利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測長白山天池火山活動性

季靈運

（中國地震局地質(zhì)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(fā)的大型近代活動火山。長白山天池火山歷史上發(fā)生了多次噴發(fā)事件，曾造成了巨大的災難，發(fā)生在公元946年的大噴發(fā)，就規(guī)模和猛烈程度而言，屬于全球近2000年以來最大的爆炸噴發(fā)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(tǒng)的地質(zhì)、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(wǎng)監(jiān)測研究工作，取得了很多有益的成果。但這些常規(guī)的監(jiān)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(qū)下部的淺層巖漿系統(tǒng)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(jiān)測資料進行了巖漿房參數(shù)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(shù)不盡一致，存在爭議。常規(guī)手段的監(jiān)測結(jié)果表明，長白山天池火山2002—2006年發(fā)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(xiàn)今正在噴發(fā)的活動火山，火山巖漿系統(tǒng)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(shù)是近二十年發(fā)展起來的全新空間對地觀測技術(shù)，能夠以較高的時間、空間分辨率對地表實現(xiàn)大范圍監(jiān)測，具有其他大地測量手段無法比擬的優(yōu)勢。此外，作為遙感領(lǐng)域的一個重要分支，衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)以其安全、有效、宏觀、周期性地遠距離對地觀測的優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應用于各種類型的地表熱變化監(jiān)測?；贗nSAR 技術(shù)和衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)的優(yōu)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(shù)在火山領(lǐng)域的應用與相關(guān)研究。主要研究內(nèi)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(qū)1999—2007 年的GPS水平速度場，以及日本及周邊地區(qū)2000—2010年的GPS速度場；從國家測繪局大地測量數(shù)據(jù)處理中心收集了我國東北地區(qū)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(shù)的垂直形變網(wǎng)整體平差方法，計算得到了我國東北地區(qū)長期地殼垂直形變速率。

（2）利用PSInSAR 技術(shù)監(jiān)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(shù)獲取了天池火山2004—2010年的形變時間序列，結(jié)果與同期的水準測量結(jié)果吻合得較好，表明PSInSAR 可以以毫米級的精度監(jiān)測火山區(qū)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(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)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(jiān)測火山熱活動的技術(shù)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(qū)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(huán)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(qū)表現(xiàn)為強震頻發(fā)，而我國東北地區(qū)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(diào)整在地表的體現(xiàn)。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(fā)，使得地殼巖漿房與地幔巖漿房的通道打開，引發(fā)一次小規(guī)模的巖漿補給，造成基性巖漿與酸性巖漿的混染，即觸發(fā)巖漿擾動事件。

（5）利用InSAR 技術(shù)研究長周期休眠火山的巖漿系統(tǒng)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(fā)過一次，是典型的監(jiān)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(jié)果顯示Kizimen火山在2010年噴發(fā)前約2年開始發(fā)生大范圍的地表隆升。形變場在升、降軌道的干涉上表現(xiàn)迥異，本文采用升、降軌道干涉聯(lián)合反演，約束獲得了巖漿源的幾何參數(shù)。根據(jù)16幅干涉得到的體積變化，本文利用加權(quán)最小二乘方法計算了體積變化時間序列。最后，結(jié)合火山地震目錄資料，還原了噴發(fā)觸發(fā)機制。

通過以上研究，獲得以下結(jié)論與認識：

（1）相對于華北華南塊體，我國東北地區(qū)現(xiàn)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(qū)整體表現(xiàn)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(cè)，深度約9km，與層析成像等地球物理監(jiān)測資料一致。另外，由于巖漿上涌觸發(fā)天池火山區(qū)分布的部分斷裂兩側(cè)活動差異性明顯。

（3）長白山天池火山的衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測結(jié)果表明，2002—2006年火山活動產(chǎn)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(wěn)的趨勢，恢復到2002年以前的正常水平。與其他常規(guī)監(jiān)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(guān)系，本文認為長白山天池火山地區(qū)在2002—2006年發(fā)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(xiàn)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(nèi)我國東北地區(qū)頻發(fā)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(qū)域應力場變化的結(jié)果，而非2002年吉林汪清mb7.2深源地震觸發(fā)。

（5）Kizimen火山的2010年噴發(fā)屬于典型的裂隙侵入式噴發(fā)模式。噴發(fā)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(qū)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(nèi)存儲而形成狹長的存儲區(qū)。裂隙破裂的開始階段，伴隨著區(qū)域內(nèi)零星的地震活動，地表表現(xiàn)為微小的形變，隨著巖漿的不斷補給，裂隙的逐漸破裂，區(qū)域地震活動增加，表現(xiàn)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(xiàn)為震源深度逐漸變淺。逐漸補給的巖漿使得裂隙內(nèi)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(fā)事件。

總之，本文的研究明確了長白山天池火山的現(xiàn)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(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)監(jiān)測火山熱異常的技術(shù)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(shù)推斷確定火山巖漿系統(tǒng)的存儲、供給與運移動力機制的方法。