長白山火山區現今地殼運動特征及動力學環境分析

胡亞軒 趙凌強 宋尚武 莊文泉

1 中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號，710054

中國東北地塊現今地殼運動主要受西太平洋板塊俯沖及日本東北地震的影響。太平洋板塊自北向南以不同的速度俯沖至歐亞板塊/北美板塊和菲律賓板塊之下，其中向歐亞板塊俯沖的速度約為80～90 mm/a，從東至西依次經過日本島弧東部海域-日本列島-日本海-長白山-松遼盆地，以一個復雜的海溝-島弧-弧后系統作用于中國大陸東部[1]。自晚中生代以來，由于太平洋板塊西向俯沖作用，中國東北地區巖石圈經歷多期擠壓和拉張演化過程，期間發生不同時期的地震及火山活動，引起構造變形，形成一系列裂谷帶、盆地、火山帶等[2]。日本列島受太平洋板塊、北美板塊、歐亞大陸板塊以及菲律賓板塊相互作用影響，構造運動活躍，地震、火山等自然災害頻發。太平洋板塊向北西方向俯沖至日本島之下，引發日本海溝多次7級及以上板內地震。2011-03-11日本本州東海岸發生MW9.0地震(3·11大震)，日本近海溝處最大同震滑移量超過50 m[3]。中國大陸東北和華北地區觀測站觀測到的同震水平位移為cm級，張性應變相對較明顯，最大處約為40 nanostrain[4]。

中國東北地區發育眾多第四紀陸內火山，廣義的長白山火山在中國境內包括天池火山、望天鵝火山、圖們江火山和龍崗火山。根據長白山天池火山噴發的旋回性和周期性規律以及長期的火山地震、溫泉和形變監測結果可知[5]，長白山天池火山未來具有再次發生大規模爆炸式噴發的危險性。與長白山天池火山毗鄰的龍崗火山群，具有高密度分布、多中心爆炸式噴發特征[6]，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。其中，火山群西北部的金龍頂子火山為最年輕的近代活動火山，在距今約1 600 a發生過噴發，因此也具有潛在的噴發危險[7]。

本文基于日本GNSS地球觀測網絡(GEONET)資料和中國東北地區GNSS及水準觀測資料，綜合分析區域三維地殼運動特征以及3·11大震前后水平速度場變化，探討太平洋板塊俯沖及殼幔對流對長白山火山區現今地殼運動及火山活動的影響。

1 日本東北地區水平運動特征

日本GNSS連續觀測臺網始建于1993年，至1999年已建成由1 000余個連續觀測站組成的GEONET網，平均點間距約為20 km(圖1)，密集的觀測臺網可為認識大地震變形的動力學機理和區域介質性質提供良好的觀測依據。選取GEONET網中分布在日本東北地區、距震中不同距離的部分觀測站進行位移分量時間序列分析，研究數據來自內華達大學大地測量實驗室。

圖1 主要研究區域及GNSS觀測站分布

日本東北地區的奧羽山脈地區(東北地區中央山脈)是運動較為強烈的區域，在太平洋板塊近東西向推擠下，山脈地區向南北兩個方向擠出，奧羽山脈地殼隆升和火山活動會釋放部分能量。對日本東北地區GNSS觀測站位移時空變化特征進行分析，總體來看，奧羽山脈為地殼變形的主要分界帶[8]。從2014～2019年水平位移得到的面膨脹率可以看出，受太平洋板塊NWW向俯沖擠壓作用影響，現今主壓應變仍以近東西向壓縮為主(圖2)，范圍為距震中500 km區域，也是大震94%能量的釋放區域[9]。2009年至2011年3·11大震前，西部海岸至分界帶區域GEONET連續觀測站主要為東向運動。以西部觀測站J252、J232、J194、J192為例(圖3)，大震前主要為東向運動，推測在上新世已停止擴張作用的日本海以沿其東緣西向俯沖和擴展運動為主。日本海具有較高的熱流和海底擴張特征，日本海盆東側多發地震，表明日本海在繼續擴展。中部觀測站水平變形較小，圖3中J931、J917觀測站運動速度變化較小。分界帶至東部海岸區域觀測站則以西向運動為主，從圖3中J172、MIZU、J550觀測站可以看出，西向位移量均大于20 mm，西向運動也是日本東部地區的優勢運動方向，基本上與太平洋板塊的俯沖方向一致。3·11大震發生后，J550測站東向同震位移達5.4 m(圖4)。大震后日本北部地區發生明顯的東向位移，從距離震中最近的J550測站到最西部的J252測站均可以看出震后的指數衰減。3·11大震影響范圍廣，震后影響隨時間推移而逐漸衰減，地震造成的粘彈性松弛在未來50～100 a尺度上對中國東北地區具有拉張效應，但相對日本海擴展作用的時間影響范圍仍為很小尺度。

圖2 面膨脹率場

圖3 3·11地震前GNSS連續觀測站位移E分量時間序列

圖4 3·11地震后GNSS連續觀測站位移E分量時間序列

2 長白山火山區三維運動特征

2.1 水平運動特征

日本東北部海溝地震頻發是中國東北區域應力變化調整的原因之一。日本海溝發生地震后，日本島、日本海以及中國東北地區地殼及地幔會出現相應活動。大地測量觀測資料主要是反映地殼運動特征，在一定條件下也可反映地幔頂部的水平流動。日本3·11大震在中國105°E以東區域產生同震變形，震后變形是震后余滑和粘滯性松弛等作用的綜合反映，地震造成的粘彈性松弛對中國東北地區會產生拉張效應。對東北地區2011～2019年GNSS觀測資料進行解算，結果表明，相對于歐亞板塊，水平運動以東南向為主，說明受海溝-島弧-弧后體系拉張作用影響，大陸具有向大洋方向運動的趨勢，速率在10 mm/a以內(圖5)，點位運動速率較大。3·11大震引起GNSS連續觀測站JLCB的同震位移近30 mm(圖6)。從CHUN、SUIY測站斜率變化可知，大震后各測站東向運動速度相對增大。從圖5和圖6可以看出，敦化-密山斷裂以東測站的運動速率較大，這也是拉張量較大的原因。JLCB、JLYJ測站的速度略大于CHUN、SUIY測站，且仍大于各點震前的長期運動速度，表明日本大震對中國東北地區地殼運動趨勢的影響仍在持續。

藍色表示2011～2019年同震位移；紅色表示3·11大震同震位移[4]

圖6 GNSS連續觀測站位移E分量時間序列

2.2 垂直運動特征

中國東北地區在新生代構造運動強烈，伊舒地塹和敦密地塹在新生代沉降達數千米，同時在部分地區還發育褶皺構造和大量斷裂。1951～1982年一等水準資料表明，吉林-通化地區上升速率較大[10]。1970年代至1990年代多期水準資料表明，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。收集1980年代至2010年代一、二等水準路線觀測資料，選用GNSS連續站垂直速率作為先驗值，通過與水準數據進行聯合解算，獲取統一框架下的垂直形變場(圖7)。結果表明，龍崗火山區垂直速率為-0.39～2.16 mm/a，火山區東部渾江-撫松一帶隆升速率較大。撫松地區是渾江斷裂在北部的延伸，也是地震多發地區，仙人橋溫泉群是長白山火山區地熱主要分布區域。

圖7 中國東北地區垂直運動速度場及龍崗火山區MT測點分布

3 長白山火山區動力學環境分析

3.1 太平洋板塊俯沖與長白山火山區現今地殼運動

西太平洋俯沖帶以在日本海溝俯沖為主，其以高速度、小傾角向歐亞大陸強烈俯沖推擠，熱物質上涌、地幔對流以及巖石層底部拖曳等多種驅動力共同決定著整個中國東北地區的構造運動狀態以及地表運動格局，對斷裂帶運動及鄰區構造運動具有重要影響[11]，板塊的西向俯沖在日本海及中國東北地區形成NWW向主壓應力。地震震源深度從日本島向西逐步加深，并延伸至最西端約1 100 km外的中國東北大陸之下，在吉林琿春一帶發生中國唯一的中深源地震。中國東北深震帶上的深源地震還時有發生，說明西太平洋板塊仍在向中國東北大陸俯沖，俯沖方向、速度和角度隨時間而發生變化。現今板塊的運動方向決定著區域應力變化及地震時空分布特征。受3·11大震震后應力調整影響，現今中國東北地區地殼運動以粘滯性松弛效應影響為主，YYF和DMF兩條斷裂以拉張為主，走滑分量較小，DMF以東觀測站的水平運動速度明顯大于西側站點。

日本海-中國東北深震區前緣地震帶是歐亞板塊與西太平洋板塊之間部分區段的深部分界，日本海的擴張作用可能在上新世后已停止并轉為沿其東緣發生俯沖作用或日本海與日本本島的聚合作用，日本海淺震的發生以及現今GNSS觀測結果表明兩者可能仍在發生作用。歐亞板塊與太平洋板塊碰撞主要出現在日本東北地區西側，太平洋板塊俯沖作用影響范圍主要為從海岸到陸地200 km范圍內。板塊俯沖對中國東北地塊的影響可能主要表現為與深俯沖有關的深部熱作用和深源地震，對地殼運動的直接影響較小。中國東北長白山火山是與太平洋俯沖板塊在地幔轉換帶內的滯留和深部脫水等過程密切相關的弧后板內火山。2002年吉林汪清發生7.2級深震，受同一區域應力場影響，距離深震區約250 km以外的長白山天池火山在2002～2006年發生巖漿擾動，地震事件增多，在火山口附近出現最大14.3 mm/a的水平運動和46.0 mm/a的垂直運動[12]。3·11大震后，中國東北地震主要發生在松遼盆地和大興安嶺地區，大震引起的天池火山區面膨脹為46 nanostrain，體膨脹為14 nanostrain[13]，但地震未明顯增多，表明淺層巖漿未受到擾動[14]。

3.2 巖石圈物質流動與長白山火山區現今地殼運動

中國東北地區新構造變形及板內運動明顯受到地幔上隆/火山活動與裂谷盆地擴張等弧后活動的強烈影響，中國東北地區地殼與上地幔具有較強的橫向不均勻性，較薄的巖石圈與熱物質上涌及殼內存在巖漿囊有關，中國東部新生代玄武巖一般被認為是上地幔部分熔融的產物。由于板塊俯沖導致東亞大陸擴張，引起上地幔上拱及局部物質熔融并沿巖石圈斷裂帶上涌和噴溢至地表。長白山火山區的低速異常反映出區域性熱構造信息，上涌的軟流圈可能已經到達(或接近)莫霍面位置[15]，同時火山區的隆升可能說明局部殼幔物質活動對地殼活動的影響。郭良遷[10]研究認為，東北斷塊區現代地形變形態與地殼厚度變化形態及其等值線走向截然不同，這可能表明現代地形變未完全反映地殼整體變化，可能主要反映地殼中部和上部地層的變化。自1972年吉林省地震臺網建立后，長白山龍崗火山區記錄到200余次地震，其中4.0級以上地震4次，且在1997和2009年多次發生震群活動，震源深度在1985～2002年約為20 km，2003年以后平均深度小于10 km。大地電磁方法獲取的地下電阻率分布特征表明，地下介質物性參數存在差異，火山區分布的低阻體可能與深部巖漿系統相對應。2020年在火山區布設由7條剖面、近100個測點組成的大地電磁觀測網，點位分布見圖7，三維電磁反演得到的電性結構結果揭示殼內存在低阻體(圖8)。25 km以上的低阻結構主要分布在水準資料揭示的隆升區和現今的小震多發區，推測巖漿從深部向淺部運移引起火山區持續的相對隆升及小震活動。

圖8 龍崗火山區電性結構及地震分布

4 結 語

太平洋板塊向西強烈俯沖，使得日本海溝大震多發，NWW向主壓應力從東至西依次作用于日本列島、日本海及中國東北地區。奧羽山脈是日本東北地殼運動的分界帶，大致為太平洋板塊俯沖作用的影響范圍。3·11大震前，奧羽山脈以西點位以東向位移為主，中部點位位移量較小，西部點位以西向位移為主。3·11大震后，地殼運動以東向位移為主，但奧羽山脈以西點位東向運動速率明顯大于東側點位。中國東北地區現今地殼運動特征與太平洋板塊的俯沖、太平洋板塊和菲律賓板塊與歐亞板塊的碰撞和擠壓、日本海溝大震、地幔對流以及斷層調整等作用有關；現今地殼運動活躍，存在深、淺源地震；受日本3·11大震震后粘滯性松弛效應影響，研究區東部仍以拉張運動為主。太平洋板塊的深部俯沖引起區域應力變化，2002年在吉林汪清發生深震。長白山火山區由于存在殼幔巖漿，應力變化引起天池火山巖漿擾動，導致火山區產生明顯地殼變形。2011年日本3·11地震引起東北地區應力發生變化和調整，但并未引起長白山火山區淺層巖漿擾動。龍崗火山區地殼的長期隆升和小震發生，推測是由火山區巖漿運移所引起。

致謝：本研究中GEONET數據的應用及文獻資料的積累得益于與東京大學地震研究所Akito Araya教授的合作及探討，工作期間也得到研究所有關師生的協助和管理人員的支持，在此一并表示感謝。