火山活动和地质缺陷加固技术

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：正在喷发和预期可能再次喷发的火山，当然可称为活火山。有一些在10000年甚至更长时期以来没有发生过喷发的“死”火山，也可能由于深部构造或岩浆活动而导致重新复活而喷发。这是当该火山已被确认为危险的火山之后应当进行的基本监测和探测研究。大岛是由5个连续年龄的火山连接而成。破火山口直径可达8～16km，而火山口直径通常不超过1～1.6km，主要是在火山喷发期间由于爆炸而挖掘出来的。1921年德国科学家Steininger把maar定义为一种火山类型。

（1）火山的概念。一般来说，只有活火山才会发生喷发。正在喷发和预期可能再次喷发的火山，当然可称为活火山。而那些休眠的火山，即使是活的但不是现在就要喷发，而在将来可能再次喷发的火山也可称为活火山。那些其最后一次喷发距今已很久远，并被证明在可预见的将来不会发生喷发的火山，称为熄灭的火山或死火山。

根据哪些准则来判断一座火山的“死”或“活”，迄今并没有一种严格而科学的标准。经验上或传统上将有过历史喷发或有历史喷发记载的火山称为活火山，这样的火山在全球有534座。但是历史或历史记录对每个国家和地区可以是很不相同的，有的只有三四百年，有的则可达三四千年或更长。在那些渺无人烟的偏远地区，即使是发生在近代的活火山喷发，也可能不为人所知或没有任何历史记录。例如我国靖宇以西40km的金龙顶子火山，在距今约1600年前曾发生过一次爆炸式喷发，但迄今未发现有历史记载。显然，基于历史或历史记录的活火山的定义是很不完全和不符合实际的。于是一些火山学家根据对大量活火山喷发间隔期和熄灭的火山最后一次喷发时间的统计，提出一个有一定时间条件限制的、改进的活火山的定义，即那些在过去10000年、5000年或2000年来有过一次喷发的火山，称为活火山。究竟是采用10000年、5000年或2000年，将允许根据不同国家、不同地区的具体情况而定。这一改进的活火山定义，仍然允许有例外情况，并且要求对一个具体的活火山进行评价时，能够提供该火山地下是否存在活动的岩浆房系统的证据。

但是火山的“死”或“活”仍然是相对的。有一些在10000年甚至更长时期以来没有发生过喷发的“死”火山，也可能由于深部构造或岩浆活动而导致重新复活而喷发。例如我国五大连池火山群中，大部分火山是在100000年前喷发的，但是其中的老黑山火山和火烧山火山却是在公元1719～1721年喷发形成的。

于是，在火山下面，是否存在活动的岩浆系统，就成为判断一座火山“死”或“活”的关键，怎样才能知道火山下面存在活动的岩浆系统呢？一般可根据以下现象作出初步判断：①在活火山区存在水热活动或喷气现象；②以火山为中心的小范围内，微震活动明显高于其外围地区；③火山区出现某些可观测到的地表形变。上述现象都是因为火山下面岩浆系统具体的活动情况引起的，则必须在该火山区布设长期地震—地形变观测台网，以及其他多种地球物理、地球化学方法进行探测。这是当该火山已被确认为危险的火山之后应当进行的基本监测和探测研究。

根据以上所述，我们可以得到关于活火山的一般概念，那就是正在喷发的或历史时期及近10000年来有过喷发的火山称为活火山。当火山下面存在活动的岩浆系统或岩浆房时，这个火山被认为具有喷发危险性，应置于现代的火山监测系统之中。

（2）火山的类型。由于火山喷发的物理化学条件不同，火山在形态上有多种不同的类型。

1）盾状火山（Shield Volcanoes）。盾状火山是具有宽阔顶面和缓坡度侧冀（盾状）的大型火山。由于火山挤出的产物主要为低粘滞性的玄武岩岩浆。夏威夷岛（大岛）是典型的盾状火山。大岛是由5个连续年龄的火山连接而成。其中的Mauna Loa火山是最大的，从海底到山顶有9090m。

2）火山渣锥（Cinder cones；scoria cones）。火山渣锥是玄武岩碎片堆积而成的山丘，喷出气体携带熔岩滴进入大气，然后在火山口附近降落，而形成火山锥。熔岩滴通常在飞行中间，降落地面之前已经是固态的或部分固态的，称之为火山弹。如果气体压力下降，最后阶段的可能是熔岩流冲出渣锥的底部，如果熔融岩浆中具有充裕的水，它们的相互作用将形成玛珥湖（低平火山口）而不是火山渣锥。喷发时间越长，火山锥越高。一些火山锥只有几米高，而一些如墨西哥的Paricutin火山，从1943年到1952年连续喷发，火山锥高达610m，随着火山碎屑活动，熔岩流从其底部流出，摧毁了Paricutin村。火山渣锥可以单独存在，也可以组成小的或大的群或火山场。

3）复合型火山（层状火山）［Composite Volcanoes（Stratovolcanoes）］。复合型火山为多次喷发所建造，其复发周期可以是几十万年，也可以是几百年。形成复合型火山的最经常的是安山岩，但也有例外。虽然安山岩复合型火山锥主要由火山碎屑组成，有些岩浆侵入使锥体内部破裂而形成岩墙或岩床。这样多次侵入形成的岩墙或岩床将碎石编织成巨大堆积。这样的构造可以比单独由碎屑物构成的火山锥高。由于其太高，有可能使其太陡、不稳定而在重力作用下垮塌。地球上10000年来已知1511座火山喷发，其中699座为层状火山。地球上最高的火山为层状火山——智利的Nevado Ojos del Salado火山高6887m。历史上喷发过的最高的火山为高6739m的Llullaillaco火山，两者都在北智利安第斯山脉。圣海仑斯火山为Cascades最年轻的层状火山，同时也最活跃，地质学家识别出过去3500年35层喷发的火山灰。Shasta火山是Cascades最大的层状火山。

4）熔岩穹丘（Domes）。熔岩穹丘是高粘滞性、富硅岩浆缓慢挤出而形成的，大部分熔岩穹丘比较小，但可能超过25km3。穹丘挤出可以相当缓慢的熔岩运动而终结，也可能开始爆炸，扩展成为火山碎屑所覆盖的坑。

5）破火山口（Calderas）。一种在火山顶部的较大的圆形拗陷，其直径往往大于1.6km。通常是岩浆回撤、火山自身塌陷时形成，或浅部岩浆囊喷发而形成的。大量岩浆的撤退可能是由于其构造支撑的丧失而造成的。在西班牙语中Caldera意为罐或大锅，在Canary岛原来指锅底状的拗陷，而不管其成因。破火山口直径可达8～16km，而火山口直径通常不超过1～1.6km，主要是在火山喷发期间由于爆炸而挖掘出来的。

6）低平火山口（玛珥湖Maar）。玛珥的英文maar来源于拉丁文mare，即海的意思，是德国莱茵地区的人们对湖泊、沼泽的称呼。1921年德国科学家Steininger把maar定义为一种火山类型。玛珥是由岩浆水汽相互作用发生爆炸而形成的。在地表下形成了深切到围岩的圆形火山口，并被一个低矮的碎屑环包围。玛珥是一个由环形壁、火山口沉积物、火山筒和馈浆通道组成的系统。

7）泥火山（Mud volcano）。泥火山是泥浆与气体同时喷出地面后，堆积而成。其外形多为锥状小丘或者是盆穴状，丘的尖端部常有凹陷，并由此间断地喷出泥浆与气体。

（3）火山的成因。火山的形成涉及一系列物理化学过程。地壳上地幔岩石在一定温度压力条件下产生部分熔融并与母岩分离，熔融体通过孔隙或裂隙向上运移，并在一定部位逐渐富集而形成岩浆囊。随着岩浆的不断补给，岩浆囊的岩浆过剩压力逐渐增大。当表壳覆盖层的强度不足以阻止岩浆继续向上运动时，岩浆通过薄弱带向地表上升。在上升过程中溶解在岩浆中的挥发酚逐渐溶出，形成气泡，当气泡占有的体积分数超过75%时，禁锢在液体中的气泡会迅速释放出来，导致爆炸性喷发，气体释放后岩浆粘度降到很低，流动转变成湍流性质的。如若岩浆粘滞性数较低或挥发量较少，便仅有宁静式溢流。从部分熔融到喷发一系列的物理化学过程的差别形成了形形色色的火山活动。(www.chuimin.cn)

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图2.2　火山喷发过程示意

火山最终喷发前的三个阶段：Ⅰ—岩浆的形成与初始上升阶段；Ⅱ—岩浆囊阶段；Ⅲ—离开岩浆囊到地表阶段

1）火山喷发的过程。火山喷出地表前的过程归纳为三个阶段（见图2.2）：岩浆形成与初始上升阶段、岩浆囊阶段和离开岩浆囊到地表阶段。

①岩浆形成与初始上升阶段。岩浆的产生必须有两个过程：部分熔融和熔融体与母岩分离。实际上这两种过程不大可能互相独立，熔融体与母岩的分离可能在熔融开始产生时就有了。部分熔融是液体（即岩浆）和固体（结晶）的共存态，温度升高、压力降低和固相线降低均可产生部分熔融。当部分熔融物质随地幔流上升时，在流动中也会产生液体和固体的分离现象，从而产生液体的移动乃至聚集，称之为熔离。

②岩浆囊阶段。岩浆囊是火山底下充填着岩浆的区域，是地壳或上地幔岩石介质中岩浆相对富集的地方。一般视为与油藏类似的岩石孔隙（或裂隙）中的高温流体，通常认为在地幔柱内，岩浆只占总体积的5%～30%。从局部看，可以视为内部相对流通的液态集合。岩浆是由岩浆熔融体、挥发物以及结晶体组成的混合物。

③从岩浆囊到地表阶段。岩浆从岩浆源区一直到近地表的通路的上升，与岩浆囊的过剩压力、通道的形成与贯通以及岩浆上升中的结晶、脱气过程有关。当地壳中引张或引张—剪切应力大于当地岩石破裂强度时，便可能形成张性或张—剪性破裂，如若这些裂隙互相连通，就可以作为岩浆喷发的通道。

2）火山喷发条件。一个地方能否形成火山主要在于是否具备以下条件：

①部分熔融体的形成，必须有较高的地热（自身积累的或外边界条件产生的），或隆起减压过程，或脱水而降低固相线。

②岩浆在地壳中的富集，或岩浆囊形成的位置与中性浮力面的深度有关，而中性浮力面的深度又与地壳流变学间断面有关。

③岩浆囊中的物理化学过程，主要是结晶体、挥发物与流体的份额与相互作用，岩浆喷发起着促使或抑制作用。地壳岩浆囊的存在起着拦截、改造地幔上升的岩浆的作用。它也是形成爆炸式火山喷发的重要条件。

④岩浆囊的存在对岩浆通道的形成有促进作用，而构造活动产生的引张应力场是形成岩浆通道的主要原因。

⑤岩浆离开岩浆囊后的上升受到压力梯度与浮力的双重驱动。

火山活动和地质缺陷加固技术

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