2024年2月22日发(作者:日记本歌词)
第44卷 第5期2022年10月地 震 地 质SEISMOLOGYANDGEOLOGYVol.44,No.5Oct.,2022-doi:10.3969/j.issn.02534967.2022.05.002冯晶晶,赵勇伟,李霓,等.2022.琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制[J].地震地质,44(5):1107—1127.FENGJingjing,ZHAOYongwei,LINi,etal.2022.ConemorphologyanderuptionmechanismsoftheLateQuaternaryvolcanoinnorthernHainanIslandSeismologyandGeology,44(5):1107—1127.[J].琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制,2))))冯晶晶1 赵勇伟1 李 霓1 陈正全1))))王丽竹1 刘永顺2 聂保锋2 张学斌31)中国地震局地质研究所,吉林长白山火山国家野外科学观测研究站,北京 1000292)首都师范大学,资源环境与旅游学院,北京 1000483)天津市地质调查研究院,天津 300191摘 要 文中以琼北峨蔓、海口等地200ka以来喷发形成的38座火山为研究对象,基于GoogleEarth高分辨率遥感卫星影像及ALSO(125m)数字高程模型(DEM)数据,并基于无人机倾斜摄影测DOM)和数字高程模型(DEM)数据,详细测量了锥体形量生成的高精度、高分辨率数字正射像图(hh-态,对其形态进行定性和定量研究。文中提出了一种新的方法:“Sco(火山锥水平截面积)H(锥hh-体山顶至截面垂直距离)法”,可精确分析琼北锥体形态上的差异。研究表明,在ScoH投图中,hhhm=根据曲线的不同,火山锥体总体可分为3类:1)曲线坡度较小,Average(H/Sco)>30~06,区内hhhm=1约有22%的锥体属于该类型;2)曲线坡度较陡,Average(H/Sco)>3,区内约有65%的0~60hhhm=锥体属于该类型;3)曲线坡度最陡,Average(H/Sco)>340~120,区内约有13%的锥体属于该类型。野外地质调查证实,第1类火山锥以罗经盘为代表,由火山砾、火山灰、围岩碎屑构成,具有平行层理,属于凝灰岩环(tuffring)型锥体,为射汽岩浆喷发(phreatomagmaticerutpion)成因。第2类火山锥以马鞍岭为代表,由火山弹、熔岩饼等岩浆爆破成因的火山碎屑组成,属斯通博利型(Strom-bolian)夏威夷型(Hawaii)火山喷发成因。第3类火山锥以笔架岭火山为代表,多由直径>30cm的extrusion)。研究表明,不同喷发类型形成的火山锥具有不同的形态熔岩块构成,推测为侵出成因(hh-特征,这些形态差异可以准确地反映在ScoH曲线中。因此,利用该方法基于火山锥高精度DEM数据可能能够限定火山喷发的类型,这对于高效统计确定大型火山群的喷发类型、评估火山喷发灾害类型和灾害预期提供了一个新的研究思路。关键词 数字高程模型 火山锥体 喷发机制 晚第四纪 琼北中图分类号:P317.3文献标识码:A---文章编号:02534967(2022)051107210 引言雷琼火山群位于中国大陆的最南端,其中包含近200座晚新生代火山,约7300km2的熔----〔收稿日期〕 20210825收稿,20211019改回。〔基金项目〕 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1717)和国家自然科学基金(41872255)共同资助。981年生,博士,副研究员,主要研究方向为火山地质与地球深部化通讯作者:赵勇伟,男,1-学,Email:zhaoyongwei@ies.ac.cn。Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1108地 震 地 质44卷岩覆盖在滨海相沉积物之上(黄镇国等,1994;陶奎元,2007)。现代地球物理探测发现雷琼火山群之下存在上地幔波速异常,可能存在地幔柱(Zhao,2004;Xiaetal.,2016)。火山岩地球化学与同位素地球化学研究认为火山岩浆来源于地幔,并可能有下地幔物质上涌(朱炳泉等,1989;史兰斌等,2003;Zouetal.,2010)。所有上述特征表明,雷琼火山群可能是源于深部地幔的炽热岩浆,藉由地幔柱浮力异常上涌,并侵位于滨海环境之下。独特的岩浆来源与侵位环境预示着雷琼火山群有可能具有不同于中国其他第四纪火山群的火山地质与火山地貌。雷琼火山群独特的喷发环境对火山地貌与喷发动力学具有明显影响,而不同的火山地貌也反映了不同的喷发环境与喷发方式。从20世纪50年代开始,国内大量学者通过野外实地调查、地形图、遥感解译等方法对该区开展了火山地质研究,分析了雷琼火山群的喷发方式、喷发期次、喷发年龄及物质组成等要素。尽管前人提供了一部分火山形貌参数,但受当时的技术条件所限,这些参数提取的来源与标准不清,没有提供精度与误差(韩中元等,1987;黄镇国等,1993;魏海泉等,2003),火山锥体的形态定量化研究比较滞后,制约着火山喷发控制要素和喷发动力学研究。与国内相比,国外对于火山地貌和锥体形态的分析都较为成熟,获取数据的类型丰富、处理方法多样,取得了丰硕的研究成果。国际上自20世纪80年代开始加强对火山锥体形态的锥宽比、研究,最早基于地形图和野外测量,提出了锥高、基底直径、火山口直径、火口宽度/高度/锥宽比、火口破裂方位角等形态测量参数,并将这些定量参数与火山锥的生长、降解过程以及区域构造方面相联系(Porter,1972;Wood,1980a,b;Dohrenwendetal.,1986;Hasenaka,1994)。21世纪以来,随着遥感技术的发展,测量的精度也大大提高。一些学者利用机载干涉雷达、多孔径雷达卫星、LiDARDEM等方法获取了高精度的DEM,对火山渣锥的形态参数、体积和坡度进行了测量,并引入一些其他参数定量描述火山构造(Favallietal.,2005,2009;Dónizetal.,2008;Karátsonetal.,2010)。近十年来,随着无人机航空摄影测量技术的发展,许多学者已经将其应用于火山活动观测、微地貌解译、火山灾害监测与评估等研究领域,国际火山学界也借助高精度卫星影像数据在火山形貌研究上取得了长足的进步,如:利用无人机技术观测火山形态和结构的改变;识别厘米级尺度的熔岩流等特征地貌;识别火山表面形态及获得精确的喷发量等(Darmawanetal.,2018;Favallietal.,2018;Zornetal.,2020)。火山形貌的形成是地质作用与环境作用形成和破坏相互作用的结果。由于这些过程的复杂性,火山的形态和大小各不相同。火山形貌测量学可定量描述火山的形状和大小,为掌握火山的生长历史和演化过程提供相关信息,为判断火山能否再次喷发提供了可读的线索。本文利用无人机倾斜摄影测量技术,结合ALOS125m精度的DEM数据,提取了雷琼火山群中琼北地区晚第四纪(年龄<200ka)火山的三维形貌参数,旨在:1)探索利用新技术手段高效定量提取火山锥形貌参数的技术方法;2)用该方法获得晚第四纪以来琼北火山锥的形态特征数据,探讨其喷发的物理成因。本工作可以为未来火山形貌研究提供切实可行的技术借鉴,研究琼北火山作用可为未来的火山喷发灾害防御决策提供可靠的科学依据。1 地质背景雷琼地区位于欧亚板块的南端,受板块运动和南海海盆扩张的影响,构造、火山活动强22烈,火山岩面积达7000km。其中琼北地区的火山活动最为强烈,面积可达4000km。本区火Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1109山活动自始新世起,到更新世达到高潮,一直延续到全新世。其中,古近-新近纪火山岩除少部分露头外,大部分都隐伏于地下,而第四纪火山岩大多以熔岩台地的形式出露地表,主要分布于海南岛北部近EW向的王五-文教断裂以北的陆域部分,熔岩台地上锥体形态保留完好的约有100余座(邹和平等,1987;申立新,1989;黄镇国等,1995;付建明,1997)。根据前人的研究,琼北第四纪火山岩从早到晚大致分为4期:1)多文岭期,主要分布于临高多文、琼山和11~077Ma),以溢流式喷发形成的熔岩文昌东路等地,喷发时代为早更新世中晚期(距今2被为主,由于受到长期的风化剥蚀,火山锥体大多破坏严重,仅保留少数熔岩锥,如典型的多文岭、岭脚岭等。2)东英期,分布于临高高山岭、定安龙塘、峨蔓等地,喷发时代为中更新世中晚期(距今073~021Ma),以溢流式喷发形成的熔岩流或熔岩被为主,锥体保存相对完好(符启基等,2012)。3)道堂期,主要分布于海口长流、罗京盘、龙桥、白莲等地,喷发时代为11~006Ma),射汽岩浆喷发形成的低平火山口和基浪堆积物分布在杨花、晚更新世(距今0罗京盘、双池岭、儒黄岭等地。4)雷虎岭期,主要分布于琼北石山、永兴等地,喷发时代为全新世,保留的锥体包括马鞍岭、雷虎岭等(樊祺诚等,2004;闫成国等,2013;段政等,2021)。前人的火山岩年代学研究结果表明(图1),琼北地区距今200ka以来喷发过的火山主要分布于峨蔓(东英期)和海口(道堂期、雷虎岭期)(葛同明等,1989;Hoetal.,2000;洒骁等,2013)。这些火山形成的时代较近,保存状况最好,也最能代表未来可能的火山喷发类型。2 数据提取方法琼北火山群早期的锥体形貌测量研究大多依靠地形图测量。这种方法的优点是成本低,可批量测量;缺点是精度低,在室内无法掌握野外火山锥的实际情况,对锥体形态复杂的火山而言误差大。本文探索了新的技术方法,结合多孔径雷达卫星测量与无人机测量各自的技术长处,即基于无人机航空摄影测量获得的数据,与陆地观测卫星(ALSO)获得的地形数据进行Kervynetal.,2007)。利用该方法,我们误差对比,比较2种方法获得的数字高程模型的精度(获取了质量可靠、高精度、高分辨率的火山锥体形貌数据,并在此基础上进行详细的形态学研究。21 数据来源-211 ALSODEM数据-ALSODEM数据来自日本先进陆地观测卫星ALOS搭载的合成孔径雷达(PALSAR)传感器中的相控阵型L波段(波长为236cm)。其优点为覆盖广、时效快、不受太阳照射条件限制,可全天候对地观测,受地物影响范围小,同时卫星发射的微波穿透力强,可穿透云层、植被冠层等,从而获得不受云层和植被影响的质量较高的影像数据。但其也存在数据范围过大、提取地物特征点重叠率不够、部分数据存在空洞和图像精度较低等不足之处。本文的ALSO数据下载于网站①,投影坐标为UTM/WGS84,空间分辨率为125m。212 GoogleEarth影像数据GoogleEarth高清卫星影像数据使用的是分辨率为06~15m的IKONOS影像、QuickBird影像和LandsatETM7影像,高程数据为SRTM提供的空间分辨率为30m的全球高精度高程数①https:∥www.91weitu.com/。Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1110地 震 地 质44卷图1 琼北火山区的地质图及火山群分布特征Fig.1 GeologicalmapoftheQiongbeivolcanicfieldanddistributioncharacteristicsofthevolcanicswarm.a琼北新生代火山岩分布图(据刘建强等(2013)修改);b峨蔓地区火山分布图;c海口地区火山分布图Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1111据。GoogleEarth集成了高清卫星影像和地面高程等数据并显示在三维地球模型上,可快速随意切换观察高度、角度、方向等参数以浏览全球遥感影像,也可清晰地显示植被、岩石等地貌信息。22 无人机数据无人机航空摄影测量以低空无人飞行器的影像传感器获取地面影像,再通过SfM(Struc)方法获取研究区的高精度地形数据。与传统遥感手段相比,无人机航空摄影turefromMotion测量具有成本低、灵活机动、可快速获取高分辨率影像的优点,缺点是受天气和云层影响大、覆盖范围小、穿透力弱、受植被影响大。本文航拍设备为搭载高清云台相机ZenmuseX5s的四旋翼无人飞行器———大疆Inspire2,该无人机可获取2000万级像素的影像。本次实验的飞行相对航高为350m,航向和旁向重叠0%和70%,拍照模式为悬停拍照,共拍摄9013张影像,地面分辨率达2~8cm/pix。率分别为8为了对比航测区域内数据的精度,我们采用差分GPS的GNSSRTK技术获取航测区域内地面控制点的坐标。本文采用AgisoftPhotoscan软件的SfM移动摄影测量(StructurefromMotion)方法处理航测数据,流程包括图像特征匹配及跟踪、生成密集点云、计算测量点的相对坐标和利用地面控制点(GCP)进行空间校正,最终获取数字高程模型(DEM)和正射影像图(DOM),并结合地面控制点对生成的影像进行精度评定(魏占玉等,2015;孙稳等,2019)。23 数据对比为了比较不同DEM数据源的精度,我们将获取的无人机SfM数据与公开的ALSO数据进行了对比,目的是分析2种数据源DEM图像细节的具体表现。对比的内容为相同范围、同比1000)下不同数据源的DEM地貌细节和锥体形态的地形剖面线,结果如图2所示。例尺(2)无人机SfM-DEM的分辨率为2~8cm/pix,明显优于ALSO数据。前者可清通过结果可知:1楚地显示地表形态,通过其能够精细地识别微小的地貌特征。2)在对同一锥体的地形剖面线-刻画方面,无人机SfM-DEM剖面线上出现很多不平滑的、高低起伏的小折线,而ALSODEM剖面线则较为光滑,可以很好地显示出火山锥体的形状。经过分析和图片对比(图2b)发现,SfM-DEM与ALSO数据约有10m的高差,结合3D地形数据分析,确认原因是受到树木高低起伏的影响。因此,无人机SfM-DEM的精度和分辨率优于ALSO数据,能够识别微小的地貌特征,但对大范围的起伏地形进行测量时,可能会受到局部小地形和植被高低的影响。而通过-ALSODEM可以明显地看到大范围内的地形起伏,但该数据对地貌细节的描述较少。对于本文研究的火山地貌而言,火山锥体底径约为几百米到几千米,无人机SfM-DEM数据和ALSO数据的精度相差很小,两者都能满足测量需求。但详细到火山口、熔岩溢出口等几十米的地貌细节时,无人机SfM-DEM数据具有绝对的优势。因此,本文结合二者的长处分别提取火山锥体不同的形态参数,并在野外调查的基础上分析火山喷发过程。3 火山锥体参数的提取方法测量火山锥体形态的第1步是选取火山锥体的空间范围。我们通过2个DEM派生产品———剖面曲率和坡度,结合3D地形数据和GoogleEarth影像数据实现这一过程(Grosseetal.,2012)。坡度指过该点的切平面与水平地面的夹角,表示地表面在该点的倾斜程度。剖面Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1112地 震 地 质44卷图2 不同数据源的火山锥体形态对比图Fig.2 Comparisonofvolcanicconeshapesfromdifferentdatasources.-a100比例尺下SfM-DEM与ALSODEM的细节对比图;bSfM-DOM图与GoogleEarth影像中马鞍岭地区的对比图;20-c在SfM-DEM与ALSODEM数据中雷虎岭同一剖面的对比图曲率是沿梯度线垂直平面上测量的斜率的变化率,其中正极大值表示最大凸度,负极大值表示最大凹度(Wood,1996;Olaya,2009),在生成的边界描述层上手动搜索周围的最佳路径以追)圆锥基底的长轴踪火山锥体的范围。在划定的火山范围内提取以下火山锥体的形态参数:1abWco;2)圆锥基底的短轴Wco;3)火山口的直径Wcr;4)火口破裂方向,即熔岩流流动的方向;5)锥体的高度hco,即最低的地形和最高的锥体边缘之间的高差;6)火山锥体的坡度。提取参数的具体方案为:在ALSO数据中测量火山锥底径的长轴、短轴、锥体高度等范围Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1113较大的参数,用无人机生成数字高程模型(DEM)、正射影像图(DOM)和GoogleEarth影像测量火口直径、火口深度、火口破裂方向等小范围的细节参数。基于上述方案,我们提取了火山锥体的一系列参数(表1),这些参数定量表征火山的大小和形状,为了解不同锥体类型火山的生长和形态提供了重要信息。除以上参数外,前人还常使用Hco/Wco描述锥体形态(Grosseetal.,2009;Rodriguez,2012)。利用Hco/Wco可大致分析锥体的碎屑类型,该方法的优点是便于提取,较为直观,缺点是对于不规则形态的锥体。例如,若锥底非圆形,火口沿起伏高差大,则所提取的参数中人为误差极大,可信度差。由于琼北火山的形态复杂,该方法并不适用。hhh-为了克服Hco/Wco方法的缺点,本文提出了一种新的参数,即“ScoH”。定义参数Hhh=为由锥体任意一点与锥体至高点间的垂直距离(单位为m),Sco即使用锥体中任意一处Hh的点所处的水平面横截锥体之后获得的一系列横截面的面积。在高精度DEM数据的基础上,hhh可以在GIS软件中高效、精确地提取Sco和H。在同一个锥体中,按不同H可提取不同的hhhhh-Sco。以H高度为自变量,每隔10m取一个Sco值,可获得一系列ScoH数值,同一锥体在hh-ScoH直角二维投图上可投影出多个点。本文用二次曲线拟合法将其拟合为曲线,该曲线即可代表该锥体的形态特征。通过该方法可处理任意形态的锥体,并避免上述Wco/Hco方法中的人为误差。4 参数数据分析本文选取的38个火山锥主要分布于海口永兴、石山、儋州等地。这些火山基底的直径(Wco)(图3a)为130~2000m,中位数为422m,平均数为598m。其中,锥体底径为200~1000m的居多,基底直径>1000m的锥体大多为低平火山口。锥高(Hco)(图3b)的范围为4~,中位数为25m,平均数为30m,高度多集中于10~50m,呈宽缓的正态分布,锥高>50m90m的火山锥较少。研究区内大多数火山仅有1个火山口,只有少数几个锥体有1个以上火山口,如马鞍岭和吉安岭。单火口的火山是一次喷发形成的,而多火口则为火山喷发时间相隔很近°~30°,坡度整体偏缓。我们或喷发位置改变而形成的。火山锥体的坡度范围比较宽泛,为4在Hco/Wco图中(图3c)可以看到,大多数火山参数比较分散,没有较好的规律,从图像上很hh-难区分出不同类型的锥体。与之不同的是,在ScoH投图中,火山锥体的曲线可显著分为3hhhm=类(图4):第1类,曲线坡度较小,Average(H/Sco)>30~06,所有火山中约有22%的锥hhhm=体属于该类型;第2类,曲线坡度较陡,Average(H/Sco)>310~60,共计约65%的锥体hhhm=属于该类型;第3类,曲线坡度最陡,Average(H/Sco)>340~120,约有13%的锥体属于该类型。5 火山锥体的类型及堆积特征hh-如上所述,琼北火山锥的形态各异,在ScoH曲线投图中,锥体可分为3种不同类型。通过野外调查火山锥体的物质组成,可以确认这3类火山分别对应不同的喷发成因,下文将进行详细介绍。51 射汽岩浆成因该类火山锥主要由具有平行层理的火山砾、火山灰、围岩碎屑构成,属于凝灰岩环(tuffCopyright©博看网. All Rights Rerved.
表1 研究区的火山参数表1114Table1 Parametersofvolcanoesinthestudyarea时代全新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世全新世碎屑锥多重火山锥碎屑锥低平火山口多重火山锥6501656167338589低平火山口1302碎屑锥21817811335341509142323534碎屑锥677565低平火山口520152198133229381045555094碎屑锥41337731碎屑锥53834748混合锥25619010127162混合锥181162565混合锥342319110.030.030.040.090.080.040.010.060.020.040.020.060.130.090.150.160.240.390.36低平火山口182818012013660.01熔岩锥984830230.020.75混合锥24014360.03混合锥13611840.03混合锥23517414630.060.27111111111111111(2)11111553033829038723043873151562851601571864碎屑锥327282100.031碎屑锥365258131450.040.40157111熔岩锥11641062300.03177低平火山口10661012395530.040.6011026混合锥274223150.05131212混合锥340278210.0612225混合锥865820492940.060.3415812类型aWco/mbWco/m火山名称地点坐标Hco/mWcrHco/WcoWcr/Wco火口数火口破裂方向/(°)平均坡度/(°)雷虎岭海口永兴19°52′21″N,110°15′18″E群众岭海口永兴19°52′13″N,110°15′34″E群修岭海口永兴19°52′29″N,110°15′11″E罗经盘海口永兴19°50′34″N,110°15′48″E永茂岭海口永兴19°51′11″N,110°16′47″E群香岭海口永兴19°51′19″N,110°15′21″E谷墩岭海口永兴19°51′12″N,110°15′30″E卧牛岭海口永兴19°54′36″N,110°14′19″E群仙岭海口永兴19°52′01″N,110°14′15″E昌甘岭海口永兴19°51′47″N,110°14′36″E卜亚岭海口永兴19°51′21″N,110°18′23″E儒黄岭海口永兴19°51′32″N,110°15′58″E地 震 地 质那墩岭海口石山19°53′37″N,110°13′58″E儒群岭海口石山19°53′52″N,110°13′55″E浩昌岭海口石山19°53′48″N,110°13′22″E美社岭海口石山19°55′22″N,110°13′11″ECopyright©博看网. All Rights Rerved.
昌道岭海口石山19°54′53″N,110°13′09″E双池岭海口石山19°56′46″N,110°11′15″E道堂岭海口石山19°56′53″N,110°10′36″E阳南岭海口石山19°54′52″N,110°13′36″E石岭海口石山19°56′44″N,110°15′03″E吉安岭海口石山19°56′42″N,110°11′48″E杨花岭海口石山19°56′42″N,110°10′24″E儒才岭海口石山19°56′02″N,110°12′16″E包子岭海口石山19°55′55″N,110°12′48″E44卷风炉岭海口石山19°55′39″N,110°12′51″E
5期续表1时代晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世晚更新世混合锥41834870混合锥40122450混合锥348300700.200.120.17混合锥576444900.16混合锥426418430.10碎屑锥754428680.09熔岩锥911714280.03熔岩锥17221582470.0311111111碎屑锥431372170.0419519545碎屑锥703686270.04172碎屑锥248209220.091131碎屑锥316270210.071(2)214类型aWco/mbWco/m火山名称地点坐标Hco/mWcrHco/WcoWcr/Wco火口数火口破裂方向/(°)平均坡度/(°)国群岭A海口石山19°55′31″N,110°13′45″E国群岭B海口石山19°55′20″N,110°13′45″E神岭海口石山19°51′47″N,110°09′40″E玉库岭海口石山19°56′41″N,110°12′19″E德义岭海口儋州19°47′09″N,109°11′36″E莲花岭海口儋州19°47′21″N,109°10′16″E春历岭海口儋州19°50′59″N,109°17′41″E笔架岭A海口儋州19°51′25″N,109°17′15″E笔架岭B海口儋州19°51′38″N,109°17′13″E笔架岭C海口儋州19°51′48″N,109°17′13″E笔架岭D海口儋州19°51′52″N,109°17′19″E冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制Copyright©博看网. All Rights Rerved.
笔架岭E海口儋州19°51′52″N,109°17′17″E1115
1116地 震 地 质44卷图3 火山锥体锥高(Hco)与底径(Wco)的分析对比图Fig.3 Comparativeanalysisofconeheight(Hco)andbasediameter(Wco)ofvolcaniccone.a基底直径(Wco)的统计柱状图;b锥高(Hco)的统计柱状图;c不同类型火山锥体的锥高/底径(Hco/Wco)分布图Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1117hh-图4 不同类型火山锥体的ScoH图hh-Fig.4 ScoHdiagramofdifferenttypesofvolcanicconesa第1类;b第2类;c第3类ring)型锥体;火山锥体的基底较大,直径一般>1000m,火山口一般呈圆形或近圆形的平底洼地,直径>1000m。内坡坡度约为5°,内、外坡两侧呈低而近似相等的坡度。它是一种较为特殊的火山活动,为高温岩浆在上升过程中与水反应,产生大量的水蒸气导致的爆炸式喷发,即Sheridanetal.,1983;Lorenz,2003;孙谦等,2005),其产物为围岩或岩浆的碎射汽岩浆爆发(屑,紧贴地面呈放射状向火山口外侧扩散,之后堆积形成基浪堆积物(图5a)。Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1118地 震 地 质44卷图5 3种不同喷发成因的火山锥体结构简图Fig.5 Schematicdiagramofvolcanicconestructurewiththreedifferenteruptioncause.a射汽岩浆成因;b岩浆爆破成因(夏威夷式);c侵出成因以罗经盘为例(图6a,b),锥体主体由凝灰岩组成,可见交错、波状层理。其火山底径为1066m,高程为93m,比高36m,火山口近圆形,较为平坦,直径约为553m,多被开垦为农田。在其中心处有一个残存的高7~8m的熔岩丘,火口周围有火山碎屑岩和火山喷发抛射出的围000)。罗经盘锥体的物质组成表明其前期以剧烈的岩及下伏地层的角砾碎块岩(刘嘉麒等,2射汽岩浆爆炸为主,后期逐渐转弱为岩浆爆破喷发和溢流喷发,2种喷发方式之间的转换可能与地下水和岩浆的相对通量有关。52 岩浆爆破成因该类火山锥由火山弹、熔岩饼等岩浆爆破成因的火山碎屑组成,整体结构比较松散,形态上以圆形、椭圆形为主。锥体面积小,坡度约为15°~30°。岩浆爆破成因的火山是因岩浆气体的释放导致的玄武岩爆破喷发,通常表现为斯通博利式喷发、夏威夷式喷发(图5b),或为2种端元的过渡型喷发。以马鞍岭为例(图6c,d),其锥体是由火山渣、火山弹、火山灰、火山角砾岩组成的典型火山碎屑锥。马鞍岭由主锥风炉岭和2个次级火山锥包子岭组成,火口的形状似马鞍形(白志003)。其中风炉岭的体积较大,为主锥,其高程为222m,底径为589m,锥高55m,坡达等,2度为20°~30°,有一漏斗状火口,直径为94m,深36m,火口缘宽2~3m,内坡约为40°~65°,熔岩溢出口方向为N40°E;在主锥西南约500m处为包子岭,规模较主锥小,高程为189m,锥高40m,有一圆形火山口,内径为90m,深6m。马鞍岭的锥体下部为松散的火山碎屑堆积,上Strombo部为砖红色熔结集块岩及碎屑熔岩。由组成物质可知,火山喷发早期以斯通博利式(lian)弹道爆破喷发为主,形成渣锥;喷发后期向夏威夷式(Hawaii)喷发过渡,熔岩喷泉形成锥体顶部的溅落锥。53 熔岩侵出成因该类火山锥的底部为厚层熔岩台地,台地之上的锥体面积小、高度较大、坡度较陡,这与一般低矮盾形的熔岩锥特征不同。其通常由巨大、致密的块状熔岩堆积形成,锥体外貌总体呈圆丘状或鱼脊状。以笔架岭为例(图6e,f),其自西南到东北由连续的5个火山(A—E)排列形成。笔架岭B是5个锥体中最大、最陡的锥体,底径长轴长576m,短轴长444m,高程为208m,锥高90m,坡度为30°。锥体顶部出现直径>1m的薄层结壳熔岩碎片,然而锥体底部却由不规则棱角状、直径为30~50cm的熔岩块构成。推测火山喷发时熔岩流速较慢,表壳先行冷却,下面的熔岩Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1119图6 琼北第四纪火山的地质地貌特征图Fig.6 GeologicalandgeomorphologicalcharacteristicsoftheQiongbeiQuaternaryvolcanoes.a罗经盘火山口地形(DEM)的渲染图;b罗经盘火山口;c马鞍岭火山锥体;d马鞍岭火山口内壁溅落成因的熔结集块岩;e笔架岭锥体剖面;f笔架岭堆积的块状熔岩仍在缓慢流动,在表层薄弱的地段挤出,炽热的熔岩在冷却收缩和挤压力的作用下发生破裂。extru由此可推测,该火山作用发生时岩浆温度较低、黏度较大,受到压力作用发生熔岩侵出(sion),由于岩浆通道受到强大的挤压力,导致其外壁或顶部破裂,一些岩浆不断侵出,从而形018)。成边坡陡峭的熔岩山脊和侵出岩丘(赵勇伟等,2上述研究表明,不同喷发类型形成的火山锥具有不同的形态特征,这些形态差异可以准确hh-地反映在ScoH曲线中。利用该方法,可能能够通过火山锥高精度DEM数据限定火山的喷Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1120地 震 地 质44卷发类型,这有利于高效统计确定大型火山群中的喷发类型,并评估火山喷发灾害的类型和灾害预期。6 火山喷发的特征火山渣锥(cindercone)是岩浆爆破成因最常见的火山地貌,也是研究最多的火山锥体形态Settle,1979;DónizPáez,2015;Uslularetal.,2021)。琼北第四纪火山多为小体积的单成因(火山,火山大多为火山渣锥。然而,我们发现琼北火山的锥体形态特征显著区别于前人所归纳的世界各地的火山渣锥。本文对前人结果与琼北火山锥体的形态参数进行比较,以分析琼北火山独特的喷发方式。火山渣锥通常为碗状火口的小圆锥形火山,它是由火山爆破式喷发形成的松散碎屑落在火口附近堆积形成的角度陡峭的锥体。典型的年轻火山渣锥基底直径(Wco)的范围为025~(平均为09km),其与火山口直径(Wcr)、锥底高度(Hco)三者之间呈恒定的线性关系:25km==04和H018Wcr/Wcoco/Wco(Porter,1972;Wood,1980b)。根据这一线性关系可计算出理hhhh2h2=××++18/251/3002co、H间的函数关系为ScoHWcoHWco,并根据这一函想锥体Sπππ数关系在二维图中绘制函数曲线。琼北火山渣锥的基底直径(Wco)范围为013~2km(平均为06km),Wcr/Wco<04,Hco/Wco系数的平均值为006,与上述理想渣锥相比,基底直径、锥体高度都相对较小。从hh-ScoH曲线(图7)中能更加直观地看到琼北火山的锥体高度相对理想渣锥曲线的锥高(Hco)hh更小,但在特定H高度的Sco面积更大,这反映了琼北火山坡度较缓,与斯通博利式喷发产生的典型火山渣锥不同。由上述火山锥的组成物质可知,琼北火山群岩浆爆破式喷发方式既有夏威夷式喷发,又有hh-斯通博利式喷发。通过ScoH对比可以确定琼北岩浆爆破成因的火山锥体(第2类)大多与典型的斯通博利式喷发形成的火山渣锥形态不同,其相对较缓的坡度及构成锥体的大量熔结集块岩表明喷发方式更接近夏威夷式喷发。据此我们推测,琼北火山群岩浆作用成因的火山喷发方式以夏威夷式喷发为主,兼有斯通博利式喷发。在火山喷发的规模方面,琼北火山锥体明显较小。综合以上喷发特征可知,相较于典型的大陆板内单成因火山渣锥(如中国大陆内部的第四纪火山),琼北火山岩浆通道系统输送岩浆的速率不高,原始岩浆中挥发份含量较低。这些特征与传统意义上的地幔柱成因的火山并不一致,其形成原因值得未来作进一步研究。7 结论通过对琼北火山群的野外地质研究,并结合高精度数字模型及影像证据,本文取得了以下认识:1)卫星遥感影像ALSO(125m)的高精度数字模型(DEM)数据与无人机倾斜摄影测量生(成的高精度数字模型(DEM)数据相比,对于火山锥体形态参数的测量数值在可允许的误差范围内。hh2)本文提出一种新的参数———Sco/H以描述锥体形态,基于该参数可精确分析琼北锥(hh-体在形态上的差异。研究表明,在ScoH投图中,根据曲线形态可将火山锥体总体分为3hhhm=类:1)曲线坡度较小,Average(H/Sco)>30~06,该类火山锥属于凝灰岩环型锥体和熔岩Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1121图7 琼北地区火山渣锥与理想火山渣锥的对比图Fig.7 ComparativemapofvolcaniccinderconesandperfectvolcaniccinderconesinQiongbeiarea.hh-a火山渣锥与理想火山渣锥的Hco/Wco图;b火山渣锥与理想火山渣锥的ScoH图Copyright©博看网. All Rights Rerved.
1122地 震 地 质44卷盾,分别为射汽岩浆喷发成因和夏威夷型火山溢流成因;2)曲线坡度较陡,Averagehhhm=(H/Sco)>3,该类火山锥属于斯通博利型-夏威夷型火山喷发成因;3)曲线坡度10~60hhhm=最陡,A40~120verage(H/Sco)>3,该类火山锥推测为侵出成因。(3)本文研究表明,火山形态测量法可以用来获取火山喷发过程中的一些信息,有助于更精确和定量地对火山进行分类、表征火山的形状演化趋势,这种分类及其演化趋势的解释为研究相关的喷发机制提供了新的方法。参考文献白志达,徐德斌,魏海泉,等.2003.琼北马鞍岭地区第四纪火山活动期次划分[J].地震地质,25(S1):12—20.BAIZhida,XUDebin,WEIHaiquan,etal.2003.DivisionoftheactiveperiodofQuaternaryvolcanismin,northernHainanProvince[J].SeismologyandGeology,25(S1):12—20(inChinese).Maanling段政,张翔,周翠,等.2021.琼北地区第四纪火山地质遗迹类型与地学意义[J].地球学报,42(1):111—123.,ZHANGXiang,ZHOUCui,etal.2021.CharacteristicsandgeologicalsignificanceofQuaternaryDUANZhengJ].ActaGeoscienticaSinica,42(1):111—123(inChinese).volcanicgeoheritagesinnorthernHainanIsland[樊祺诚,孙谦,李霓,等.2004.琼北火山活动分期与全新世岩浆演化[J].岩石学报,20(3):533—544.FANQicheng,SUNQian,LINi,etal.2004.PeriodsofvolcanicactivityandmagmaevolutionofHoloceneinnorthJ].ActaPetrologicaSinica,20(3):533—544(inChinese).HainanIsland[付建明.1997.琼北新生代火山作用与构造环境[J].桂林工学院学报,17(1):27—34.J].JournalofGuilinFUJianming.1997.CenozoicvolcanismandtectonicsettingsinnorthernHannanIsland[,17(1):27—34(inChinese).InstituteofTechnology符启基,沈金羽,林才.2012.海南省笔架岭火山口及峨蔓湾地质遗迹景观开发初探[J].资源环境与工程,26(6):641—644.FUQiji,SHENjinyu,LINCai.2012.DiscussionondevelopmentofgeologicalreliclandscapeofBijialingcraterandJ].ResourcesEnvironmentandEngineering,26(6):641—644(inMindanaoManBayinHainanProvince[Chinese).葛同明,陈文寄,徐行,等.1989.雷琼地区第四纪地磁极性年表火山岩钾-氩年龄及古地磁学证据[J].地球物理学报,32(5):550—558.,CHENWenji,XUxing,etal.1989.ThegeomagneticpolaritytimescaleofQuaternaryforLeiqiongGETongming-region:TheKArdatingandpalaeomagneticevidencesfromigneousrocks[J].ChineseJournalofGeophysics,32(5):550—558(inChinese).韩中元,张仲英,刘瑞华,等.1987.海南岛北部火山地貌[J].热带地理,7(1):43—53.,ZHANGZhongying,LIURuihua,etal.1987.VolcanicgeomorphologyofnorthHainanIslandHANZhongyuan[J].GeographyofTropicalZone,7(1):43—53(inChinese).黄镇国,蔡福祥,韩中元,等.1993.雷琼第四纪火山[M].北京:科学出版社.,CAIFuxiang,HANZhongyuan,etal.1993.QuaternaryVolcanoofLeiqiong[M].ScienceHUANGZhenguoPress,Beijing(inChinese).黄镇国,蔡福祥.1994.雷琼第四纪火山活动的新认识[J].热带地理,14(1):1—10.,CAIFuxiang.1994.AnewapproachtotheQuaternaryvolcanicityintheLeiqiongarea[J].HUANGZhenguoCopyright©博看网. All Rights Rerved.
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1126地 震 地 质 44卷CONEMORPHOLOGYANDERUPTIONMECHANISMSOFTHELATEQUATERNARYVOLCANOINNORTHERNHAINANISLAND1,2)1)1)1)FENGJingjing ZHAOYongwei LINi CHENZhengquan1)WANGLizhu 2)2)3)LIUYongshun NIEBaofeng ZHANGXuebin1)InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing 100029,China2)CollegeofResourcesEnvironmentandTourism,CapitalNormalUniversity,Beijing 100048,China3)TianjinInstituteofGeologicalSurvey,Tianjin 300191,ChinaAbstractMorethanonehundredvolcanoeseruptedinthenorthernHainanIsland(NHI)duringthePleistoceneandHolocene.Withvariedvolcaniceruptiontypes,andwellpreservedvolcanicedifice,thesevolcanoesareidealforstudyingtheQuaternaryvolcanicgeologyandconemorphology.Weselectedatotalof38volcanoesinNHIwitheruptionagelessthan200000yearsassamples.Basedontheunmannedaerialvehicle(UAV)tiltphotographytechnology,wegotthehighprecisionandhighresolutiondigitalorthophotomap(DOM)anddigitalelevationmodel(DEM)dataforthesevolcanoes.CombinedwithGoogleEarthhighresolutionremotesensingsatelliteimageandALSO(125m)digitalelevationmodel(DEM)data,thesedataprovidethewaytoquantitativelymeasureandstudythehigh,themethodofHco(heightofcones)/Wco(conebaseprecisionconemorphology.Previouslydiameter)iscommonlyusedtoanalyzetheshapeofcone,whichisdifficulttoextracttheinformationofirregularcones.Whenthevolcanicconeisnoncircular,ortheelevationofcraterrimsisnotuniform,themorphologyparametersfromartificialextractionhavepoorreliability.So,thispaperhhproposesanewmethod,the‘Sco(horizontalsectionalareaofvolcaniccones)vsH(verticaldistancefromthetopoftheconetothecrosssection)′toaccuratelyanalyzethemorphologychangeofconesinnorthernHainanIsland.Thismethodhastwoadvantages.Firstly,itcandealwithconesofanyshapetoavoidartificialerrors.Secondly,itcanconvenientlyfiltertothegreatestextenttheinterferencefactorssuchasunevenweatheringandconeundulationcausedbysurfacevegetation,sothattheoriginalmorphologicalcharacteristicsoftheconecanbequantitativelydisplayed.Applyingtheabove,weaccuratelyanalyzedtheconemorphologyintheNHI.Itisindicatedthatvolcanicconesmethodhhcouldbedividedintothreegroupsinthe′ScovsH′projectiondiagram.Thefirstgroupwiththehhhm=average0~06(H/Sco)>3,andabout22%oftheconesbelongtothistype.Thesecondgrouphhm=(Hh/Sco)>310~60,andabout65%oftheconesintheareabelongtothiswiththeaveragehhhm=group.Thethirdgroupwiththeaverage(H/Sco)>340~120,andabout13%ofconesbelongtothisgroup.Fieldgeologicalsurveyconfirmedthatthefirstgroupvolcanicconeiscomposedofvolcanictuffwithparallelbedding,asrevealedbytheLuojingpanvolcano,whichisatuffringcone.Copyright©博看网. All Rights Rerved.
5期冯晶晶等:琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制1127Phreatomagmaticeruptionisthemajorvolcanisminthisgroup.Thesecondgroupofvolcanicconeiscomposedofloosescoriaoragglomerate,asrepresentedbyMaanlingvolcano.TheStrombolianHawaiivolcaniceruptionproducedthistypeofcones.Thethirdgroupofconesissimilartolavadomeandmadeofblocklavaswithdiameterusuallygreaterthan30cm,asexemplifiedbyBijialingvolcano;thereforeitisinferredtobethemagmaextrusionorigin.Alllinesofevidenceindicatethatvolcanic,whichareconesformedbydifferenteruptiontypesexhibitdifferentmorphologicalcharacteristicshhaccuratelyreflectedinthe‘ScovsH’diagram.Therefore,itispossibletousehighprecisionDEMdataofvolcanicconetoconstrainvolcaniceruptiontypethroughthismethodKeywords digitalelevationmodel,volcaniccone,eruptionmechanism,LateQuaternary,Qiongbei〔作者简介〕 冯晶晶,女,1996年生,2018年于河北地质大学获得理学学士学位,现为首都师范大学与中国-地震局地质研究所联合培养自然地理学专业在读硕士研究生,研究方向为自然地理学,Email:18732172375@163.com。Copyright©博看网. All Rights Rerved.
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