16卷6期
2007年12月自 然 灾 害 学 报JOURNAL OF NAT URAL D I S ASTERS Vol .16,No .6Dec .2007收稿日期:2006-10-30; 修订日期:2007-05-10
基金项目：国家社会公益专项基金资助项目(2002D I A 20009)；地震联合基金资助项目(105128)；吉林省社会发展重点项目(20060424) 作者简介：杨清福(1963-)，男，高级工程师，博士，主要从事火山学和火山灾害研究.E 2mail:qingfuyang@t om
文章编号:100424574(2007)0620133207
长白山天池火山的研究现状与展望
杨清福1，薄景山2,3
(1.吉林省地震局，吉林长春130022; 2.防灾科技学院，河北三河065201;
3.中国地震局工程力学研究所，黑龙江哈尔滨150080)
摘要：较详细地介绍了近年来长白山天池火山喷发历史、火山形成机制、火山系统的探测和火山灾害
的研究现状，指出了当前研究中存在的一些主要问题。建议今后应加强火山活动历史研究；探测岩浆
作用及其动态变化，限定火山失稳条件；研究岩浆作用和火山触发机制；开展火山作用的试验模拟和
火山灾害区划的定量模拟研究；建立火山灾害预警系统，制定火山灾害应急预案，以达到减轻火山灾
害的目的。
关键词：火山学；深部探测；火山灾害；天池火山
中图分类号:P317.9 文献标识码:A
St a tus quo and prospects for research on Ta i n ch i
Volcano i n Changba iM oun t a i n
Y ANG Q ing 2fu 1,BO J ing 2shan 2,3
(1.Earthquake Adm inistrati on of Jilin Pr ovince,Changchun 130022,China; 2.I nstitute of D isaster Preventi on
Science and Technol ogy,Sanhe 065201,China; 3.I nstitute of EngineeringMechanics,
西出阳关无故人全诗China Earthquake Adm inistrati on,Harbin 150080,China )
Abstract:Research status quo and main p r oble m s about the erup ti on hist ory,volcanis m ,deep geophysical p r os pecting and volcanic hazards of the Tianchi Volcano,Changbaishan are revie wed in detail .Some suggesti ons for future research on the Tianchi volcano are p r oposed,which are t o strengthen research of volcano hist ory,detect mag ma reservoir and its dyna m ic change,restrict conditi ons of volcano instability,research mag matis m and mechanis m of triggering erup ti on,si m ulate v olcanic phenomena and hazards,establish early warning syste m of volcanic hazards and draft e mergency p lan of volcanic hazard in order t o m itigate hazards of the Tianchi Volcano .Keywords:volcanol ogy;deep exp l orati on;volcanic hazard;Tianchi Volcano
火山喷发是地下岩浆活动的一种方式，是地球中能量均衡的一种表现，是一种自然地质现象。千百年来，火山活动受到了人们的广泛关注。这是因为，一方面火山喷发提供了地球深部的有关信息，为研究地球内部的物质组成、演化历史、运动规律提供了科学依据，火山喷发形成若干有价值的矿产资源，给人类带来了巨大财富；另一方面许多火山喷发造成严重的火山灾害和次生灾害，对气候环境和生态造成一定的影响，给人类的生命和财产造成了巨大危害。因此，围绕火山的孕育、喷发灾害的预
防以及火山资源的有效利用而开展的一系列科学研究工作是当今地球科学和灾害学研究的前沿课题之一。
长白山天池火山在地理位置上坐落于吉林省东部中—朝边境上，是环太平洋火山带上的一座活动火山。近年来，长白山天池火山的地震活动频度、以及地表形变都有増强的趋势，存在着再次喷发的可能性，这一问题已引起了政府和学术界的高度重视。本文回顾了长白山天池火山的监测、研究历史，概述了研究现状，提出了进一步开展天池火山监测和灾害预测的设想和建议。
1 火山喷发历史
天池火山地层学研究最早可以追溯19世纪末，少数外国人对天池火山做了初步踏查，区分出了下部玄武岩，中部粗面岩和上部火山碎屑堆积。20世纪60年代初，吉林省地质局对长白山火山区进行了4幅1:20
万区域地质调查，首次对长白山区火山地层进行系统地划分，并进行了岩石学描述[1-3]。80年代，有关专家
开展了与火山地层有关的专题研究，并侧重于玄武岩盾和粗面岩锥体的地层学和年代学研究[4-8]，其中刘嘉
麒对玄武岩-粗面岩的年代测试具有代表性。但这些研究大都属于对天池火山及其外围地区的火山岩岩石学、地层学、年代学和火山地质学范畴。而真正把天池火山作为活火山(休眠)、以及具有潜在喷发危险的火山来监测和研究，则始于20世纪90年代。1992年，刘若新等明确提出，天池火山是一座具有潜在喷发危险
的火山[9]，从而引起广泛关注。同一时期，刘若新以中国灾害防御协会火山学会的名义，在长春组织召开了第一次全国火山学术讨论会，会议发出了要重视对天池火山的监测研究的呼吁。这一呼吁引起了有关部门和学术界的重视，从而开拓了我国以天池火山为重点的活火山研究；并促成了最终导致95-11国家火山监测研究项目的设立，开始了以天池火山最近一次大喷发和火山减灾为目标的天池火山研究。该项研究侧重于对最近一次大喷发物的类型、分布以及全新世火山地层学研究，以同一次喷发可以产生不同类型喷发物等
岩相组合为基础，由原来的1期[3]划分为3期或4期[10-12]；在年代学测试的基础上[13-16]，建立了全新世火蒋丽莎微博
山年代地层序列[11]，为未来火山喷发概率预测提供了初步依据。
目前多数人认为，渐新统-中新统的玄武岩是盖马高原形成阶段的产物，属于裂隙式喷发；上新统军舰
山组玄武岩[4-6,8,10-12,17-23]、下更新统白山组玄武岩、小白山组粗安岩、粗面岩、老房子小山组玄武岩[12]构成
了盾状火山，是天池火山中心式喷发产物；中更新统-上更新统白头山组粗面岩[4-6,8,10,12]、老虎洞组玄武
岩[10,24]构成了长白山火山锥，粗面岩由天池火山喷发形成，玄武岩由火山锥体上的子火山口喷发形成；全新统包括冰场组火山碎屑堆积、气象站碱流岩和火山碎屑堆积、白云峰组火山碎屑堆积、八卦庙火山碎屑堆
积[11-12]，除气象站组由气象站子火山喷发以外，其它3个组均由天池火山喷发形成。
虽然对天池火山喷发历史和年代学开展了较多研究，但仍然存在有待解决的问题:(1)关于气象站组的
时代：一种方案将气象站组置于上更新世[10,20-23]，另一种方案是将气象站组置于全新世[11-12]。(2)虽然刘
若新等发表了对最近一次大喷发的高精度14C 定年[13]，但目前对大约1000a 前大规模喷发的准确时间尚还
存在不少争议[24-25]。由于这次大喷发的规模巨大，火山灰已飘落到日本[26]，对全球气候和环境产生了很大
影响，因此关于它的形成时间备受关注。而对5000a 前的那次大喷发发和5000a 前到晚更新世的喷发史，尚处于空白。系统的火山地层学研究和高精度的定年技术，仍是今后一项艰巨的任务。(3)粗面岩锥体形成的起止时间和玄武岩期次的划分仍有不同意见。(4)有关火山喷发的史料记载挖掘工作还有待深入。2 火山的形成机制
2.1 大地构造背景
关于天池火山大地构造背景有两种观点。一种观点认为，长白山火山活动与太平洋板块俯冲有关。主要证据为：长白山地区的火山活动性与环太平洋带的火山活动性是一致的，反映它们受相同原动力的驱使,
板块运动起主导作用[4,28]；长白山火山岩的Sr 2Nd 2Pb 同位素地球化学资料表明，该区火山岩浆源自遭到地
壳物质混染的上地幔，暗示长白山地区的新生代构造-火山活动与太平洋板块俯冲作用有关[34]；刘若新等
则将由日本海沟至吉、黑东部地下约600km 深度的深俯冲带作为天池火山的构造背景；他们还提供了源自深地幔—原始地幔的Sr 2Nd 同位数证据，同时指出，确有一部分样品受到地壳物质的混染[30]
。天池火山岩
中铀不平衡同位素体系以238U 放射性过剩为特征，表明了岩浆过程中水的参与作用；而样品δ238U <1%，说
明浅部循环水不是造成上述238U 过剩的原因，说明含水组分在岩浆源区参与了部分熔融过程，这可能是太平
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洋俯冲板块脱水作用的结果[31]；利用全球地震层析成像和区域层析成像分析表明，长白山火山的起源是一
种与太平洋俯冲板块在地幔转换带内的滞留和深部脱水等过程密切相关的弧后板内火山[32-33]。
另一种观点认为与太平洋板块俯冲无关，主要证据有：根据岩石学资料计算的岩浆赋存深度不超过120
～150km [34]，板块俯冲深度接近6000k m ，很难设想该区的玄武岩岩浆能够从如此深的部位直接形成[35];
火山中心的分布受断裂控制[34]；长白山地区玄武岩的主元素和微量元素在地球化学判别图上投影显示，它
们并不具有岛弧火山岩的性质，却与洋岛碱性玄武岩或大洋玄武岩有一定的关系，而且粗面岩和碱流岩在判
别图上均位于板内或非造山区[35]。
上述两种观点都认为天池火山是板内火山，但对天池火山与西太平洋深俯冲作用的关系仍有不同看法。
2.2 岩浆的起源和演化
1980年代开始在长白山区开展岩浆的起源和演化研究。刘嘉麒、郑祥身提出长白山火山岩属于钠质火
中考分数线2022年公布时间山岩系，岩浆来自上地幔，各期喷发物是同源岩浆结晶分异作用的结果[4,7]。1990年代以来对长白山火山岩
浆演化的研究支持上述观点，也认为各期喷发物是同源岩浆结晶分异作用的结果[10,18,36-42]。关于岩浆的起
源目前有新的认识，刘若新等认为玄武岩类具有低Mg 值和低N i,Co,Cr 含量以及它们的不相容元素特征表梦见打死蛇
明，这种玄武岩浆是经过部分铁镁矿物和斜长石的结晶分异演化的岩浆，而非原始玄武岩浆[18,37,39]。
关于岩浆的来源深度也有不同认识，如刘嘉麒借鉴邻区宽甸的资料推测，其深度约60～100km [4]；郑祥
身[7]认为断裂带活动导致50～60km 深的上地幔物质局部熔融产生橄榄玄武岩岩浆；吴才来[41]采用MERC I ER 的温压计计算，认为原始玄武岩浆来源深度小于82km ，在65～55km 范围内存在玄武质岩浆。
2.3 火山喷发机制
火山喷发的触发机制研究始于20世纪90年代末期，刘若新等提出距今1000a 左右的大喷发是玄武质粗安岩浆与碱流岩浆的共喷发，表明天池下面存在地壳岩浆房和地幔岩浆房，且碱流岩质岩浆中的水含
量已
达饱和甚至过饱和；大喷发的触发机制是地幔玄武岩浆注入地壳岩浆房的结果[18]。其它各期喷发的触发机
制还未进行研究。
2.4 物理火山学
20世纪90年代在天池火山区开展了物理火山学研究，讨论了千年前大规模喷发火山碎屑流搬运和堆积机制[43-44]；恢复了火山喷发动力学参数，包括火山喷发柱的物理参数，如喷发柱高度[18,44-46]
制作绿豆汤、喷发柱宽
度、喷出口速度、古风式、喷发柱的温度，挥发份的含量、释放的能量等[24,47-48]，喷发柱塌陷形成火山碎屑流
的物理参数，包括岩浆释放率、出溶水含量、持续时间喷发速率与喷出量、喷发持续时间等[18,44]。天池火山
已经开展了比较系统的爆炸式火山喷发柱物理参数的恢复工作，但是在参数值的限定方面还有一定的差异。造成其差异的原因，一是由于对千年大喷发堆物的限定(包括这期火山地层的组成和分布)不同，如吴才来等认为这次喷发从距今7854a 持续到距今1050a，分为3期[41]，而魏海泉等认为这次大喷发距今1000a
左右，包括下部空降堆积和上部火山碎屑流堆积[18,44]，因此得到的火山喷发物的基本参数就不同，从而导致
求得的火山喷发物理参数值也不同；二是由于长白山火山森林覆盖面积大，野外考察点的分布就不均匀，导致空降堆积的等厚度分布图、最大粒度等值线图的形状和画法就有差异，因此求得的火山喷发物理参数也不同。
目前天池火山物理火山学研究仅限于千年大喷发，还没有开展其它各期喷发的物理火山学研究。因此需要进一步深入研究火山喷发地层学，限定各期喷发的地层含义和分布范围，不断地补充勘测数据，并争取到朝鲜一侧进行踏勘，完整地认识天池火山，才能使天池火山物理火山学取得新的进展。3 岩浆系统的探测
长白山火山系统的深部探测始于20世纪90年代后期，且仅限于岩浆房探测。汤吉等在长白山火山区沿着两条剖面进行了15个测点的大地电磁测探观测，发现异常体埋深约12km ，其分布范围在12～40km
之间，推测可能是火山岩浆囊[47-48]。张先康等在天池火山区进行了人工地震勘探，采用不同方法对三维深
地震测深数据进行了处理，结果表明在9～15k m 深度，岩浆系统分布的主要特征是范围广，尺度大、近南北走向，是地壳内储存岩浆的主要位置；自15km 深度以下直至下地壳，其分布横向尺度较小，显示出岩浆自上
地幔侵人地壳的痕迹“，这也意昧着长白山天池火山的岩浆系统极有可能延伸到上地幔或更深[49-55]。
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杨清福等：长白山天池火山的研究现状与展望
段永红等利用71个远震的波形资料，用接收函数方法提取了布设在长白山—镜泊湖火山区的34个宽频带流动数字地震台站的接收函数，通过对接收函数反演，获得了台站下方的S 波速度结构。研究结果表
明，长白山天池火山口附近地下10k m 左右有一明显的低速层存在，推测有岩浆房[56-57]。郭履灿等(1996)
利用全球数字地震台网资料所做的S 波CT 结果显示，在长白山天池火山下面38～65km 的上地幔顶部，存
在明显的低速区，横向延伸100～300km ，认为可能是一个上地幔岩浆房[58]。
总的来看，可以认为长白山火山下存在地壳岩浆房。但是由于天池火山区地形险峻、森林覆盖率高，天池火山位于中国和朝鲜的边界上，大地电磁测深和人工地震勘探的布线以及测点的布置受到限制。因此，对岩浆房埋藏深度、岩浆房三维尺度的精确探测也受到很大限制。另外还未开展火山通道的三维尺度、物质组成以及天池湖水下火山口的形态和深度的探测工作。
4 火山灾害
火山灾害研究包括火山监测、火山喷发危险性预测、未来火山喷发类型、规模预测、和火山灾害类型、程度和范围预测。
4.1 火山监测
天池火山观测始于1985年。1985-1991年由安图地震观测站每年6-9月进行季节性单台地震、水温和水氡观测。1992-1996年由吉林省地震局进行1～2个月的流动地震观测，设3～5个台。1999年6月长白山天池火山观测站正式投入观测。地震观测包括1中心台和5个季节性观测的数字地震监测台网，可定
位的最小震级为M L 1.5级。形变监测主要为1个定点形变监测、1条23.6km 长的短水准剖面流动观测和具有8个测点的GPS 流动监测。地热及地球化学观测共有6个测项5个测点，主要分布于长白瀑布下的聚龙泉，锦江、长白等地，测项为CO 2,CH 4,He,H 2,PH 值及温度，为季节性观测。
“十五”期间，对长白山火山监测系统进行了完善，该项工作正在进行中，预计完成后将增加1个定点GPS 连续观测台，流动GPS 增加到12个测点；在已有1条短水准剖面的基础上，还将在西坡增加1条短水准流动观测剖面，配合重力观测；在火山站附近增加1个基线网，有3条边,2个角，每个边1～2k m ，用全站仪测边；对水管观测进行更新改造；在火山站新建1个水位和水温井下观测点，连续观测；在火山站内新建1个重力、1个地磁连续观测点。长白山火山的观测能力将会有大幅度提高。
长白山天池火山监测已经取得了较大进步，建成了具备一定监测能力的火山监测网络，但是与发达国家相比，还有一定差距，主要表现为:(1)地震监测子台离火山远，距天池火山中心5～10km 的台站密度不够，不能解决小震震中和震源深度定位问题；能定位小震震中的震级比较大。目前能实时传输的台站只有1个，不能及时了解火山活动状况。(2)短水准观测距离短,GPS 观测网覆盖范围小，无法了解火山下岩浆房的总体变化状态。(3)没有开展热红外和I N S AR 观测。
4.2 火山喷发预报
冯德益等利用波形线性度和频谱特征量方法，分析了长白山火山区地震包括A ,B ,C 共3种火山类型[59]
。马明志等分析了长白山火山区地震波形，认为只有一种类型的地震；参考某些火山区给出的V p 和泊松比，采取均匀速度的模型，对天池火山地震波速给出大体的估计，然后采用方位角法和综合方法确定了8
个地震的震中，认为这些地震可能发生于岩浆房的上部[60]。李范熙分析了天池火山1985-1991年模拟记
录的地震波形特征，划分为2类地震，第1类地震是能看出S 波反射波的低频波微小地震；第2类地震是类似于构造地震的微小地震。第1类地震活动可能与火山下岩浆活动有联系，反映天池火山属于活动火山[61]。吴建平等于2002年7-9月采用15台宽频带流动地震仪在天池火山区进行了流动地震观测，结果表明这些地震发生在长白山天池内的西南部，震源深度距离天池水面一般小于4km 深，震的震中位置呈北西向线性分布。地震记录的频谱分析表明，该震为典型的火山构造地震类型；认为2002年夏季频繁发
生的小震和震可能是由火山深部活动诱发的局部断裂活动所引起[62-63]。
上官志冠等对天池火山区深部流体成分和稳定同位素组成的研究结果表明，该区地下有相对独立的4个含水层。2.2k m 以下以上为冷水层，长白冷泉及白河屯CO 2泉等源于此层;2.2～3.4km 之间为上部
热水层，该层因离地面较近，所以热水含氡，气体含量较少，代表泉点是氡泉;3.5～3.9k m 之间，为中部热水层，代表泉点是长白热泉1和2以及锦江热泉等，均伴随大量的幔源气体释放；大约4km 深度以下，为深部
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热水层，代表泉点为无氡泉。这类地热直接与岩浆体外围的热变质带相通。估计岩浆源上部直径较大，约为数十km ，深度不会小于7k m 。天池火山区大量的逸出气体其主要成分是CO 2，这些CO 2中的炭同位素均具有典型的幔源特征。逸出气体中稀有气体的3He /4He 比值及其与40A r/36A r 和4He /20
Ne 比值的关系表明，这些稀有气体也主要来自地幔，并具有幔源、大气来源二元混合特征，基本没有受壳源气体混染，即天池火山区现代逸出气体基本上可以认为是幔源气体。天池火山区深部流体显示天池火山下存在岩浆体，并有幔源岩
浆供给[64-66]。
胡亚轩等对天池火山2002和2003年两期短水准测量数据进行了处理，其间天池瀑布的S12号水准点相对测线北端S 。号水准点上升了约4.6c m；对2002年和2003年两期GPS 观测数据进行了处理，长白
山火山发生了比较大的、以天池老火山口为中心的径向放射状位移。与点源模型引起的形变位移相符。其中，长白山火山观测站P 0。点、天池南P 4站点的水平位移速率分别达4.16c m 和3.18c m ，上述水平位移和垂直位移的变化相互印证，反映出长白山火山下部确实发生了比较明显的岩浆上涌活动，其岩浆房的中心位置基本在天池老火山口附近。同时，从位移的变化可以看出，天池南侧的P 3,P 4站点北侧的北西向隐伏断裂同期可能有一定活动[67]。
总体来说天池火山监测正处于资料积累以确定火山活动背景值阶段。
4.3 火山灾害
有关专家讨论了天池火山未来可能出现的火山灾害类型，包括空降火山灰灾害，火山碎屑流灾害和火山
泥石流灾害[68-72]，讨论了火山锥体顶部白云峰塌陷引起的洪水灾害，认为湖水面将升高33m ，将对二道白
河流域造成灾害[70]，制作了天池火山灾害区划图，讨论了空降灾害、火山碎屑流灾害和火山泥石流灾害的分
布范围和灾害程度[19,71]。
赵谊等[73-74]从大气中火山灰扩散的二维微分方程出发，采用Suzuki 对火山空降碎屑灾害数值模拟的
数学模型，对天池火山空降碎屑厚度分布进行了模拟应用。
Gill 等估计天池火山大规模喷发有大于2×105kt 的Cl 释放到平流层中，可能也有104kt 左右的S 释放
出来。化合作用会使中纬度地区的臭氧量大大降低，从而使地球表面的平均温度至少降低1℃，这就导致了
近代历史上一次由火山喷发引起的较大的全球变化[75]。李霓等采用离子谱法和激光拉曼探针法，分析了
天池火山1000a 前大规模喷发物中CO 2,S,F 2,Cl 的含量，并估算释放到空气中的CO 2的含量为(0.31～
1156)×108t,S 的含量为1.96×107t,F 2的含量为7.86×106t,Cl 的含量为(0.78-6.24)×107t，卤素总量为
(1.57-7.03)×107t，认为对当时的全球气候曾产生过重要影响[76]。Horn 等的研究表明天池火山1000a 前大喷发向大气中释放了2×106t 的S,45×106t 的Cl,42×106t 的F,1800×106t 的H 2O
感恩节几号
[25]。郭正府等的研究表明，天池火山1000a 前大喷发向大气中释放了109.88×106t 的HCl,109.80×106t 的HF,1477.84×
106t 的S O 2和35.43×106t 的H 2S O 4[77]。
李晓东等用一维和二维能量平衡模式模拟了天池火山1000a 前大喷发对全球气候的影响，结果表明天池火山喷发形成的平流层气溶胶可维持3a 长的时间，并对到达地表的太阳辐射有非常明显的削弱，引起的
北半球平均最大降温可达0.85℃，天池火山喷发对全球气候的影响超过6a [78]。
5 展望
近15a 来，天池火山研究取得了一些新的进展。建立了全新世火山喷发年代地层序列，恢复了1000a 前爆炸式火山喷发的物理参数，建立了长白山火山监测系统，初步评价了未来可能的火山灾害。但是，对天池火山灾害的研究只有不到20a 的历史，还需要积累资料，拓展研究范围和研究领域，朝着精细和定量化方向迈进。天池火山研究在许多方面还没有达成广泛的共识，还需要进行深入系统研究。以减轻火山灾害为目标的天池火山研究应侧重研究以下主要内容:
(1)天池火山活动历史尤其是全新世火山活动历史研究。这是火山喷发概率预测和火山灾害评估的基础，
目前仍有很大分歧。应该进行系统研究，制作高精度大比例尺火山地质图，进行系统的火山口缘剖面测制和对比研究；加密观测点和取样点，采用新的测试方法，解决森林覆盖区的观测和取样问题，把研究范围扩展到朝鲜一侧。
(2)精细地探测岩浆房和火山机构，限定火山失稳条件。岩浆房的深度和大小、火山通道的三维尺度和・731・6期杨清福等：长白山天池火山的研究现状与展望
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