长白山天池火山千年大喷发期后火山泥石流沉积特征及其源-汇响应关系

• 作者: 唐华风 武成智 王寒非 王文华 王璞珺 衣键 许伟东 陈海潮
• 来源期刊: 岩石学报
• 学科: 地球科学
• 关键词: 长白山火山千年大喷发 火山岩渗透率 天池积水数学模拟 岩屑和浮岩泥石流 源-汇响应
• 年，卷（期）: 2020,（9）
• 页码范围: 2893-2911
• 页数: 19页
• 分类号: P317
• 语种: 中文
• DOI: 10.18654/1000-0569/2020.09.17

摘要

源于长白山天池地区的火山泥石流沉积可分为粗碎屑岩块(岩屑)泥石流和细碎屑浮岩泥石流,它们沿二道白河和松花江水系搬运的路径为从距天池火山口40km的三合水电站经过丰满大坝(360km)和吉林市(380km)到小白旗屯(450km),形成广泛的沉积区域.这两类火山泥石流的沉积成因有两种解释:一是形成于千年大喷发同期,是由一次性洪水事件搬运和沉积形成的;二是形成于千年大喷发期后经过多次搬运和沉积的产物.两个模式的共同问题是都没有考虑天池当时是否有水及其蓄水过程.后一模式在某种程度上,还回避了导致岩屑与浮岩两类泥石流频繁互层的沉积物源和水动力条件以及二者的转换机制,而这恰恰是关于泥石流沉积成因的基本要素.通过重新研究火山泥石流经典剖面(位于天池西北57.73km的水田村),作者发现本区火山泥石流沉积存在明显的物源剥蚀区与沉积堆积区的反剖面关系.即无论是粒径32～500mm的粗碎屑还是0.0625 ～ 16mm的细碎屑,成分自下而上(或沉积早期到晚期)呈现规律性变化:剖面下部的碎屑成分以浮岩为主(浮岩在物源区位于顶部),向上粗面岩和玄武岩明显增多(在源区它们位于浮岩之下),而沉积序列上部的碎屑成分是在物源区处于较深层位的岩脉辉绿岩和基底流纹岩.整个序列碎屑成分的沉积分异特征明显.沉积构造和岩相组合特征显示,该火山泥石流剖面的下部和上部碎屑粒度细、分选较好、成层性好、水平状层理发育,主要表现为环境较为稳定的以地面径流为主的河流相和末端扇相背景沉积;中部粒度粗、成层性差、主要表现为突发性洪水作用导致的洪积相事件沉积.沉积序列中频繁出现的冲刷面构造指示水流强度曾出现周期性的快速增加.自下而上冲刷面规模由小变大再变小,指示水流强度由弱变强再变弱.为了探讨天池的积水条件和蓄水过程,作者基于达西定律和质量守恒原理,模拟计算降水量、蒸发量、地表径流量、火山机构整体的平均渗透率和天池积水速率之间的关系.结果 显示,当天池火山机构平均渗透率高于6mD(毫达西)时,天池地区降水量减蒸发量即使高达2000mm/y,水亦会全部渗流而出,因此天池不存在积水环境.当降水量减蒸发量小于1500mm/y时,则天池火山体平均渗透率需要小于4mD,天池才可能在200年之内集满现今的水量.当天池降水量减蒸发量小于1000mm/y时,天池火山体平均渗透率需要小于2.5mD,天池才可能在200年之内集满现今的水量.将水田村火山泥石流沉积序列与天池蓄水过程计算结果加以对比,我们提出本区火山泥石流沉积序列的另一种成因解释:(1)这是形成于千年大喷发之后的以地面径流或河流为主的背景沉积与洪水导致的突发性事件沉积互层的序列;上部和下部的细碎屑层主要表现为背景沉积,中部的粗碎屑岩块泥石流主要表现为洪流事件沉积.(2)下部的背景沉积可能对应于天池千年大喷发之后的持续积水过程,时间可能不少于200年;而上部的背景沉积则对应于本区的水系和地貌逐渐稳定并接近于现今条件的稳定型河流沉积.结合天池北坡和西坡古老树木年轮指示的沙松冷杉生长年代(公元1749-1768)同时考虑松柏类植物对水系和地貌稳定性较为敏感等因素,推测上部沉积环境趋于稳定的时间应该不晚于公元十八世纪初.