利用衛星遙感技術監測長白山天池火山活動性

季靈運

（中國地震局地質研究所，北京100029）

（作者電子信箱，季靈運：dinsar010＠163.com）

位于中朝邊界的長白山天池火山是一座具有潛在災害性噴發的大型近代活動火山。長白山天池火山歷史上發生了多次噴發事件，曾造成了巨大的災難，發生在公元946年的大噴發，就規模和猛烈程度而言，屬于全球近2000年以來最大的爆炸噴發之一。鑒于此，“九五”和“十五”期間，中國地震局等幾家單位對長白山天池火山進行了較為系統的地質、地球物理探測研究，并進行了以地震活動、形變、地球化學變化為主的固定、流動臺網監測研究工作，取得了很多有益的成果。但這些常規的監測方法由于受到天池火山地理位置的特殊性（跨國境）、工作條件的復雜性（原始森林、天池湖水）等限制，雖耗費了大量人力物力，但至今天池火山區下部的淺層巖漿系統在什么位置、如何展布等問題，一直沒有探測認識清楚。也有學者基于GPS、水準的形變監測資料進行了巖漿房參數的反演工作，但由于點距的稀疏性，各個學者給出的巖漿房參數不盡一致，存在爭議。常規手段的監測結果表明，長白山天池火山2002—2006年發生了較明顯的巖漿異常擾動事件，但其機理尚不明確。另外，我國缺少現今正在噴發的活動火山，火山巖漿系統的存儲、供給與運移動力機制研究方面比較薄弱。

InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達干涉測量）技術是近二十年發展起來的全新空間對地觀測技術，能夠以較高的時間、空間分辨率對地表實現大范圍監測，具有其他大地測量手段無法比擬的優勢。此外，作為遙感領域的一個重要分支，衛星熱紅外遙感技術以其安全、有效、宏觀、周期性地遠距離對地觀測的優勢，已經廣泛應用于各種類型的地表熱變化監測。基于InSAR 技術和衛星熱紅外遙感技術的優勢，本文以長白山天池火山為主要研究對象，開展了2種技術在火山領域的應用與相關研究。主要研究內容如下：

（1）長白山天池火山的形變背景：收集了我國東北、華北、華南地區1999—2007 年的GPS水平速度場，以及日本及周邊地區2000—2010年的GPS速度場；從國家測繪局大地測量數據處理中心收集了我國東北地區20世紀70、90年代兩期一等水準測量資料，采用以水準點間高差變化速率即速率差為觀測值、以觀測點速率為未知參數的垂直形變網整體平差方法，計算得到了我國東北地區長期地殼垂直形變速率。

（2）利用PSInSAR 技術監測長白山天池火山近年來的形變演化：本文基于18景ENVISAT ASAR 影像資料，利用PSInSAR 技術獲取了天池火山2004—2010年的形變時間序列，結果與同期的水準測量結果吻合得較好，表明PSInSAR 可以以毫米級的精度監測火山區地表形變。然后基于考慮地形影響的Mogi模型模擬了PSInSAR 獲取的累積形變場，確定了淺層巖漿房的空間位置。

（3）利用衛星熱紅外遙感技術監測長白山天池火山熱異常：建立了基于Landsat TM/ETM 和ASTER 熱紅外波段遙感影像監測火山熱活動的技術方法體系：首先，分別利用單窗算法和溫度/比輻射率分離算法反演基于Landsat TM/ETM 和ASTER 熱紅外波段遙感影像的區域地表溫度，然后分別計算不同地表覆蓋類型的溫度平均值，去除地表環境因素導致的溫度差異影響，最后通過減去天池氣象站當日的平均氣溫，去除氣象因素的影響，得到了由火山活動引起的溫度異常。

（4）從地震目錄以及GPS基準站位移時間序列資料分析長白山天池火山2002—2006年巖漿擾動事件的機理：2002年以來，太平洋板塊俯沖速度有所加快，在日本島弧地區表現為強震頻發，而我國東北地區5級以上中強地震活動也明顯增多，是板塊俯沖加速導致應力調整在地表的體現。在此應力背景下，長白山天池火山的地幔巖漿房受到較大的應力觸發，使得地殼巖漿房與地幔巖漿房的通道打開，引發一次小規模的巖漿補給，造成基性巖漿與酸性巖漿的混染，即觸發巖漿擾動事件。

（5）利用InSAR 技術研究長周期休眠火山的巖漿系統存儲、運移機制：位于俄羅斯勘察加半島的Kizimen火山歷史上僅噴發過一次，是典型的監測能力較低的長周期休眠火山。本文基于ENVISAT ASAR（C波段）和ALOS PALSAR（L 波段）2種影像資料（共6個航跡），共得到16個相干性較好的干涉圖，結果顯示Kizimen火山在2010年噴發前約2年開始發生大范圍的地表隆升。形變場在升、降軌道的干涉上表現迥異，本文采用升、降軌道干涉聯合反演，約束獲得了巖漿源的幾何參數。根據16幅干涉得到的體積變化，本文利用加權最小二乘方法計算了體積變化時間序列。最后，結合火山地震目錄資料，還原了噴發觸發機制。

通過以上研究，獲得以下結論與認識：

（1）相對于華北華南塊體，我國東北地區現今地殼水平運動比較活躍，整體趨勢性明顯；相對于長春基巖點，我國東北地區整體表現為西升東降的差異性垂直運動形變特征。在長期地殼垂直形變意義上，長白山天池火山并無明顯的形變異常。

（2）長白山天池火山的巖漿房位于天池下方西北側，深度約9km，與層析成像等地球物理監測資料一致。另外，由于巖漿上涌觸發天池火山區分布的部分斷裂兩側活動差異性明顯。

（3）長白山天池火山的衛星熱紅外遙感監測結果表明，2002—2006年火山活動產生的溫度熱異常逐年升高，每年上升約3～7℃；到2005年，熱異常達到了27.5℃，比2002年高出約10℃；自2005年開始，溫度熱異常明顯下降，2006年下降了近10℃，以后溫度場保持平穩的趨勢，恢復到2002年以前的正常水平。與其他常規監測手段（測震、地表形變、流體地球化學）的趨勢一致。由巖石變形與溫度變化的彈性熱力學關系，本文認為長白山天池火山地區在2002—2006年發生了明顯的巖漿擾動事件，導致巖漿房以及周圍圍巖受壓，引起大范圍的異常升溫現象。

（4）長白山天池火山2002—2006年的巖漿擾動事件，與同時間段內我國東北地區頻發的5級以上中強深、淺源地震一樣，都是太平洋板塊向歐亞大陸下方加速俯沖造成的區域應力場變化的結果，而非2002年吉林汪清mb7.2深源地震觸發。

（5）Kizimen火山的2010年噴發屬于典型的裂隙侵入式噴發模式。噴發前，巖漿從深處上侵到7～18km 深處并開始累積存儲，侵入始于2008年9月到2009年4月的某個時間。區域應力場的逐漸增加促進了Kizimen火山下方裂隙的拉張破裂，使得上侵的巖漿在裂隙內存儲而形成狹長的存儲區。裂隙破裂的開始階段，伴隨著區域內零星的地震活動，地表表現為微小的形變，隨著巖漿的不斷補給，裂隙的逐漸破裂，區域地震活動增加，表現為小震震群活動，以及地表的大范圍較大形變。2010年1月前后，裂隙破裂向上傳遞接近地表，小震震群活動表現為震源深度逐漸變淺。逐漸補給的巖漿使得裂隙內的壓力逐漸增大，最終超過了圍巖的強度，巖漿從地殼最薄弱處沖出地表，形成了2010年11月中旬的噴發事件。

總之，本文的研究明確了長白山天池火山的現今形變背景，確定了長白山天池火山下方的巖漿房的空間位置，建立了基于高空間分辨率遙感影像的衛星熱紅外遙感技術監測火山熱異常的技術體系，探討了長白山天池火山2002—2006年巖漿擾動事件的機理，并研究了利用InSAR 技術推斷確定火山巖漿系統的存儲、供給與運移動力機制的方法。