吉林龍崗火山區形變特征與隆升機理分析1

胡亞軒 趙凌強 張文婷 梁國經 綦 偉

1）中國地震局第二監測中心, 西安 710054

2）吉林省地震局, 長春 130022

引言

與吉林長白山天池火山毗鄰的龍崗火山區位于長白山西麓龍崗山脈中段，是我國境內第四紀以來發生單成因火山作用最典型的地區之一，具有高密度分布、多中心爆炸式噴發特點（劉嘉麒，1999；樊祺誠等，1999）。該火山區面積約1 170 km2，共有大小火山160 多個（劉爾義，1990；隋建立等，1999）。噴發活動從早更新世持續到全新世，具有多旋回、多期次和多階段噴發特點，是我國近代主要火山活動區之一。該火山區西北部的金龍頂子火山是最年輕的近代活動火山，距今約1 600 年前發生亞普尼林式噴發，在周圍形成大面積的火山碎屑，具有潛在噴發危險（劉若新等，1998；樊祺誠等，2002；白志達等，2006；于紅梅等，2013）。龍崗火山區地殼平均厚度約為31 km。自1972 年建立吉林省地震臺網后，在該區記錄到200 余次地震，其中4.0 級以上地震4 次，于1997 年和2009 年多次發生震群活動（劉俊清等，2013）。平均震源深度由1985?2002 年的20 km 左右變為2003 年的＜10 km，推測火山區巖漿有從深部向淺部運移的跡象（綦偉等，2013）。現今地震活動區主要分布于老火山區東側的靖宇、撫松一帶（梁國經等，2010）。多期水準資料揭示東北地區火山區垂直運動明顯，龍崗火山區表現為相對上升運動趨勢（郭良遷，1990；胡亞軒等，2009；Ji 等，2014），龍崗火山區巖漿賦存與活動性值得關注。

為揭示龍崗火山區地表三維形變特征與隆升機理，本文收集處理GNSS、水準資料及ALOS-2 衛星資料，結合基于火山區長約160 km 的寬頻帶大地電磁剖面數據反演得到的殼幔電性結構，推測火山區地下巖漿分布情況，了解殼幔巖漿系統，分析地表隆升機理。

1 數據收集與處理

對于火山區水平運動的分析，主要收集整理中國地殼運動觀測網絡工程和中國大陸構造環境監測網絡工程建立的連續觀測基準站及不定期觀測的區域站觀測資料，應用數據處理軟件GAMIT／GLOBK 進行解算。處理數據時，首先由GAMIT 獲得單日松弛解，采用雙頻消除電離層影響，利用FES2004 模型改正海洋潮汐負荷影響，利用GPT 模型進行對流層天頂延遲改正；然后利用GLOBK 將區域站與全球ITRF 站單日松弛解組合，再通過相似變換得到ITRF2008 參考框架下的位移時間序列及速度場，精度需符合限差要求；最后扣除歐亞板塊整體旋轉速度，進一步得到各站點相對歐亞板塊的速度場。

對于火山區垂直運動的分析，一是收集整理20 世紀70 年代至20 世紀90 年代多期國家一等水準觀測資料，采用線性動態平差法得到垂直速度場，選用位于穩定地塊（松遼地塹）的水準基點為擬穩點，為更好地反映火山區地殼運動相對周圍較穩定區域的變化，選取火山區外圍水準點為相對速度參考點；二是應用空間分辨率高，覆蓋范圍廣，具備全天候、全天時、高精度、無需地面控制點等優勢的InSAR 技術分析地表形變變化，可適應火山區觀測點少的情況。吉林龍崗火山區植被茂密，為克服失相干，采用更易穿透植被的L 波段ALOS-2 衛星資料和特殊的處理方法。收集2014?2019 年8景升軌右視影像資料，采用GAMMA Remote Sensing 軟件進行數據處理。為克服時間、空間基線失相干，DEM 誤差，大氣延遲效應等因素對形變監測的影響，進行數據處理時，對得到的差分干涉圖進行Goldstein 濾波。基于GACOS 在線氣象模型估計并去除大氣誤差，通過二次多項式擬合方法去除趨勢性誤差，得到相干性較好的干涉圖，選取誤差改正效果較好的干涉圖，基于干涉圖堆疊技術（Stacking）計算區域平均速度圖，并投影到垂直向。

大地電磁方法（MT）揭示地下巖漿系統的分布。地下電阻率不同的分布特征對應地下介質不同的物性參數，低阻特性往往反映地下介質含水、熔融及溫度等相關信息（白登海等，1994；湯吉等，2001；詹艷等，2006；仇根根等，2014）；火山區分布的低阻體可能與深部的巖漿系統對應。本課題組于2020 年8 月至2020 年10 月在龍崗火山核心群區域及周圍布設長約160 km 的寬頻帶大地電磁剖面，測點間距約4 km。采用5 套MTU-5 A 型衛星同步大地電磁儀進行數據采集。通過二維反演得到火山區地殼和上地幔尺度范圍（0～80 km）的電性結構。

2 數據處理結果

2011?2019 年GNSS 資料得到的各站點相對歐亞板塊的速度場如圖1 所示，由圖1 可知，水平運動以東南向為主，速度＜10 mm/a；東向運動速度為1.49～8.54 mm/a，誤差為0.15～0.7 mm/a；南向運動速度為0.12～5.55 mm/a，誤差為0.16～0.76 mm/a，長白山以東點位速度明顯大于西部。對點位速度沿敦化-密山斷裂帶（DMF）進行分解，分別得到平行和垂直斷裂的速度分布，如圖2 所示。由圖2 可知，敦化-密山斷裂以拉張為主。觀測站位移分量時間序列由圖3 所示，由圖3（a）可知，“3·11 地震”后，各站點東向運動速度相對增大，其中觀測站JLCB 和JLYJ 東向運動速度略大于觀測站CHUN 和SUIY。結合圖1 可知，區域背景場觀測點位主要分布在火山區周圍，距火山區最近的點是區域站E312，該點受“3·11 地震”同震影響明顯。相對歐亞板塊的水平運動速度為5.62 mm/a，與區域平均運動水平相當，如圖3（b）和圖3（c）所示。

圖1 東北地區水平運動速度場（2011?2019 年）Fig. 1 Horizontal velocity field in Northeast China with respect to Eurasia block（2011?2019）

圖2 跨敦化-密山斷裂帶的GNSS 運動剖面Fig. 2 GNSS profiles across Dunhua-Mishan fault （DMF）

圖3 觀測站位移分量時間序列Fig. 3 Time series of E and N displacement component at GNSS observation station（E312）

由布設在東北地區的國家精密水準路線多期觀測結果可知，撫松-靖宇一帶的水準資料可反映火山區的地殼運動（胡亞軒，2017）。龍崗火山區各水準點相對“長撫83 基上”的運動速度如圖4 所示，由圖4 可知，研究區域運動以上升為主，其中火山區北部及撫松以南相對運動上升速度小，＜2.08 mm/a。撫松-靖宇一帶相對隆升速度較大，為2.18～3.29 mm/a。收集的8景影像資料主要覆蓋區域如圖4 所示，時間分別為2014-11-25、2015-02-03、2015-10-13、2015-11-24、2017-01-31、2017-03-14、2019-01-01，區域內分布有部分水準點。圖5 所示為應用InSAR 技術得到的研究區垂向運動速度，由圖5 可知，靖宇附近為相對隆升較集中的區域，與傳統水準測量觀測到的垂直運動趨勢相吻合。

圖4 水準路線與垂直形變速度Fig. 4 Distributions of the leveling routes and vertical velocities

圖5 利用InSAR 技術得到的垂直形變速度（2014 年9 月?2019 年1 月）Fig. 5 Vertical velocities by InSAR（2 014.09?2 019.01）

通過大地電磁反演得到的火山區地殼和上地幔尺度范圍電性結構表明，研究區在地殼范圍內整體上表現為深淺不一的高阻結構，推測該區域巖漿已固結（圖6）。高阻結構層可分辨出渾江斷裂與鴨綠江斷裂兩側電阻的差異性。R1 區上地殼高阻體較淺，深度分布在18 km 以上；金龍頂子火山附近下方最淺，深度＜10 km。金龍頂子火山至渾江斷裂的R2 區為火山群核心區，火山錐分布密度大，是早期噴發形成的火山，下方高阻體分布深至40 km，推測此地殼尺度的高阻結構可能是火山活動周期第二期龍崗期（中?晚更新世）活動后固結的巖漿系統，這與通過地震學資料得到的結果一致（Song 等，2007；范興利等，2020）。撫松一帶高阻體R3 分布較平緩，深至20 km，并表現出向東繼續平緩延伸的趨勢。

圖6 深部電性結構和解譯Fig. 6 Deep electric structure and interpretation of the profile

與上地殼高阻結構分布相對應，火山區下方存在大規模的低阻結構，推測可能為中下地殼巖漿系統。自西向東的3 個低阻體C1、C2、C3 呈現出深淺不一的特征，整體上在下地殼及地幔尺度相互連接，并表現出向東西兩側繼續延伸的趨勢。其中C1 區域深度最小，并存在1 條西傾且延伸至10 km 以下的低阻條帶，與上方最新噴發的金龍頂子火山對應，推測為可能的巖漿通道，并與中下地殼巖漿系統相連。約1 600 年前的噴發可能沿此巖漿通道外溢，隨著巖漿補給作用的減弱，噴發活動結束，淺部巖漿系統固結，逐步轉化為高阻形態。C3 區域巖漿平均深度約30 km，與形變反演結果一致（胡亞軒等，2009）。結合地震研究結果（Guo 等，2016），認為上涌的軟流圈可能已到達（或接近）莫霍面位置。該地區中下地殼及地幔尺度分布地低阻結構與通過地震資料揭示的龍崗和天池火山區在長周期圖像上呈現的大范圍低速異常特征一致（王武等，2017；范興利等，2020），也與通過大地電磁探測在長白山天池火山區東西向剖面揭示的中下地殼低阻結構特征一致（湯吉等，2001），表明火山下地殼（深度為20～40 km）和上地幔（深度為60～70 km）頂部相應深度位置可能存在部分熔融（胡亞軒等，2018），推測2 座火山在中深部共用同一巖漿系統。下地殼低速可能代表幔源巖漿底侵進入地殼后形成的主要巖漿存儲區，同時上地幔的低速區可能與軟流圈上涌有關，上涌的熱物質進一步可追溯到地幔轉換帶的深度（Zhao 等，1997；Lei 等，2005）。這與已有學者在我國東北地區獲得的大尺度成像結果吻合（張風雪等，2013，2014；Guo 等，2016），認為太平洋板塊向上地幔俯沖，板塊斷層內攜帶的大量水分在高溫高壓環境下被釋放，并在深度410 km 間斷面附近造成地幔物質部分熔融，形成深部的巖漿源補給源，地幔對流時這些熱物質上涌，一部分保留在上地幔和地殼中（楊清福等，2011；田有等，2019）。

3 火山區隆升機理分析與討論

龍崗火山區是我國近代主要火山活動區之一，位于構造活動相對穩定的東北地塊（張培震等，2002）。我國東北地區現今地殼運動主要受太平洋板塊俯沖及日本東北地震影響，太平洋板塊的西向俯沖在日本海及我國東北地區形成北西西向主壓應力，在吉林省琿春市一帶形成我國唯一發生中深源地震的地區。2002 年，吉林省汪清縣發生MW7.3 深震，在同一時期長白山天池火山巖漿發生擾動，出現地震事件增多、形變量增大等現象，較大異常持續至2006 年（Xu 等，2012）。受2011 年3 月11 日本州東海岸MW9.0 地震影響，在我國105°E 以東區域產生同震變形，我國東北地區GNSS 觀測站發生厘米級的同震水平位移（王敏等，2011）。震后的黏彈性松弛對該地區有拉張效應（梁明，2018；Wang 等，2020），特別是對敦化-密山斷裂東側點位的影響更強烈（圖2）。于吉鵬等（2019）利用2012?2017 年GNSS 資料得到的敦化-密山斷裂兩側拉張量遠大于依蘭-伊通斷裂。本文由2011?2019 年資料得到斷裂帶速度剖面，計算敦化-密山斷裂兩側速度平均值，得到相對滑動速度為1.72 mm/a，拉張量為2.16 mm/a。依蘭-伊通斷裂規模較大，分段特征明顯，為全新世活動斷裂。其中沈陽-吉林段（圖1）距龍崗火山相對較近，古地震及地質資料揭示垂直運動相對明顯（Yu 等，2018）。現今已觀測的斷層兩側GNSS 點位分布相對稀疏，水平運動綜合分析結果表明該時段斷裂運動量較小。區域構造活動受2 條主要斷裂（敦化-密山斷裂和依蘭-伊通斷裂）影響明顯，二者均已深切入地殼，特別是敦化-密山斷裂下方莫霍面錯斷明顯，玄武巖包體推斷斷裂深度＞67.5 km。在34 km 的深度上，約以地表的敦化-密山斷裂為界，西北為低速擾動，而東南為高速擾動，推測該超殼深大斷裂兩側介質結構有較大差別（張廣成，2013；龐廣華，2017）。東北深源地震震中分布在敦化-密山斷裂以東，敦化-密山斷裂曾經歷多次擠壓、拉張及走滑運動，斷裂帶上分布著多處長條狀地塹型沉積盆地（王凱紅等，2004）。由水準觀測和由InSAR 技術得到的現今地殼垂直運動在距敦化-密山斷裂較近的點位相對運動較小，而地震頻發的靖宇一帶火山區域相對隆升較大，隆升區域近似于常見的Mogi 模型引起的地表形變特征（胡亞軒等，2018），不同于正傾滑斷層活動引起的地表形變。

火山區微震活動往往與殼內淺的熱物質活動相關，火山區地下淺層巖漿運移產生的壓力會使地殼發生變形。龍崗火山區近年來小震活動集中在撫松-靖宇一帶，該處低阻結構相對較淺，推測該處巖漿活動引起地殼隆升。應力的變化引起淺層次級斷裂活動，促使小震發生。渾江斷裂帶小斷層及分支斷層較多，斷裂帶活動時代較新。龍崗火山區位于敦化-密山斷裂與鴨綠江斷裂之間，分布的主要是渾江斷裂帶東北段（圖1），由于被新生代玄武巖掩蓋，形跡不明，但航磁資料證實其確實存在（張國生等，2009）。MT 結果揭示高阻體R2 和R3 在中下地殼表現為明顯的電性間斷面特征，東側下地殼以低阻結構為主（圖6），可能為渾江斷裂東北段的分布。斷裂帶東北段端點應力易集中，為地震多發部位。長白山天池、龍崗火山區地殼變形受太平洋板塊俯沖及殼幔物質運動影響。北西西向的區域應力引發東北地區深震的同時，也會引起火山區巖漿的擾動。龍崗火山區處在太平洋板塊俯沖帶上，深度410 km 的地幔物質部分熔融，地幔對流作用使這些熱物質上涌，一部分保留在上地幔和地殼中的物質表現為低阻、低速異常，淺層巖漿的活動易引起地殼變形。現今龍崗火山區震源深度變小，推測幔源物質的上涌及間斷性向上的運移引起地殼隆升及地震活動。

4 結論

通過分析龍崗火山區的三維地殼運動及深部電性結構，可看出相對歐亞板塊，我國東北地區2011?2019 年水平運動仍以東南向為主，火山區水平運動與區域運動場基本一致。受日本“3·11 地震”影響，火山區附近出現＞17 mm 的同震位移。敦化-密山斷裂以東的GNSS 觀測站水平運動強烈，斷裂現以拉張運動為主。火山區近年來地震多發生在撫松-靖宇一帶，垂直運動以隆升為主。火山區及鄰區地殼范圍內（深度40 km 以內）分布深淺不一的高阻結構，且在早期形成的火山區下方分布更深，推測與巖漿的固結作用有關。對于高阻體下方的大規模低阻結構，推測為中下地殼巖漿系統。受太平洋板塊俯沖影響，龍崗火山區幔源物質的上涌及間斷性向上運移，淺層巖漿活動性較強，火山區的地殼隆升及地震活動可能與巖漿活動有關。