长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流分布范围广泛,是国内火山碎屑流领域重要的研究对象。前人研究表明:(1)长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流搬运堆积机制复杂,且火山碎屑流近源、中源部分一般分布在人迹罕至尚未开发的地方,火山碎屑流相模式尚未系统建立;(2)火山碎屑流是长白山地区主要灾害类型,尚未有专题的灾害区划图;(3)早期粒度分析主要采用人工法测试,精度低,误差大,大量微米级碎屑的动力学信息流失。针对上述问题,本文开展了长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流研究工作。1.研究内容(1)建立火山碎屑流纵向厚度分布图,分析其平面分布形态特征,探讨分布形态与天池原始地貌之间的关系;(2)通过野外地质调查,分别建立近源、中源和远源地层堆积构造组合特征,对火山碎屑流的流体性质及搬运方式进行探讨;(3)通过岩石学和地球化学数据分析,分别建立近源、中源和远源的岩相特征,探讨不同阶段火山碎屑流的流体性质;(4)建立中源、远源纵向和垂向粒度分布剖面对比图,研究粒度(<64mm)的碎屑粒度、成分和形貌分布规律,并对细火山灰直方图分布特征进行研究,探讨粒度分布与火山碎屑流流体性质之间的关系;(5)以白西林场火山碎屑流的地浪堆积地层为研究对象,分析其成因、探讨其搬运堆积模式;(6)以天池火山地貌TIN和DEM图为基础,选取火山碎屑流搬运的物理模型和数学计算模型,计算不同规模喷发碎屑流动距离,建立火山碎屑流灾害区划图。2.研究思路和方法(1)确定研究对象,在野外寻找一套完整的现象明显的火山碎屑流;(2)系统研究火山碎屑流地质特征、采集样品和获取第一手数据,其中地质特征包括空间分布、岩相特征、地层构造特征、矿物学特征、岩石化学特征等,建立火山碎屑流相模式;(3)室内分析碎屑粒度特征(区分出浮岩、岩屑、晶屑),对比研究各种碎屑的分布特征。用SEM方法研究对应碎屑显微形貌特征及其形成机制。对两者结果进行对比,并得出结论;(4)研究火山碎屑流地层有规律的堆积构造特征;(5)在以上研究基础上,研究天池火山火山碎屑流灾害区划。在以上研究中,主要用到岩石学、地球化学、地层学和沉积学的研究方法,具体包括薄片分析、全岩分析、粒度分析、统计学分析、显微形貌特征分析和形态分析等方法。3.主要结论及认识本篇论文主要从分布形态、地层堆积构造、岩石学、地球化学、火山碎屑特征和搬运堆积模式六个方面对长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流进行研究,并在此基础上建立了天池火山碎屑流灾害区划图。本次研究主要得到以下九点结论:(1)天池火山千年大喷发火山碎屑流分布形态严格受到天池火山原始地貌的影响:以十二道白河为例,在大概0~10km范围内,在火山锥体峡谷底部堆积,厚度在1-4m;大概10-20km范围内,为峡谷堆积,厚度在10-40m;20-50km为扇状堆积。根据形态和厚度分布特征,天池火山碎屑流分布形态为火山碎屑裙,厚度一般小于10m。(2)近源火山碎屑流地层堆积构造组合有斑杂构造、类熔岩构造等;中源火山碎屑流地层堆积构造组合有柱状节理、块状构造(垮塌成因)、强熔结条带、底部岩屑富集带、浮岩富集带等,此外发育逃气孔、峰从等构造;远源火山碎屑流地层堆积构造组合有粗尾粒序层理、爬升地层和地浪堆积地层等,次生改造程度高。(3)近源岩石一般为碱性粗面质熔结凝灰岩;中源岩性为碱性粗面质熔结凝灰岩;远源为碱流质浮岩松散堆积。(4)近源、中源黑色浮岩为粗面岩;远源灰白色浮岩为碱流岩。(5)中源和远源松散堆积的小于64mm的碎屑,随着与火口距离的增加,纵向上火山碎屑中值有变大的趋势,随着剖面深度的增加,火山碎屑中值变小的趋势;随着与火口距离的增加,随着与火口距离的增加,4-8mm火山碎屑的球形度整体变化趋势是增大,但增势较缓,反映了近源火山碎屑流流体密度高;随着与火口距离的增加,岩屑含量减少,反映了重力分异作用,一定程度上揭示了流体密度的降低。(6)火山碎屑粒度越小,碎屑棱边改造越少,碎屑形态越丰富,火山碎屑搬运机制越趋于单一化;细火山分布特征具有相似性,呈单峰态负偏态分布。(7)灰云浪和地浪直方图特征相似,向细粒集中,反映流体密度低。火山碎屑流流动单元直方图分布呈多峰态,反映搬运方式复杂。(8)天池火山西坡白西林场千年大喷发火山碎屑流在搬运过程中有水作用参与。(9)以天池火山为中心,喷发柱高度为10km,灾害区划最大半径为13.69km;喷发柱高度为20km,灾害区划最大半径为35.42km;喷发柱高度为30km,灾害区划最大半径为57.8km。以千年喷发火山碎屑流分布格局为参考,根据天池火山周边地区地貌特征制作出天池火山火山碎屑流不同规模喷发灾害区划图。4.创新点在研究过程,主要有以下四点创新:(1)本篇论文首次通过长白山天池火山火山碎屑流分布形态、地层堆积构造、岩石学、地球化学、粒度分析和地浪地层搬运模式的研究,采用了扫描电镜、形态分析和激光粒度仪等实验分析方法,建立了长白山天池千年大喷发火山碎屑流相模式,提出近源火山碎屑流流体密度高,搬运能力强,堆积厚度薄,岩相特征为碱性粗面质熔结凝灰岩;中源火山碎屑流流体密度有所减弱,重力分异作用明显,堆积厚度巨大,岩相特征为碱性粗面质熔结凝灰岩;远源火山碎屑流流体密度最低,湍流和地浪等流体化作用明显,堆积厚度薄,岩相特征为碱流岩。(2)本文首次对火山碎屑流和火山碎屑涌流细火山灰(小于62.5μm)粒度分布特征进行了研究,主要有以下两个发现:发现了火山碎屑流细火山灰直方图具有一定相似性,呈单峰态、负偏态分布特征;发现了火山碎屑涌流在0.1μm-1μm之间仍有碎屑分布,而火山碎屑流基本上无小于1μm的碎屑,从粒度分析角度证明了射汽岩浆爆破式喷发作用导致的碎屑破碎化程度要高于岩浆爆破式喷发作用。(3)本文通过地层分析、扫描电镜分析和粒度分析等方法对长白山地区天池火山白西林场地层进行系统研究,提出了白西林场火山碎屑流有水作用参与,并建立了白西林场火山碎屑流搬运堆积模式,初步划分为碎屑淬火、蒸汽膨胀和堆积三个阶段。(4)国内首次运用滑块模型对天池火山火山碎屑流流动距离进行计算。