冯雨林，杨佳佳，蔡 贺

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳 110034

基于3D影像模型的长白山天池地质灾害现状与潜在危害分析

冯雨林，杨佳佳，蔡 贺

中国地质调查局沈阳地质调查中心（沈阳地质矿产研究所），辽宁沈阳 110034

通过遥感解译及野外调查工作，查清了长白山天池地区主要地质灾害分布现状及规模，分析了灾害发生的机理，编制了地质灾害危害区划图，能够为相关防灾减灾部门提供决策依据.

长白山；天池；遥感；3D模型；地质灾害

0 引言

长白山天池坐落在吉林省东南部，是中国和朝鲜的界湖，是松花江、图们江和鸭绿江之源.天池火山是我国最具潜在喷发危险的活动火山，现在的天池为1702年火山喷发后的火口积水而成.据史籍记载，自16世纪以来它爆发了3次.前人研究成果表明，长白山火山的喷发导致了多期次火山泥石流灾害的发生［1-6］.自2011年东日本大地震以来，太平洋岛弧带的火山活动频繁，位于此带内的长白山天池火山活动引起了东亚国家及地质专家的强烈关注.本文的资助项目正是基于此而启动的.

长白山地区第四纪火山松散堆积物分布广泛，主要是多期次的火山灰、火山碎屑物、浮石、凝灰岩类物质及崩塌与滑坡堆积物、残坡积物以及阶地冲洪积物.并且该地区有丰富的冰雪融水和大气降水，且降水集中，暴雨强度大.这些特殊的自然条件，使得长白山地区时常发生地质灾害，以火山泥石流为主.

火山泥石流是火山喷发物与水体混合所形成的大体积、快速流动的高密度流体，或松散的火山碎屑物被雨水冲刷、多次搬运后所形成的流体，其主要沿河谷低洼地带流动，是最主要的火山次生灾害［7］.属于土壤重力侵蚀的范畴，是由内、外地质营力共同作用于地表或地下一定深度的物质而产生的物质流动过程中的产物，易受地质、地貌、水文、气候和人类经济活动等多种因素制约［8］.

1 3D遥感技术

DEM（digital elevation models，数字高程模型），是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，其中X、Y表示二维平面坐标，Z表示对应点的高程值.它广泛应用于各种与地形相关的系统中，利用DEM进行三维图形显示和地形分析，能够帮助人们对地表信息有更加直观的了解.而三维遥感图像模型是在DEM的基础上建立的，它是采用纹理映射技术，把地表纹理图像映射到地形高度场几何模型上，来模拟真实感的地表形态.所谓纹理映射，即是把纹理图像“粘贴”到物体表面，以使物体具有真实感［9］.对DEM来说，可将遥感影像等作为纹理“贴”到DEM上，形成天池地区逼真的正地貌影像模型（图1）.

图1 天池3D遥感模型特征Fig．1 The 3D remote sensing image model of Tianchi Lake

2 研究方法与技术路线

1）全面搜集前人研究成果资料，详细了解与分析整个长白山地区灾害的类型、分布及其危害特征；

2）采用高分影像对研究区的重点地质灾害进行特征提取；

3）由于三维模型可以使人们更加直观、形象地认识和了解地形地貌，据此，对于灾害点和区段，建立3D遥感图像模型，视角由远及近、由粗略到详细的观察灾害发生点的地形地貌特征；

4）进行野外实况踏勘与调查，其所采集的资料数据要反馈到室内工作中，用以修正不足与错误.

3 天池地区地貌特征

长白山天池是一个多期次火山喷发形成的锥形火山口湖（图1、2），沿湖口环状分布着玄武岩盖，在火山口内壁及湖口分水岭外坡堆积着巨厚的火山灰及浮岩［10］，是形成峡谷泥石流的主要物源，并且已发生过多期泥石流.

图2 天池地形特征Fig．2 Topographic featuers of Tianchi Lake

4 灾害分布规律

通过对火山锥附近不同期次火山泥石流发育情况解译及野外调查发现，火山泥石流堆积物主要沿松花江中上游分布，直达吉林市以远.聂保锋等［11］的研究成果也证实这一规律.

4．1 天池火山口内壁地质灾害

受制于长白山天池的地形（图2）及多期次的火山喷发，在天池火山口内壁到水面间形成环带状巨厚的火山灰沉积层，而沉积火山灰又形成多期次的滑塌台阶.这些火山灰在外力作用下，垮塌进入池水内，将会在低洼的北出口形成池水外泄.外泄池水又会冲刷火山灰，形成灾难性的泥流、水流和泥石流.

4．2 湖口分水岭外坡地质灾害

多期次的火山喷发，在天池分水岭外侧形成大量巨厚火山岩及火山碎屑堆积物，受构造的影响，在地表营力作用下，形成多条巨型深切沟谷，如长白山瀑布峡谷、二道白河、锦江大峡谷等.这些峡谷一方面作为大江大河的源头，另一方面也导致一些地质灾害的发生.峡谷下切诱发边坡失稳，形成多期次的滑塌台阶（图3），生产大量的碎屑物.这些碎屑物在重力及流水的作用下，又导致泥石流的发生.

综合分析长白山地区的地形地貌及地质特征，根据火山碎屑流的分布特征（见图4），多期次火山活动在松花江流域产生大量的松散堆积物（火山灰、火山碎屑物、浮岩类、凝灰岩类物质及崩塌与滑坡堆积物、残坡积物以及阶地冲洪积物），尤其是在天池北坡的瀑布通道，两侧多期次堆积着大量巨厚的火山灰，且松散易塌（见图5）；在图们江流域主要产生大量的火山灰、火山碎屑物及浮岩类物质；而在鸭绿江流域，则是以构造切割地形所产生的碎屑岩块为主，火山碎屑物次之.

图3 天池泄水口滑塌台地Fig．3 The sliding platform at the outlet of the Tianchi Lake

图4 火山碎屑流的分布区（据李春风等）Fig．4 The distribution of pyroclastic flows（From Li C F，et al．）1—国界（national boundary）；2—天池火山口（Tianchi volcano）；3—河流（river）；4—火山碎屑流（the pyroclastic flow）；5—火山泥石流（volcanic debris flow）

图5 天池瀑布泄水口Fig．5 The outlet at the Tianchi waterfall

基于碎屑物的性质及地形地貌特征，可以总结出，区域上，松花江流域由于地形起伏较大，天池周围以崩塌滑坡为主，在突发洪水的冲刷作用下，向下以泥石流为主，且危害巨大；图们江流域，火山灰较多，但由于地形宽缓，以泥石流为主，但规模不大，危害较小；鸭绿江流域，火山碎屑物较少，但地形较陡，灾害以水流及洪水携带碎石流为主.

室内解译和野外实地调查表明，崩塌和滑坡灾害主要分布在漫江镇-望天鹅峰段、长白县-天池南门段的沿鸭绿江岸和天池北泄水口瀑布段，主要是在雨季危害道路交通安全.

5 火山泥石流潜在危害分析

根据地质灾害的影响因素，泥石流是未来有可能大规模爆发的地质灾害之一，原因如下：天池周围呈锥形地貌，分布着放射状深大沟谷，天池分水岭内外堆积巨厚大量松散火山灰（天池分水岭内侧的将滑入池中，激发大量池水外泄；分水岭外侧的物质将成为泥石流的物源），在大降水量（称为临界水量）、火山喷发或地震的触发下，具备了大规模泥石流爆发的条件（锥形地貌+大量松散物质+触发临界水量），危害极大.

魏海泉［12］计算出天池火口湖水容量达20×108m3.根据虚拟GIS的推演，天池第一出水口位于北侧的瀑布方向（图6），海拔2213 m.现在天池水面海拔为2196m（地形+影像数据测得），如果现状水面上涨到从北出口外泄，推演的结果是大约需要2．217×108m3水量.第二出水口位于天池西南（图7），海拔大约2390m，如果现状水面上涨到第二出水口外泄，推演的结果是大约需要63．16×108m3水量.

图6 天池第一出水口示意图Fig．6 No．1 outlet of Tianchi Lake

图7 天池第二出水口示意图Fig．7 No．2 outlet of Tianchi Lake

1997年国家“九五”重点项目“中国若干近代若干活动火山的监测与研究”启动.中国地震局、吉林省地震局在长白山天池火山区开始了监测和研究工作.经过几年的研究，专家们认为，长白山是一个休眠的活火山.地球物理探测表明，长白山天池下方有地壳岩浆囊存在的迹象［13］，长白山天池具有再次喷发的危险，其喷发形式为爆炸式.由于天池20×108m3水体的存在，大量松散坡积物和火山灰滑入池中，将激发出大于自身体积的池水外泄，形成大型火山泥石流，使喷发具更大的破坏性.

聂保锋［11］研究表明，长白山天池火山是不久将来有潜在喷发危险的活火山.如果长白山天池火山再次爆发，火山泥石流可能是最主要的灾害，特别是松花江、鸭绿江和图们江中上游.未来长白山天池火山泥石流高危险区为以火口为圆心，沿沟谷可扩展至半径45 km的区域.松花江中上游的梯级电站将连锁式地受到巨大破坏，沿江两岸将遭受巨大灾害.

根据上述泥石流的影响因子及天池北坡坡度特征（图8），结合3D遥感模型解译结果，模拟未来火山泥石流发展趋势（图9）.

图8 二道白河坡度高度图（据文献［3］）Fig．8 The slope-height diagram of erdaobaihe（From Reference［3］）1—高程（height）；2—坡度（slope）

图9 天池泥石流模拟（据文献［3］）Fig．9 Simulation of the Tianchi debris flow（From Reference［3］）

根据遥感解译结果及野外调查信息，编制了天池水系分布及地质灾害潜在危害区划图（图10）.其危害趋势与万园［14］利用LAHARZ模拟结果相似，并且与多名学者的研究成果相一致：刘祥等［1］指出赤峰期火山泥流堆积物主要分布于松花江中上游、近火口处和二道白河两岸；杨清福等［2-4］在松花江上游沿岸以及鸭绿江西岸一带发现天池火山泥石流，且推断图们江流域可能也有火山泥石流分布；魏海泉等［5］在天池火山锥体附近发现不同期次的火山泥石流，且在鸭绿江和图们江流域发现存在千年大喷发后的火山泥石流.

图10 天池水系分布及地质灾害潜在危害区划图Fig．10 The Tiachi river system and potential geological hazard zones1—天池周围放射状水系（radial river system of Tianchi）；2—中朝国界（China-DPRK boundary）；3—天池分水岭（Tianchi lake watershed）；4—流域分水岭（river watershed）；5—崩、滑、流灾害点（hazard spot）；6—火山泥石流一级区（Level 1 area of volcanic debris flow）；7—火山泥石流二级区（Level 2 area of volcanic debris flow）；8—火山泥石流三级区（Level 3 area of volcanic debris flow）；9—火山泥石流四级区（Level 4 area of volcanic debris flow）

6 结论

本研究通过遥感解译及野外调查工作，查清了天池地区主要地质灾害分布现状及规模，分析了灾害发生的机理，编制了地质灾害危害区划图.本成果能够为相关防灾减灾部门提供决策依据，在灾害发生前可在二道白河、松花江沿岸建立有效的监测、报警系统，如发生火山泥石流，水库可提前放水，以减轻灾害［13］.

［1］刘祥．长白山火山历史上最大火山爆发火山碎屑物层序与分布［J］.吉林大学学报：地球科学版，2006，36（3）：313-318.

［2］杨清福，刘若新，魏海泉，等．长白山天池火山减灾对策初探［J］.地震研究，2003，26（2）：183-189.

［3］杨清福，薄景山.长白山天池火山的研究现状与展望［J］.自然灾害学报，2007，16（6）：133-139.

［4］杨清福，史兰斌，陈孝德，等.长白山天池火山一次近代喷发物的特征［J］.地震地质，2006，28（1）：71-82.

［5］魏海泉，金伯禄，刘永顺.长白山天池火山地质学研究的若干进展与灾害分析［J］.岩石矿物学杂志，2004，23（4）：306-312.

［6］崔天日，金东淳，金於今，等.图们江流域火山泥石流分布及其特征［C］//全国第四次火山学术研讨会.北京：中国地震局地质研究所，2005：10-12.

［7］许建东.我国火山灾害的主要类型及火山灾害区划图编制现状探讨［J］.震灾防御技术，2006，1（3）：266-272.

［8］付炜.土壤重力侵蚀灰色系统模型研究［J］.土壤侵蚀与水土保持学报，1996，2（4）：9-17.

［9］冯雨林，陈江，姜琦刚，等.3D遥感影像模型在古乡沟泥石流地质灾害预警中的应用［J］.地质灾害与环境保护，2009（9）：114-119.

［10］栾鹏，许建东，潘波，等.长白山天池火山喷发物地形地貌特征初步研究［J］.地震研究，2009，32（4）：182-187.

［11］聂保锋，刘永顺，彭年．长白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究［J］.首都师范大学学报：自然科学版，2009，30（1）：70-75.

［12］WE I Hai-quan,HONG Han-jing,Sparks R S J.et al．Potential hazards of eruptions around the Tianchi caldera lake,China［J］．Acta Geologica Sinica,2004,78（3）：790-794．

［13］刘若新，魏海泉，李继泰．长白山天池火山近代喷发［M］．北京：科学出版社，1998：108-123.

［14］万园，许建东，林旭东，等．基于数值模拟的长白山天池火山泥石流灾害展布范围分析及预测［J］.吉林大学学报：地球科学版，2011，41（5）：1638-1645.

FENG Yu-lin，YANG Jia-jia，CAI He

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resource，CGS，Shenyang 110034，China

Through RS interpretation and field survey，the present situation and scale of geological hazards in Tianchi area，Changbai Mountain are recognized．With analysis of the hazard mechanism，the geological hazard zoning map is compiled，which can provide decision basis for the administration of disaster prevention and mitigation．

Changbai Mountain；Tianchi；RS；3D model；geological hazard

2016-03-14；

2016-04-18．编辑：张哲.

国土资源部“长白山火山基础地质与环境地质研究”项目（编号：201211095-5）.

冯雨林（1980—），男，硕士，高级工程师，从事遥感地质工作，通信地址辽宁省沈阳市皇姑区黄河北大街280号，E-mail//68051629@qq.com