吉林龍崗火山區(qū)形變特征與隆升機(jī)理分析1

胡亞軒 趙凌強(qiáng) 張文婷 梁國經(jīng) 綦 偉

1）中國地震局第二監(jiān)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(qū)位于長白山西麓龍崗山脈中段，是我國境內(nèi)第四紀(jì)以來發(fā)生單成因火山作用最典型的地區(qū)之一，具有高密度分布、多中心爆炸式噴發(fā)特點(diǎn)（劉嘉麒，1999；樊祺誠等，1999）。該火山區(qū)面積約1 170 km2，共有大小火山160 多個(gè)（劉爾義，1990；隋建立等，1999）。噴發(fā)活動(dòng)從早更新世持續(xù)到全新世，具有多旋回、多期次和多階段噴發(fā)特點(diǎn)，是我國近代主要火山活動(dòng)區(qū)之一。該火山區(qū)西北部的金龍頂子火山是最年輕的近代活動(dòng)火山，距今約1 600 年前發(fā)生亞普尼林式噴發(fā)，在周圍形成大面積的火山碎屑，具有潛在噴發(fā)危險(xiǎn)（劉若新等，1998；樊祺誠等，2002；白志達(dá)等，2006；于紅梅等，2013）。龍崗火山區(qū)地殼平均厚度約為31 km。自1972 年建立吉林省地震臺(tái)網(wǎng)后，在該區(qū)記錄到200 余次地震，其中4.0 級(jí)以上地震4 次，于1997 年和2009 年多次發(fā)生震群活動(dòng)（劉俊清等，2013）。平均震源深度由1985?2002 年的20 km 左右變?yōu)?003 年的＜10 km，推測火山區(qū)巖漿有從深部向淺部運(yùn)移的跡象（綦偉等，2013）。現(xiàn)今地震活動(dòng)區(qū)主要分布于老火山區(qū)東側(cè)的靖宇、撫松一帶（梁國經(jīng)等，2010）。多期水準(zhǔn)資料揭示東北地區(qū)火山區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)明顯，龍崗火山區(qū)表現(xiàn)為相對上升運(yùn)動(dòng)趨勢（郭良遷，1990；胡亞軒等，2009；Ji 等，2014），龍崗火山區(qū)巖漿賦存與活動(dòng)性值得關(guān)注。

為揭示龍崗火山區(qū)地表三維形變特征與隆升機(jī)理，本文收集處理GNSS、水準(zhǔn)資料及ALOS-2 衛(wèi)星資料，結(jié)合基于火山區(qū)長約160 km 的寬頻帶大地電磁剖面數(shù)據(jù)反演得到的殼幔電性結(jié)構(gòu)，推測火山區(qū)地下巖漿分布情況，了解殼幔巖漿系統(tǒng)，分析地表隆升機(jī)理。

1 數(shù)據(jù)收集與處理

對于火山區(qū)水平運(yùn)動(dòng)的分析，主要收集整理中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)工程和中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)工程建立的連續(xù)觀測基準(zhǔn)站及不定期觀測的區(qū)域站觀測資料，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件GAMIT／GLOBK 進(jìn)行解算。處理數(shù)據(jù)時(shí)，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(fù)荷影響，利用GPT 模型進(jìn)行對流層天頂延遲改正；然后利用GLOBK 將區(qū)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(shí)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(zhuǎn)速度，進(jìn)一步得到各站點(diǎn)相對歐亞板塊的速度場。

對于火山區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)的分析，一是收集整理20 世紀(jì)70 年代至20 世紀(jì)90 年代多期國家一等水準(zhǔn)觀測資料，采用線性動(dòng)態(tài)平差法得到垂直速度場，選用位于穩(wěn)定地塊（松遼地塹）的水準(zhǔn)基點(diǎn)為擬穩(wěn)點(diǎn)，為更好地反映火山區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)相對周圍較穩(wěn)定區(qū)域的變化，選取火山區(qū)外圍水準(zhǔn)點(diǎn)為相對速度參考點(diǎn)；二是應(yīng)用空間分辨率高，覆蓋范圍廣，具備全天候、全天時(shí)、高精度、無需地面控制點(diǎn)等優(yōu)勢的InSAR 技術(shù)分析地表形變變化，可適應(yīng)火山區(qū)觀測點(diǎn)少的情況。吉林龍崗火山區(qū)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(wèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為克服時(shí)間、空間基線失相干，DEM 誤差，大氣延遲效應(yīng)等因素對形變監(jiān)測的影響，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，對得到的差分干涉圖進(jìn)行Goldstein 濾波。基于GACOS 在線氣象模型估計(jì)并去除大氣誤差，通過二次多項(xiàng)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(shù)（Stacking）計(jì)算區(qū)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(tǒng)的分布。地下電阻率不同的分布特征對應(yīng)地下介質(zhì)不同的物性參數(shù)，低阻特性往往反映地下介質(zhì)含水、熔融及溫度等相關(guān)信息（白登海等，1994；湯吉等，2001；詹艷等，2006；仇根根等，2014）；火山區(qū)分布的低阻體可能與深部的巖漿系統(tǒng)對應(yīng)。本課題組于2020 年8 月至2020 年10 月在龍崗火山核心群區(qū)域及周圍布設(shè)長約160 km 的寬頻帶大地電磁剖面，測點(diǎn)間距約4 km。采用5 套MTU-5 A 型衛(wèi)星同步大地電磁儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過二維反演得到火山區(qū)地殼和上地幔尺度范圍（0～80 km）的電性結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2011?2019 年GNSS 資料得到的各站點(diǎn)相對歐亞板塊的速度場如圖1 所示，由圖1 可知，水平運(yùn)動(dòng)以東南向?yàn)橹?，速度?0 mm/a；東向運(yùn)動(dòng)速度為1.49～8.54 mm/a，誤差為0.15～0.7 mm/a；南向運(yùn)動(dòng)速度為0.12～5.55 mm/a，誤差為0.16～0.76 mm/a，長白山以東點(diǎn)位速度明顯大于西部。對點(diǎn)位速度沿敦化-密山斷裂帶（DMF）進(jìn)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(shí)間序列由圖3 所示，由圖3（a）可知，“3·11 地震”后，各站點(diǎn)東向運(yùn)動(dòng)速度相對增大，其中觀測站JLCB 和JLYJ 東向運(yùn)動(dòng)速度略大于觀測站CHUN 和SUIY。結(jié)合圖1 可知，區(qū)域背景場觀測點(diǎn)位主要分布在火山區(qū)周圍，距火山區(qū)最近的點(diǎn)是區(qū)域站E312，該點(diǎn)受“3·11 地震”同震影響明顯。相對歐亞板塊的水平運(yùn)動(dòng)速度為5.62 mm/a，與區(qū)域平均運(yùn)動(dòng)水平相當(dāng)，如圖3（b）和圖3（c）所示。

圖1 東北地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)剖面Fig. 2 GNSS profiles across Dunhua-Mishan fault （DMF）

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

由布設(shè)在東北地區(qū)的國家精密水準(zhǔn)路線多期觀測結(jié)果可知，撫松-靖宇一帶的水準(zhǔn)資料可反映火山區(qū)的地殼運(yùn)動(dòng)（胡亞軒，2017）。龍崗火山區(qū)各水準(zhǔn)點(diǎn)相對“長撫83 基上”的運(yùn)動(dòng)速度如圖4 所示，由圖4 可知，研究區(qū)域運(yùn)動(dòng)以上升為主，其中火山區(qū)北部及撫松以南相對運(yùn)動(dòng)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(qū)域如圖4 所示，時(shí)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(qū)域內(nèi)分布有部分水準(zhǔn)點(diǎn)。圖5 所示為應(yīng)用InSAR 技術(shù)得到的研究區(qū)垂向運(yùn)動(dòng)速度，由圖5 可知，靖宇附近為相對隆升較集中的區(qū)域，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量觀測到的垂直運(yùn)動(dòng)趨勢相吻合。

圖4 水準(zhǔn)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(shù)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(qū)地殼和上地幔尺度范圍電性結(jié)構(gòu)表明，研究區(qū)在地殼范圍內(nèi)整體上表現(xiàn)為深淺不一的高阻結(jié)構(gòu)，推測該區(qū)域巖漿已固結(jié)（圖6）。高阻結(jié)構(gòu)層可分辨出渾江斷裂與鴨綠江斷裂兩側(cè)電阻的差異性。R1 區(qū)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(qū)為火山群核心區(qū)，火山錐分布密度大，是早期噴發(fā)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(jié)構(gòu)可能是火山活動(dòng)周期第二期龍崗期（中?晚更新世）活動(dòng)后固結(jié)的巖漿系統(tǒng)，這與通過地震學(xué)資料得到的結(jié)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(xiàn)出向東繼續(xù)平緩延伸的趨勢。

圖6 深部電性結(jié)構(gòu)和解譯Fig. 6 Deep electric structure and interpretation of the profile

與上地殼高阻結(jié)構(gòu)分布相對應(yīng)，火山區(qū)下方存在大規(guī)模的低阻結(jié)構(gòu)，推測可能為中下地殼巖漿系統(tǒng)。自西向東的3 個(gè)低阻體C1、C2、C3 呈現(xiàn)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(xiàn)出向東西兩側(cè)繼續(xù)延伸的趨勢。其中C1 區(qū)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(fā)的金龍頂子火山對應(yīng)，推測為可能的巖漿通道，并與中下地殼巖漿系統(tǒng)相連。約1 600 年前的噴發(fā)可能沿此巖漿通道外溢，隨著巖漿補(bǔ)給作用的減弱，噴發(fā)活動(dòng)結(jié)束，淺部巖漿系統(tǒng)固結(jié)，逐步轉(zhuǎn)化為高阻形態(tài)。C3 區(qū)域巖漿平均深度約30 km，與形變反演結(jié)果一致（胡亞軒等，2009）。結(jié)合地震研究結(jié)果（Guo 等，2016），認(rèn)為上涌的軟流圈可能已到達(dá)（或接近）莫霍面位置。該地區(qū)中下地殼及地幔尺度分布地低阻結(jié)構(gòu)與通過地震資料揭示的龍崗和天池火山區(qū)在長周期圖像上呈現(xiàn)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(qū)東西向剖面揭示的中下地殼低阻結(jié)構(gòu)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(yīng)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(tǒng)。下地殼低速可能代表幔源巖漿底侵進(jìn)入地殼后形成的主要巖漿存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)上地幔的低速區(qū)可能與軟流圈上涌有關(guān)，上涌的熱物質(zhì)進(jìn)一步可追溯到地幔轉(zhuǎn)換帶的深度（Zhao 等，1997；Lei 等，2005）。這與已有學(xué)者在我國東北地區(qū)獲得的大尺度成像結(jié)果吻合（張風(fēng)雪等，2013，2014；Guo 等，2016），認(rèn)為太平洋板塊向上地幔俯沖，板塊斷層內(nèi)攜帶的大量水分在高溫高壓環(huán)境下被釋放，并在深度410 km 間斷面附近造成地幔物質(zhì)部分熔融，形成深部的巖漿源補(bǔ)給源，地幔對流時(shí)這些熱物質(zhì)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(qū)隆升機(jī)理分析與討論

龍崗火山區(qū)是我國近代主要火山活動(dòng)區(qū)之一，位于構(gòu)造活動(dòng)相對穩(wěn)定的東北地塊（張培震等，2002）。我國東北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)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(qū)形成北西西向主壓應(yīng)力，在吉林省琿春市一帶形成我國唯一發(fā)生中深源地震的地區(qū)。2002 年，吉林省汪清縣發(fā)生MW7.3 深震，在同一時(shí)期長白山天池火山巖漿發(fā)生擾動(dòng)，出現(xiàn)地震事件增多、形變量增大等現(xiàn)象，較大異常持續(xù)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(qū)域產(chǎn)生同震變形，我國東北地區(qū)GNSS 觀測站發(fā)生厘米級(jí)的同震水平位移（王敏等，2011）。震后的黏彈性松弛對該地區(qū)有拉張效應(yīng)（梁明，2018；Wang 等，2020），特別是對敦化-密山斷裂東側(cè)點(diǎn)位的影響更強(qiáng)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(cè)拉張量遠(yuǎn)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(jì)算敦化-密山斷裂兩側(cè)速度平均值，得到相對滑動(dòng)速度為1.72 mm/a，拉張量為2.16 mm/a。依蘭-伊通斷裂規(guī)模較大，分段特征明顯，為全新世活動(dòng)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(zhì)資料揭示垂直運(yùn)動(dòng)相對明顯（Yu 等，2018）?，F(xiàn)今已觀測的斷層兩側(cè)GNSS 點(diǎn)位分布相對稀疏，水平運(yùn)動(dòng)綜合分析結(jié)果表明該時(shí)段斷裂運(yùn)動(dòng)量較小。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)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(cuò)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(dòng)，而東南為高速擾動(dòng)，推測該超殼深大斷裂兩側(cè)介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jīng)歷多次擠壓、拉張及走滑運(yùn)動(dòng)，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(zhǔn)觀測和由InSAR 技術(shù)得到的現(xiàn)今地殼垂直運(yùn)動(dòng)在距敦化-密山斷裂較近的點(diǎn)位相對運(yùn)動(dòng)較小，而地震頻發(fā)的靖宇一帶火山區(qū)域相對隆升較大，隆升區(qū)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(dòng)引起的地表形變。

火山區(qū)微震活動(dòng)往往與殼內(nèi)淺的熱物質(zhì)活動(dòng)相關(guān)，火山區(qū)地下淺層巖漿運(yùn)移產(chǎn)生的壓力會(huì)使地殼發(fā)生變形。龍崗火山區(qū)近年來小震活動(dòng)集中在撫松-靖宇一帶，該處低阻結(jié)構(gòu)相對較淺，推測該處巖漿活動(dòng)引起地殼隆升。應(yīng)力的變化引起淺層次級(jí)斷裂活動(dòng)，促使小震發(fā)生。渾江斷裂帶小斷層及分支斷層較多，斷裂帶活動(dòng)時(shí)代較新。龍崗火山區(qū)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(shí)其確實(shí)存在（張國生等，2009）。MT 結(jié)果揭示高阻體R2 和R3 在中下地殼表現(xiàn)為明顯的電性間斷面特征，東側(cè)下地殼以低阻結(jié)構(gòu)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(diǎn)應(yīng)力易集中，為地震多發(fā)部位。長白山天池、龍崗火山區(qū)地殼變形受太平洋板塊俯沖及殼幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響。北西西向的區(qū)域應(yīng)力引發(fā)東北地區(qū)深震的同時(shí)，也會(huì)引起火山區(qū)巖漿的擾動(dòng)。龍崗火山區(qū)處在太平洋板塊俯沖帶上，深度410 km 的地幔物質(zhì)部分熔融，地幔對流作用使這些熱物質(zhì)上涌，一部分保留在上地幔和地殼中的物質(zhì)表現(xiàn)為低阻、低速異常，淺層巖漿的活動(dòng)易引起地殼變形。現(xiàn)今龍崗火山區(qū)震源深度變小，推測幔源物質(zhì)的上涌及間斷性向上的運(yùn)移引起地殼隆升及地震活動(dòng)。

4 結(jié)論

通過分析龍崗火山區(qū)的三維地殼運(yùn)動(dòng)及深部電性結(jié)構(gòu)，可看出相對歐亞板塊，我國東北地區(qū)2011?2019 年水平運(yùn)動(dòng)仍以東南向?yàn)橹?，火山區(qū)水平運(yùn)動(dòng)與區(qū)域運(yùn)動(dòng)場基本一致。受日本“3·11 地震”影響，火山區(qū)附近出現(xiàn)＞17 mm 的同震位移。敦化-密山斷裂以東的GNSS 觀測站水平運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂現(xiàn)以拉張運(yùn)動(dòng)為主?；鹕絽^(qū)近年來地震多發(fā)生在撫松-靖宇一帶，垂直運(yùn)動(dòng)以隆升為主?；鹕絽^(qū)及鄰區(qū)地殼范圍內(nèi)（深度40 km 以內(nèi)）分布深淺不一的高阻結(jié)構(gòu)，且在早期形成的火山區(qū)下方分布更深，推測與巖漿的固結(jié)作用有關(guān)。對于高阻體下方的大規(guī)模低阻結(jié)構(gòu)，推測為中下地殼巖漿系統(tǒng)。受太平洋板塊俯沖影響，龍崗火山區(qū)幔源物質(zhì)的上涌及間斷性向上運(yùn)移，淺層巖漿活動(dòng)性較強(qiáng)，火山區(qū)的地殼隆升及地震活動(dòng)可能與巖漿活動(dòng)有關(guān)。