基于dem的長白山天池火山噴發(fā)物空間分布范圍研究

基于dem的長白山天池火山噴發(fā)物空間分布范圍研究

0dem模型地形分析應(yīng)用長白山天池火山位于朝鮮之間的邊界，地形復(fù)雜。大多數(shù)池塘水域的2.3%和1.4%的天池火山殼的一部分屬于朝鮮。因此，傳統(tǒng)方法對(duì)大型地區(qū)內(nèi)池火山噴發(fā)的空間分布一直是一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。遙感技術(shù)具有快速獲取大范圍數(shù)據(jù)且受條件限制較少的特點(diǎn),可為解決這一問題提供幫助。但因長白山天池火山植被發(fā)育好,對(duì)遙感影像影響大,使利用可見光遙感影像去判別噴發(fā)物的空間分布范圍存在難度,因此,本文中筆者試圖借助DEM的地形分析技術(shù),研究長白山天池火山噴發(fā)物的地形地貌學(xué)特征。數(shù)字高程模型(DigitalElevationModel,簡(jiǎn)稱DEM)是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達(dá),用于描述地面起伏狀況。DEM的地形分析通常是在地形、地質(zhì)圖,數(shù)字圖像資料以及詳細(xì)野外地質(zhì)調(diào)查等基礎(chǔ)之上,結(jié)合各種分析方法進(jìn)行研究,主要包括坡度坡向分析、高程剖面分析、地形特征提取、可視性分析、三維透視、道路分析以及水系特征分析等。隨著DEM研究方法的普及,DEM地形分析也逐漸成為地質(zhì)、地貌研究的重要手段之一。如李軍和黃敬峰(2007)以山區(qū)高空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,分析了山區(qū)可照時(shí)間的空間分布特征。李軼平等(2007)利用龍口市2004年1∶10000等高線地形資料生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度分析,再結(jié)合龍口市的林地柵格數(shù)據(jù),完成了龍口市林地表面積調(diào)查。DEM實(shí)現(xiàn)的是地形數(shù)字化表達(dá),但信息隱晦,地形可讀性差。為了更好地理解地形信息,需對(duì)DEM進(jìn)行可視化(宋秋艷,陳學(xué)工,2007)處理。日本的千葉達(dá)朗(2006)利用DEM做出了赤色立體地圖,著重體現(xiàn)了日本地形的凹凸特征,為活火山和活斷層的研究提供了很好的幫助。1長白山區(qū)火山形成機(jī)理研究區(qū)位于127°55′～128°10′E、41°56′～42°06′N范圍內(nèi),面積約450km2,海拔超過1800m,涵蓋了長白山天池火山的大部分錐體,本文研究對(duì)象為區(qū)內(nèi)的造錐階段及全新世火山噴發(fā)物(圖1)。長白山天池火山是目前我國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山,錐體是由多次火山巖漿噴發(fā)物疊加而成?；鹕交顒?dòng)經(jīng)歷了造盾(2.77～1.203Ma,早更新世)、造錐(1.12～0.04Ma,中—晚更新世)和全新世噴發(fā)3個(gè)發(fā)展階段,3個(gè)階段巖漿成分的演化過程為玄武質(zhì)→粗面質(zhì)→堿流質(zhì)(劉若新等,1998)。與之對(duì)應(yīng)的長白山區(qū)的火山噴發(fā)物主要由3部分構(gòu)成:造盾階段形成了盾狀熔巖臺(tái)地的玄武巖;造錐階段形成了層狀火山錐的粗面巖、堿流巖熔巖和部分碎屑巖;與造盾階段和造錐階段以熔巖噴發(fā)為主不同,天池火山全新世噴發(fā)物主要為爆炸式噴發(fā)形成的空降浮巖堆積和由噴發(fā)柱崩塌而形成的火山碎屑流(伊格尼姆巖)(劉若新,2000)。本文研究的對(duì)象則是造錐階段和全新世的噴發(fā)物。造錐階段持續(xù)了整個(gè)更新世,主要分為4個(gè)階段。而天池火山的全新世噴發(fā)物按其成因類型,可以分為空降浮巖堆積、火山碎屑流、熔巖流、火山泥石流和次生堆積火山碎屑巖等。2dem的二維可視化方法目前,DEM可視化從維數(shù)上主要分為二維和三維可視化。三維可視化的效果圖立體感強(qiáng),但不易疊加矢量數(shù)據(jù),而二維可視化的效果圖不但凸顯了地勢(shì)起伏,且易進(jìn)行矢量數(shù)據(jù)疊加。目前DEM的二維可視化方法較多,但并不適用于本文的地形地貌分析,所以本文提出了新的方法。圖2給出了本文可視化的詳細(xì)流程,主要由數(shù)據(jù)預(yù)處理和DEM的可視化兩部分組成。2.1ersiarcgis9軟件首先對(duì)長白山天池火山區(qū)1∶50000地形圖進(jìn)行電子掃描,然后利用ERSIARCGIS9軟件對(duì)掃描圖進(jìn)行數(shù)字化,并統(tǒng)一成UTM投影,基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置為WGS84。同時(shí),使用數(shù)字化地形圖在ERSIARCGIS93D模塊下生成DEM,并轉(zhuǎn)換成ENVI遙感軟件格式。2.2特征分區(qū)圖的建立利用遙感軟件ENVI對(duì)研究區(qū)DEM進(jìn)行坡度分析,經(jīng)波段運(yùn)算后處理成坡度分級(jí)圖。再用ENVI的地貌分析功能對(duì)研究區(qū)DEM進(jìn)行地形特征分類,主要包括溝谷、山峰、山脊、平原、位面等,并對(duì)分類圖采用掩膜技術(shù)提取溝谷信息,形成溝谷圖。最后將坡度圖、DEM圖和溝谷圖進(jìn)行波段融合,形成可視化立體地形圖(圖3)。由于加入了坡度及高程的信息,此圖凸顯出了地勢(shì)的起伏,利于進(jìn)行矢量疊加分析。且圖中用淺藍(lán)色突出強(qiáng)調(diào)了溝谷信息,對(duì)于溝谷內(nèi)噴發(fā)物的邊界厘定有較大幫助。3高山天池火山巖噴發(fā)物的形態(tài)特征研究3.1構(gòu)造擴(kuò)大的層次性將長白山天池火山第四紀(jì)噴發(fā)巖性分布圖(金伯祿,張希友,1994)疊加到立體地形圖上,可以看出,各期噴發(fā)物分布范圍與地形符合較好(圖4)。疊加等高線后,發(fā)現(xiàn)白頭山期四期造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物在高程上有明顯的疊加層次性,其中,白頭山期第一噴發(fā)階段噴發(fā)物范圍高度處于1700m之下;白頭山期第二噴發(fā)階段噴發(fā)物范圍高度大都處于1700～2050m之間(圖5a);白頭山期第三噴發(fā)階段噴發(fā)物范圍高度處于1900～2200m之間(圖5b);白頭山期第四噴發(fā)階段噴發(fā)物范圍高度處于2200～2600m之間(圖5c)。長白山天池火山更新世時(shí)期主要處于造錐階段,大體分為4個(gè)階段(金伯祿,張希友,1994)。由圖4可以看出,位于中國境內(nèi)的四期造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物分布范圍存在清晰的層次性。白頭山期第一造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物在最底層,距離火口沿最遠(yuǎn)8.6km,也最為平緩,平均坡度12°(指未超出長白山天池火山第四紀(jì)噴發(fā)巖性分布圖(金伯祿,張希友,1994)的最遠(yuǎn)距離,以下皆同);白頭山期第二造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物距離火口沿最遠(yuǎn)達(dá)7.4km,基本是由一系列的壟組成,而壟的邊界恰恰就是與第一造錐階段的分界線,其平均坡度14°;白頭山期第三造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物距離火口沿最遠(yuǎn)達(dá)5.2km,平均坡度18°,其與第二造錐階段的區(qū)別不如前者明顯,在北坡才有較明顯的壟出現(xiàn),可作為分界線;白頭山期第四造錐噴發(fā)階段產(chǎn)物為最新噴發(fā),其范圍位于錐體最上部,由一系列緊靠火口的壟構(gòu)成,平均坡度25°,距離火口沿最遠(yuǎn)達(dá)2.4km。從距離、坡度分析來看,這四期噴發(fā)物噴發(fā)年代越早,其分布范圍就越廣、坡度越緩。圖6為中國境內(nèi)天池火山錐體高程剖面分析結(jié)果圖,剖面的高程位于1630～2400m之間,穿越了白頭山期不同噴發(fā)期次的分界線。可以看出,白頭山期第一噴發(fā)階段與第二噴發(fā)階段之間有明顯地勢(shì)起伏的區(qū)別;第二噴發(fā)階段與第三噴發(fā)階段之間地勢(shì)起伏緩和,但第二噴發(fā)階段剖面線凸起、第三噴發(fā)階段剖面線凹陷,則后者坡度要比前者陡;第三噴發(fā)階段與第四噴發(fā)階段之間也有明顯地勢(shì)起伏的區(qū)別。由此可見,各個(gè)噴發(fā)期次在地勢(shì)起伏上有較大區(qū)別。朝鮮境內(nèi)的情況亦是如此。圖7描述了位于朝鮮境內(nèi)的高程范圍為1889～2580m的剖面線,在高程2166m處有突變,可以作為兩期噴發(fā)物的分界線。由此可見,地勢(shì)起伏隨著不同噴發(fā)階段有較明顯的變化,那么地勢(shì)起伏的邊界線就可以推測(cè)作為四個(gè)造錐階段噴發(fā)物范圍的分界線。根據(jù)以上造錐噴發(fā)物的地形地貌特征,我們可以推測(cè)朝鮮境內(nèi)的造錐噴發(fā)物分布范圍。首先朝鮮境內(nèi)的第四噴發(fā)階段產(chǎn)物也是由一系列的隴組成,都在2200～2600m之間,平均坡度17.5°;第三噴發(fā)階段產(chǎn)物則是比較平緩,平均坡度9.5°,高度位于1900～2300m之間;由于圖幅面積所限,朝鮮境內(nèi)的第二噴發(fā)階段范圍只有一點(diǎn),平均坡度為7°。朝鮮境內(nèi)的各個(gè)噴發(fā)階段噴發(fā)物分布范圍之所以較中國境內(nèi)的大,主要是因?yàn)樘斓鼗鹕綎|南坡的平均坡度比其它坡更小。3.2新世噴發(fā)物的地形特征3.2.1堿流質(zhì)巖石主要分布于天池氣象站附近的北部山脊和朝鮮境內(nèi)的東南部山脊上(圖8),巖性為堿流巖質(zhì)火山碎屑巖。按其成因可分為下部塊灰流和上部熔巖狀火山碎屑流堆積,厚度大于14m。尹功明等(1999)的研究結(jié)果表明,氣象站期的堿流質(zhì)巖石的年齡為距今4000a左右。從圖3和圖8中可以看出,氣象站期的堿流質(zhì)碎成熔巖的地貌特征十分明顯,沿著流動(dòng)方向呈舌狀分布,空間上局限在一條條狹長的垅的范圍內(nèi),由此我們可以較為準(zhǔn)確地推測(cè)出其全部范圍。如圖8所示,方框中的實(shí)線部分為野外實(shí)測(cè)的氣象站期的堿流質(zhì)碎成熔巖分布范圍,方框之外的虛線部分則代表了推測(cè)的范圍,黑框內(nèi)噴發(fā)物分布范圍源自天池火山錐體頂部火山結(jié)構(gòu)與災(zāi)害分布圖(魏海泉等,2004)。3.2.2塌堆積物的坡度天池火山錐體附近全新世的滑坡堆積主要分布于火山口內(nèi)壁和火山口外坡(圖8)。其中,火山口內(nèi)壁和峽谷內(nèi)壁的垮塌堆積物平均坡度為33.7°,大都在坡度陡的地方;錐體外坡滑坡堆積主要分布在天池火山口的東北部和東南部地區(qū)(圖8),相對(duì)于火口內(nèi)壁的垮塌堆積物來說,錐體外坡滑坡堆積物坡度較緩,平均坡度8°,一般都是位于壟的上面,具有明顯的地貌特征,據(jù)此我們可以在圖上推測(cè)出更廣的范圍。3.2.3現(xiàn)代流災(zāi)害研究火山泥石流是天池火山重要的災(zāi)害類型之一,它包括由火山噴發(fā)物與水體混合(雨水、雪水及冰的融化)而形成的大體積快速流動(dòng)的高密度流體及松散火山碎屑物被雨水沖刷、多次搬運(yùn)的火山泥石流?；鹕侥嗍鳛?zāi)害主要限于河谷低洼地帶,快速大體積淤積的火山泥石流堆積物會(huì)使河床改道,堤壩淤積和破壞,造成一系列災(zāi)難性后果(楊清福等,2003)。圖8中的全新世不同期泥石流的分布范圍有主要位于火山口內(nèi)壁和大峽谷內(nèi)的各期泥石流,其平均坡度為16°;有位于火口西南方向的錐體外坡灰黑色火山泥石流,其平均坡度為5°。位于火山口內(nèi)壁和大峽谷內(nèi)的泥石流相對(duì)來說范圍小,都是在坡度比較陡的小溝谷內(nèi);位于錐體外坡的泥石流則范圍較大,且坡度也比較緩。圖9為利用DEM做出的三維透視圖,由圖中可以看出錐體外坡的泥石流流向,結(jié)合等高線走向,可以推測(cè)錐體外坡灰黑色火山泥石流的范圍。4dem-噴發(fā)物空間分布筆者利用DEM的地形分析技術(shù),得到了長白山天池火山錐體附近范圍地區(qū)的立體地形圖。通過對(duì)天池火山錐體地區(qū)更新世粗面巖的高程分布和全新世噴發(fā)物地貌特征進(jìn)行分析,我們得出了以下初步結(jié)論:天池火山更新世造錐時(shí)期不同階段的粗面巖呈壟狀分布,4個(gè)噴發(fā)階段的分布范圍有明顯的層次性,后一階段的造錐噴發(fā)物往往堆積在前一階段噴發(fā)物之上?？傮w來說,噴發(fā)年代越早,噴發(fā)物分布距火口越遠(yuǎn),坡度越緩,高程也越低。我們根據(jù)中國境內(nèi)造錐粗面巖的上述分布特點(diǎn),推測(cè)了研究區(qū)內(nèi)位于朝鮮境內(nèi)的造錐噴發(fā)物的分布范圍。天池火山全新世噴發(fā)物有著顯著的地形地貌特征,如氣象站期的堿流質(zhì)碎成熔巖呈長壟狀分布,流動(dòng)單元的整體特征明顯;錐體附近全新世的滑坡堆積,其分布范圍主要受控于地形坡度;火山泥石流主要限于河谷