火山学与环境_陶奎元

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1、1997年火山地质与矿产VOLCANOL(XY尽MINE RAI洲RES( URCES第十八卷第一号Vol.18No.1火山学与环境淘奎元赵宇(南京地质矿产研究所,南京210 0 16 )内容提要针对当代地质科学转型,拓宽服务 须域之趋势,提 出火山学与环境 地质学科交叉形成的 生长点一火山环境地学。火山活动以其高温有毒气体、炽热熔岩流、高温火山碎屑流、空落火山灰云、火山 泥石流、伴随火山活动的地震与海啸 等形 式给 人类造成灾害,近40 0年全球 有2 6.5万人丧生于火山活动。火山事件还彭响全球气候及 生态环境,造成气温、降雨量异常、大气污染、臭氧层被破坏、加剧温室效应及厄尔尼诺现象等,危

2、及人类生存空间和环境。提 出火山灾害的评估与监测、火山环境地学研究思路、发展目标及 有待研究的问题,旨在推动这一学科的发展。关键词火山与环境火山灾害与危害评沽与监测研究思路1问题的提出一火山学学科的发展火 山不仅是全球性的重要地质作用,而且还被誉为太阳系 内各星球的最重要地质 作用川。火山活动的发生、发展和停息之全过程与岩石圈、水圈、生物圈和大气圈均有着密切关联。火山岩浆来自地慢和地壳,是岩石圈内部各层圈相互作用的产物。它带来岩石 圈物质的直接信息,人们视之为天然 的深钻和岩石 圈的探针。火山爆发 的驱动力与地球动力学有着密切的联系,因此将火山学作为研究地球动力学的重要支柱之一。火山学与大地构

3、造学和深部地质学的交叉形成大地构造火山岩石学。火山活动常常带来有用的成矿物质和热源,从而形成与火山有关的金属、非金属、宝玉石和自然景观资源。火山学也是有关矿床成因研究的基础,众所周 知,现代火山地热成矿 作用为人类认识乃至探测古火山低温浅成热液矿床一斑岩型矿床提供了重要的借鉴。另一方面,火山喷发所携带的岩浆物质以及气体进入大气圈、水圈和生物圈,它门之间的相互作用直接或间接地影响和改变人类的生存环境,其后果有不利的一面,也有有利的一面。因此,在火山学、环境科学和全球变化地质学之 间产生了新的学科生长点一火山环境地学。国内外的有识之士提出地质科学前沿研究重点“正从勘查和开发资源转移到全球与区收稿日

4、期:199 7一01一17改回 日期:19 9 7一01一28第一作者简介:陶奎元,男. 1934年生,大学本科,研究 员。中国地质科学院火山地质与矿产研究中心首席科学家,专著有:火山岩相构造学、火山岩等。火山地质与矿产19 97年域规模环境和社会问题上来。”图肖庆辉等指出“当代地质科学正处在战略转移或转折期,从矿产型拓宽到社会型,环境与全球变化地质学具有强大的生命力” z 。火山活动对人类生存空间和生态环境起着不可忽视的影响和危害作用。当今地质科学研究的目标是了解地球系统的过去、现今和未来。研究地质历史时期的火山及其对环境的影响,有助于预测未来火山爆发之可能性及其产生影响之大小。火山学不仅要

5、努力与地球动力学及火山岩区矿床的研究和预测相互渗透和结合,进一步发挥这一学科的应有作用,同时,要响应当今地质科学服务于社会领域的要求,开拓火山环境地学研究,以及在一些由火山形成的具有全球地质意义及独特 自然景观的地区开展申报世界 自然与文化遗产的研究工作。这些都是不应忽视的新颖研究领域。火山环境地学旨在通过火山学与其它 自然科学的交叉应用,研究过去和现今火山活动 并预测未来火山爆发之可能性以及火山活动对气候、生态环境的危害并寻求减轻危害的相应措施等。中国不仅广泛分布地质历史时期的火山,而且也有许多近 代历史记载的火山活动。这些火山为什么会爆发?在何种构造动力学环境下爆发?火山爆发对于区域乃至全

6、球性规模之气候、生态环境,包括气候、土壤、地热水和生态甚至某些生物的死亡以至灭绝等等方面的影响之大小?等待着人们去研究。本文就火山活动对气候、生态环境之破坏作用以及火山危害的评估作一综述,并提出火山环境地学研究思路与框架。2火山灾害一人类的历史教训2.1火山灾害近50 0年来世界上有50 0多次火山爆发,近40 0年来死于火山活动的人数达2 6.5万。从公元7 9年至19 91年有 1 8次较大规模火山活动,所造成人员死亡情况如下,火山灾害之严重性可略见一斑 1 ,3,叼。公元7 9年8月2 4日,意大利那不勒斯 附近的维苏威火 山爆发,庞贝城和赫库兰尼姆城被空落的火山碎屑湮没,20 0 0余

7、人丧生。116 9年,埃特纳火山喷出的熔岩流摧毁 了卡塔尼亚城,造成1.5万人死亡。1792年,日本普贤岳火山爆发,同时引发6.4级地震和海啸,使1.5万人丧生。1812年,圣文森特 岛上的苏弗里耶尔火山爆发,7 5人因之丧生。181 5年4月,印尼松巴哇岛坦博拉火山爆发,从松巴哇到150 km远的兰博克地区,农作物完全被毁,两地共有9.2万余人死于火山活动以及随之而来的饥荒和疾病。188 3年8月 2 6日,印尼喀拉喀托火山喷发引起巨大海啸,造成邻近的爪哇和苏门答腊3.6万居民丧生。1902年4月 2 0日,法属马提尼克 岛培雷火山爆发,圣皮埃尔城被火山碎屑流掩没,城里约2.9万人丧生,被称

8、为“现代庞贝”。19 02年5月7日,圣文森特岛上苏弗里耶尔火山爆发,造成2000余人丧生。1 9 1 1年,菲律宾塔阿尔火山喷发,130 0人死亡。191 9年,爪哇克拉特火山爆发,火山口湖水喷射引发泥石流,夺走3.5 5万人的生命。1 9 5 1年1 2月4日,菲律宾海博克一海博克火山喷发,炽热的火山灰流夺走了曼巴豪城5 0。人的生命。第十八卷第一号火山学与环境1 9 6 3年1 2月9日,哥斯达黎加的伊拉苏火山喷发,随后的大雨引发了泥石流,湮没了1Ikm外的雷文塔达城,2 0余人丧生,经济损失达3 5。万美元。1 968年,哥斯达黎加阿雷纳尔火山爆发,炽热的火山灰云掩没了1 3k澎地区,

9、包括了两个村庄,夺走7 8人的生命。198。年5月1 8日,美国圣海伦斯火山爆发,导至 5 7人丧生。1982年,印尼喀拉贡火山复活,喷发大量火山碎屑,伴随的泥石流使5 7人死亡,9.5万人无家可归,经济损失达1亿美元。1985年n月,哥伦比亚鲁伊斯火山爆发,随后泥石流吞没了 6 0km之外的阿尔梅罗市,2.2万人被活埋,1万余人无家可归。1 98 6年8月,喀麦隆尼奥斯火山仅是小规模喷发气体,正是这些有毒气体夺走了山脚下1 7 0 。余人的生命。1991年6月,菲律宾皮纳 图博火山爆发,大量火山灰使得该区数天蔽不见日,4 0。余人丧生,4 0万人失去了家园。本文撰稿期间,据新华社19 96年

10、1 2月3日电,墨西 哥波波卡特佩特火山于1996年1 1 月29日爆发,是近两年来最为猛烈的一次,并伴随3一4级地震。该火山距墨西哥城仅8o km,火山脚下已驻扎军队,做好帮助城里3 0余万居民在火山全面爆发前的撤离准备。2.2火山灾害类型丫从上列火山活动带给人类的灾难看,火山灾害可以分为六种类型:高温有毒气体;炽热的熔岩流;高温高速火山碎屑流;空落的火山灰云;火山泥石 流;伴随火山活动的地震与海啸。一次或一个地区的火山活动常有多种灾害叠加,破坏人类正常生活环境,造成人类生命财产严重损失。表1为主要的火山喷发类型和代表性危害及其危害范围。2.2.1火山气体火山气体包括 火山喷发时释放的水蒸气

11、及同时逸出的COZ、C O、S()2、5 03、HZs、HC I和HF等气体物质。火山气体 的释放主要有以下三种方式:由小型喷气孔喷发;从主要火山通道中逸出;由熔岩流或火山碎屑流 中释出。火山气体的传播赋存方式也分三种:以酸性气溶胶形式在空气中传播;附着于火山碎屑颗粒表面;以微盐粒的方式迁移,其 中卤族和硫化物微粒主要悬浮于空气中传播,因此在某种意义上说,也属气溶胶方式。火山气体中有毒气体主要为H F、NH3、HZS、C I:、(:( )、C OZ等。这些气体可以对生物 造成极其严重之危害。例如,由CO:等组成 的碳酸质气体浓集于火山口附近的低洼地区往往形成“死塘”,使困于其中的动物窒息而亡。

12、火山气体 中氟的危害最早于169 4年由冰岛的一位农场主记录所证实。他 的住地距离海克拉火山1 2o km,当年火山喷发后该地区空落的火山灰厚度不超过3一4m m,而当年冬天绵羊 的牙齿上开始出现黄色和黑色的斑点,牙齿变得如同木质般松脆并逐渐脱落。绵羊群的氟中毒现象直到次年夏季大雨冲刷掉附着于植被上的氟后,才使该地区逐步恢复生机川。2.2.2炽 热熔宕流熔岩喷出地表后,其温度一般在7 00 0一130 0左右,流速为几m/ h到16 km/ l l。凡熔岩流经地区,城镇、农田、交通将受到彻底毁坏,树木成灰,动物身亡。1169年 埃特纳火山喷溢的熔岩流流入格雷城导致40 0人死亡;190 4年维

13、 苏威火山喷出2。 。 。m3的岩浆,熔岩流长达1I km,使那不勒斯一度成为废城;1944年,夏威夷群岛一次熔岩流喷发流入一个美军基地,摧毁了机场及部分飞机田。2.2.3火山碎屑流火山碎屑流在流动过程中甚至定位一段时间后仍 能保持接近岩浆的火山地质与矿产19 97年温度,约为500 0一85 0。例如阿拉斯加 万烟谷火山碎屑流堆 积定位7年 后的温度仍为6 45C,其边缘地区的温度也超过 4 0oC。火山碎屑流比熔岩流 的流速 要快得多,通常从14 km/ h到23Okm/ h。这样高的速度使其具有超越障碍物的能力,例如日本伊东火山碎屑流运移到10 km外60 om的高地上;阿留申群岛亚查克

14、破火山的火山碎屑 流运移到 5 0km外2 5。一5 0om高地上。火山碎屑流的高温、高速及超越障碍物的能力使其具有巨大危害性。公元7 9年维苏威火山爆发时,火山碎屑流无情地掩没了整座赫库兰尼姆城,城 中居民躲避于砖制拱门之下仍无法逃脱死神的魔掌,倾刻间丧生在火山碎屑流的灼浪里。1 991年皮纳图特火山多次爆发火山碎屑流,流速高达128 km/ l l,摧毁房舍4.2万间,掩埋农田约40 00 k耐,9 0。人葬身其间,2万人无家可归,经济损失高达1 0亿美元比5。2.2.4空落火山灰火山爆发时会形成高大的火山灰喷发柱,其高度可达20 km左右。按其运移沉降方式可分为三部分:一为颗粒较粗与比重

15、较大的碎屑物受重力的作用在喷发柱附近地区沉降;二为受风力作用搬运沉降在几十到几百公里范围内;其三为进入大气平流层形成火山灰云层,微细的火山灰尘可作全球性运移而沉降。公元7 9年8月,维苏威火山持续8昼夜 的喷发,使庞培城、厄科拉诺城和斯塔比伊城均 被火山灰覆盖(庞培城火山灰厚达7m),无任何生命幸存一一6一 。表l火山喷发的主要类型:代表性危害类型及其影响范围 4 jTa ble1T hema i一It),详5ofv说c anieeruPtio ns:T heir出iefage nts of da毗geandtherangeofthei rdam ag l:一9effe etsAdaptedf

16、romS heotsp.D.andGray黝D.K.,1975 )口喷发 类型熔岩流火山 碎屑火山 气体火山灰流基底 涌流泥石流洪水地震海啸喷溢型 么么仑么必么么仑 么么么必仑混合型 么必么仓O 爆发型必仑么必 短距离小于毖犷匕喷溢型么混合型爆发型么 仑必必凸必么仓 么 中等距离脚O“SO Ok m喷溢型混 合型危害影响范围爆发型远距离SO Oll 00 0Ok m喷溢型混合型爆发型全球性大于l0 0 0 ok m么么 么-一直;么么 么一通常; 么么一经常;么仙而;一极少;空洛一不存在,不 发生乙2 .5火山泥石流它是火山碎屑物与大量水混合之高密度流。其 中的水可能来 自覆盖于火山上的冰雪融化或 由火山喷发大量水蒸气遇冷凝结而成暴雨。据统计,火山活动中丧生人数之1 0 % 应归咎于火山泥石流。19 8 5年哥伦比亚鲁伊斯火山喷发,触 发泥石流以每小 时第十