時,其攜帶的大量礫石和火山碎屑巖會沈澱堆積,堵塞河道,造成河流改道,甚至泛濫成災。

4.火山碎屑和火山灰造成的危險

大規模的火山噴發會拋出大量的火山碎屑(火山塊、火山角礫巖、火山彈)和火山灰,掩埋和破壞地面建築物、森林、動植物,甚至危及人的生命。比如巴布亞新幾內亞的拉明頓火山6月噴發1951.1。熾熱的火山灰雲摧毀了約90平方英裏(1平方英裏≈2.6×106m2)的植被,倒塌房屋,造成2942人死亡。

5.火山氣體及其氣溶膠造成的災害

在火山噴發過程中,會有大量氣體從地下噴入大氣(甚至平流層)。氣體的主要成分是H2O、CO2、CO、SO2、SO3、H2S、HCl、Cl、F等。壹些火山氣體中含有微量的汞、鉛等其他金屬元素,會造成嚴重的災害。

(1)壹些有毒氣體(如CO、SO2、H2S、HF、HCl、Cl、F等。)和相對稠密的氣體(CO2等)。)被噴出火山後會迅速擴散,短時間內造成人畜窒息甚至死亡。例如,1986年8月喀麥隆沃斯火山爆發期間,超過1700人死於火山噴出的大量CO2氣體。

(2)火山硫化物和鹵化物氣體可與大氣中的水蒸氣反應形成劇毒的酸滴,達到壹定濃度時可引起“火山灰雲”,它們落到地表,可損害人和動物的眼睛、皮膚和呼吸系統,還會對農作物和建築物造成危害。比如1783年,冰島拉基火山噴出的大量有毒火山氣體彌散在冰島上空,汙染了島上及附近地區的草原植被,導致所有吃過當地草的羊都死於氟中毒(Robert&Decker,1980)。

(3)火山氣體和氣溶膠在大氣中可發生光化學反應,導致平流層臭氧濃度降低,臭氧層變薄,臭氧層被破壞,甚至出現“臭氧洞”,使人類接受過量的太陽紫外線輻射,誘發皮膚癌等疾病。平流層中的氣溶膠,加上火山灰,會減少到達地表的太陽總輻射,導致地表溫度下降。比如坦博拉火山4月噴發,1815,數百萬立方米的火山灰和氣溶膠被困在大氣中。濃密的火山灰雲覆蓋了天空,使得500公裏外的馬都拉島連續三天完全黑暗。

6.火山爆發引發的海嘯、地震等災害

大規模的火山爆發,其崩塌入海可引發海嘯,同樣吞噬人類生命。比如1792年日本雲仙嶽火山噴發引發海嘯,島原和兵庫有15190人死亡。

地震不壹定引起火山爆發,但火山爆發往往伴隨著地震,地震通常發生在火山爆發期間和火山爆發前後。強烈的火山地震會導致房屋倒塌,甚至危及人的生命。比如1991年菲律賓皮納圖博火山爆發,引發了4次地震,引起了周圍地殼的變形,對周圍的建築造成了危害。

爆發性火山噴發形成的大規模火山灰雲隨大氣環流在幾天內可達數百甚至數千千米之外,航線及其附近漂浮的高密度火山灰雲可降低空中能見度;飛機發動機吸入火山灰會損害發動機的正常功能,破壞飛機的導航控制系統,嚴重時甚至會引起發動機故障,危及飛行安全。此外,火山灰雲對高速飛行的機身也有磨蝕作用,破壞飛機外殼。火山灰不僅對火山附近的飛行安全構成威脅,也影響到距離火山口幾千千米的地方。

思考問題

1.如何區分分流凝灰巖和流紋巖?

2.火山碎屑巖的分類依據是什麽?主要有哪些類型?

3.簡述火山災害的主要類型和特點。

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