安图科火山（智利）的物理和力学性质：对已坍塌的玄武岩构造侧壁不稳定性再次发生的探讨

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Physical and mechanical rock properties of Antuco volcano (Chile): insights into the renewed flank instability of a collapsed basaltic edifice

　　Jorge E. Romero | Matías Clunes | Michael J. Heap | Margherita Polacci | Patrick Baud | Marlène Villeneuve | John Browning | Carmen Solana
智利奥伊金斯大学工程科学研究所

**摘要**
确定火山侧翼不稳定区域的成因、分布和体积对于评估火山碎屑流形成的可能性至关重要。这些突发性灾难性事件可以在几分钟到几小时内对基础设施造成严重破坏并导致人员伤亡。Antuco是一座位于智利南安第斯火山带的玄武岩成层火山，大约在7100年前发生了灾难性崩塌，形成了6.4立方公里的碎屑流沉积物。崩塌后的快速喷发活动显著重塑了中央火山体。在本文中，我们致力于描述Antuco火山崩塌前后各阶段的岩性单元及其岩石力学特性。我们进行了原位岩土工程表征和回弹硬度测量，并对代表性岩性单元进行了岩石学、地球化学和地质力学分析。利用地质剖面数据，我们建立了当前火山的3D模型。随后，我们将实验数据纳入极限平衡模型，以模拟在静力和伪静态条件下的不稳定区域及可能的断裂平面。结果表明，火山西侧上层在静态条件下是稳定的，但在水平地面加速度超过0.58 g的情况下，可能存在高达0.59立方公里的滑动风险。此外，岩脉侵入可能会增加火山侧翼的不稳定性，直至引发崩塌；而地下水位的变化似乎不足以产生这种影响。

**引言**
侧向崩塌（或称扇形崩塌）是指大规模滑坡（体积超过1立方公里），它们常常会破坏和改变火山体的形态，瞬间将碎片淹没周边地区，并对地貌、水文系统和生态系统造成长期影响（例如，Procter等人，2009年；Tost等人，2015年；Major等人，2018年；Schaefer等人，2019年）。尽管在人类历史记录中这类事件相对较少，但已确认近600座火山发生过侧向崩塌（Siebert和Roverato，2021年）。最近几次著名的侧向崩塌事件发生在1956年的俄罗斯Bezymianny火山（Belousov和Belousova，1998年）、1980年的美国Mount St. Helens火山（Voight等人，1981年）以及2018年的印度尼西亚Anak Krakatau火山（Grilli等人，2019年），这些事件导致数千人丧生。此外，许多火山可能反复发生崩塌，从而加剧火山碎屑流的危害（例如，Zernack等人，2009年）。因此，识别增加火山侧翼不稳定性的因素对于预测未来的崩塌事件和评估火山危害至关重要。

岩体的完整性和质量直接影响火山侧翼的不稳定性和最终崩塌。在火山体内，喷出岩和火山碎屑岩经历了复杂的覆盖层移除、构造变形、热应力以及流体循环过程。多样化的火山活动和产物导致了复杂的地层序列，使得岩体性质（如体积、孔隙度、完整岩石的抗压强度、不连续性的持久性以及地质强度指数）存在显著差异，这就需要采用非传统的岩土工程分类和评估方法（例如，Watters等人，2000年；Okubo，2004年；Thomas等人，2004年；Apuani等人，2005年；Moon等人，2009年；Rodríguez-Losada等人，2009年）。此外，火山岩还具有复杂的微观结构，这些结构会影响其力学行为，包括孔隙度、结晶度、成分和玻璃含量，以及热液蚀变的存在和程度（Heap和Violay，2021年）。

近几十年来，力学研究表明，未经蚀变的火山岩强度随孔隙度增加、长时间应力作用和冻融循环而降低（例如，Schaefer等人，2015年）。热液蚀变可能会降低孔隙度，从而通过减少渗透性和增加孔隙流体压力来削弱火山稳定性（Reid，2004年；Heap等人，2021a）；或者增加孔隙度，进而通过降低岩石强度来削弱火山稳定性（Heap等人，2021b）。过去几十年中，人们通过实验室和原位测试对热液蚀变火山及其岩石进行了更深入的研究（例如，Apuani等人，2005年；del Potro和Hürlimann，2009年；Pola等人，2014年；Schaefer等人，2015年；Heap等人，2021a，Heap等人，2021b；Darmawan等人，2022年；Poganj等人，2025年；De Jarnatt等人，2025年）。这些研究有助于识别火山侧翼不稳定区域，并评估崩塌风险，尤其是在那些生长迅速、坡度陡峭、受热液蚀变影响且频繁喷发的火山中（例如，Reid等人，2001年；Kereszturi等人，2021年）。

根据Voight（2000年的研究），活火山滑坡风险评估受到控制因素复杂性和实验数据缺乏的限制，这妨碍了精确的岩土工程坡度模型的建立。尽管已有大量研究记录了火山岩的物理和力学性质（部分已在文中提及），但仍需要新的实验数据以及将这些数据与现场调查相结合的综合方法。因此，收集用于数值或概念模型的输入数据至关重要（Waythomas，2012年）。Tommasi等人（2018年提出的方法）考虑了以下三个方面：a）地质数据以确定火山形态和地层分布；b）不同尺度下的物理和力学性质；c）流体压力和外部荷载（如地震作用）。其他近期研究也在同一地质单元中应用了Hoek-Brown和Barton-Bandis断裂准则，更有效地考虑了不连续性的作用（例如，Di Traglia等人，2023a，Di Traglia等人，2023b，Di Traglia等人，2024年，Di Traglia等人，2026年）。

本研究的目的是描述智利南安第斯地区Antuco火山的岩体性质，并评估其当前的侧翼稳定性（图1A-B）。Antuco是一座以玄武岩和玄武安山岩为主的复合成层火山，中全新世时期曾发生过侧向崩塌（图1C-D；Martínez等人，2018年）。我们使用地质强度指数（GSI；Marinos等人，2007年；Hoek和Brown，2019年）描述了代表性露头的野外特征，并采用无损方法（如Schmidt岩石锤测试；Din?er等人，2004年；Abbas等人，2022年）测量了回弹硬度。同时，还确定了几组样品在崩塌前后的岩石结构、成分和力学性质。最后，我们利用3D极限平衡坡度稳定性软件计算了静态和伪静态条件下的安全系数和断裂面。这是首次以这种方式描述南安第斯（及智利）火山的侧翼稳定性，并对其进行系统评估。类似的方法已成功应用于Pacaya火山（危地马拉；Schaefer等人，2013年，2015年）、Stromboli和La Fossa火山（意大利；Tommasi等人，2007年，2018年；Di Traglia等人，2018年；Schaefer等人，2019年）、Ruapehu火山（新西兰；Schaefer等人，2018年）以及Shiveluch火山（俄罗斯；Wallace等人，2022年）。

**Antuco火山的地质背景及其全新世崩塌**
Antuco是一座活跃的复合成层火山（图2），主要由玄武岩构成（López-Escobar等人，1981年）。约15万年前，该火山喷发了玄武岩至安山岩熔岩流，这些熔岩流如今已被冰川侵蚀（早期Antuco阶段；Martínez等人，2018年）。上一个冰河时期结束时（晚冰期最大值，17–7100年前），Antuco经历了快速的火山体建设阶段（晚期Antuco阶段；Martínez等人，2018年），火山高度达到了约3公里。

**野外测量与岩石采样**
野外工作于2024年9月和12月进行。我们调查了18处岩体露头，这些露头由单独或组合的熔岩流单元组成，能很好地反映Antuco火山的早期、晚期和崩塌后的阶段（图3）。在这些地点，我们使用地质强度指数（GSI；Hoek，1994年，Marinos和Hoek，2000年；Hoek等人，2013年）对岩体结构和表面进行了视觉评估。在火山环境中，GSI可以帮助区分不同类型的岩体。

**岩石性质**
高GSI值（70–85；图3A-B）出现在完整或块状的岩体中，这些岩体的不连续面新鲜、未风化或仅有轻微风化，常见于厚柱状熔岩单元。然而，柱状熔岩在Antuco并不典型，主要出现在崩塌后的单元中（如位置3和16）。块状熔岩、“A’ā”熔岩及绳状熔岩在崩塌前后的单元中都很常见，它们的GSI值较低（55–75；图3C-E），因为它们具有块状或非常块状的结构。与其他玄武岩火山相比，它们的抗压强度较低。

**实验方法**
在各种实验室和原位测试方法中，我们观察到岩石强度的一致性，证实了Schmidt岩石锤测试适用于火山环境中的现场应用（例如，Apuani等人，2005年；Harnett等人，2019年；De Jarnatt等人，2025年）。这种方法成本低廉、操作简便、速度快，适用于火山体规模的岩石特性评估。在Antuco熔岩中，我们观察到的抗压强度与其他玄武岩火山（如Pacaya、Mount Etna和Stromboli）相似。

**结论**
构成Antuco火山崩塌前后岩体的玄武安山岩和安山岩具有相似的成分、矿物学和岩石力学性质。当这些岩石在两种应变率（约5×10^-2 s^-1和约5×10^-4 s^-1）下单轴变形时，其抗压强度分别在约23 MPa和约186 MPa时失效，与其他玄武岩火山相当。原位Schmidt岩石锤测试所得的强度结果也与实验室测试结果一致。

**作者贡献**
Jorge E. Romero：撰写、审稿与编辑、软件开发、资源管理、方法论设计、调查实施、资金筹集、数据分析、概念构建。
Matías Clunes：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据管理、概念构建。
Michael J. Heap：撰写、审稿与编辑、方法论设计、资金筹集、数据管理。
Margherita Polacci：撰写、审稿与编辑、资源调配、数据分析。

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**未引用参考文献**
Centro Sismológico Nacional，2024b
Peccerillo和Taylor，1976
Rocscience，2024
Villeneuve等人，2022

**利益冲突声明**
作者声明以下财务利益和个人关系可能构成潜在的利益冲突：Jorge E. Romero表示获得了国家研究与发展局（Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo - Fondecyt）的财政支持。作为《火山学与地热研究杂志》（Journal of Volcanology and Geothermal Research）的编辑，Michael J. Heap未参与本文的同行评审过程，也无权访问相关评审信息。

**致谢**
我们感谢Francisca Vergara、Flavia Rojas、Matías Villarroel和Fernanda Merchán在野外工作中的帮助和支持。JER感谢国家研究与发展局（Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo - Fondecyt）提供的项目支持（项目编号11241126：“基于野外、实验室和数值证据评估南安第斯火山的侧翼稳定性：以San José和Chillán火山为例”）、以及M. Heap在该项目中的支持。