夏威夷一維深部電性構(gòu)造研究＊

梁 萱 唐新功， 余俊虎 熊 博

1） 中國(guó)武漢 430100 長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2） 中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)輪臺(tái) 841600 中石化西北油田分公司工程監(jiān)督中心

引言

夏威夷群島的火山噴發(fā)記錄始于1790 年，其中的大部分火山事件，都可以定位在群島的東南方向，也就是地質(zhì)年代形成最晚的夏威夷大島（Mooney，2018）。該島共包含五座盾狀火山，其中基拉韋厄火山的持續(xù)噴發(fā)導(dǎo)致其成為全球火山研究的熱點(diǎn)。Nettles 和Ekstr?m（2004）重新分析了1975 年卡拉帕納（Kalapana）地震的長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)，觀察到該地震的震源機(jī)制解顯示為向陸地方向傾覆的沖斷層；Wright 和Klein （2006）通過研究夏威夷活火山的巖漿運(yùn)移通道，認(rèn)為巖漿通道在30 km 以下是垂直的，沿海洋地幔邊界是近似水平的，在基拉韋厄頂峰下接近垂直（Wright，Klein，2006）；Benz 等（2002）和Lin 等（2014）在基拉韋厄火山地區(qū)通過反演地震速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在基拉韋厄火山埋深4—12 km 處孕育了一個(gè)8 km 寬的復(fù)雜高波速管狀巖體，巖漿通道近乎垂直，火山東部裂谷帶下方8—11 km 處存在異常體，具有低速縱波、低速橫波和高縱橫波速比的特點(diǎn)，認(rèn)定其為巖漿囊（Linet al，2014）；Lei 和Zhao （2006）將穿過外核的震相用于新的全球三維層析成像，觀察到夏威夷的地幔柱成像結(jié)果表現(xiàn)為地表到核幔邊界間的連續(xù)低速異常。

在夏威夷深部構(gòu)造研究方面，科研人員大多采用地震學(xué)手段，然而，大地電磁測(cè)深方法在深部構(gòu)造探測(cè)特別是火山研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。地下電阻率對(duì)介質(zhì)的溫度、含水飽和度和熔融狀態(tài)非常敏感，而地下電性的變化通常是由巖漿的噴出和補(bǔ)充等循環(huán)變化造成的，因此電磁監(jiān)測(cè)對(duì)研究低阻巖漿囊的動(dòng)態(tài)變化較為靈敏。Constable 和Heinson （2004）在海底布設(shè)了7 個(gè)海洋大地電磁儀器，反演結(jié)果顯示，在地幔柱頂部150 km 處出現(xiàn)一個(gè)約為10 Ω·m 的低阻體，且地下的導(dǎo)電性是各向異性的，垂直電導(dǎo)率高于水平電導(dǎo)率；湯吉等（1997，2001）觀測(cè)到在天池火山區(qū)12 km 深處存在巖漿囊，并且在不同剖面上表現(xiàn)出不同形態(tài)，其團(tuán)隊(duì)之后在阿爾山活火山區(qū)進(jìn)行大地電磁觀測(cè)，反演結(jié)果顯示，新、老兩條火山帶的巖漿通道在深部可能是同源的（湯吉等，2005）；仇根根等（2014）在天池火山區(qū)同一地點(diǎn)進(jìn)行大地電磁反演，得到了淺部發(fā)育的多個(gè)巖漿囊的位置及其發(fā)展趨勢(shì)；李世文等（2020）通過大地電磁反演得出東北地區(qū)新生代火山區(qū)的三維電性結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在高阻巖石圈下，存在多個(gè)與新生代火山相對(duì)應(yīng)的局部低阻異常；Aizawa 等（2011）在日本櫻島進(jìn)行連續(xù)大地電磁測(cè)量，認(rèn)為巖漿揮發(fā)物與地下水之間的混合作用可能會(huì)導(dǎo)致電阻率在海平面附近的某個(gè)深度發(fā)生變化；Díaz 等（2012）通過分析大地電磁數(shù)據(jù)和巖石特征，推斷出拉斯卡爾火山和普那火山下存在向南部延伸的大規(guī)模高電導(dǎo)率帶，安第斯山脈南部存在兩個(gè)不同深度和組成的巖漿儲(chǔ)層；Abdallah 等（2020）對(duì)庫(kù)車火山群進(jìn)行大地電磁測(cè)量，得到了該火山群下方的三維電阻率結(jié)構(gòu)以及淺部熱液系統(tǒng)與深部巖漿通道之間的聯(lián)系。這些研究成果充分證明了大地電磁方法在探測(cè)低阻火山巖漿囊方面擁有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

因此，大地電磁測(cè)深方法可用于探測(cè)火山深部電性結(jié)構(gòu)，了解地下巖漿囊的構(gòu)造賦存形態(tài)以及巖漿上升通道及深度展布范圍，為巖漿活動(dòng)和火山的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供電性數(shù)據(jù)支持。然而，我們對(duì)夏威夷島的深部構(gòu)造特別是電性結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)還很不充分，因此本文擬對(duì)夏威夷地區(qū)的深部電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以期為認(rèn)識(shí)夏威夷島的深部結(jié)構(gòu)提供電性依據(jù)。

1 野外數(shù)據(jù)處理與分析

1.1 數(shù)據(jù)來源

文中的大地電磁數(shù)據(jù)來源于加拿大鳳凰公司在夏威夷島上布設(shè)的長(zhǎng)期觀測(cè)站（圖1），位置為（19.8°N，155.6°W），測(cè)點(diǎn)海拔為1 665 m。臺(tái)站采集到的自然發(fā)生的地磁場(chǎng)和感應(yīng)地球電流的頻率范圍為10 400—0.005 5 Hz，通過趨膚深度公式進(jìn)行粗略計(jì)算，可知反演深度可達(dá)100 km，100 km 深度以下的地層電性信息由于超低頻觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量太差而參考價(jià)值不高。

圖1 夏威夷島的構(gòu)造背景及測(cè)點(diǎn)位置Fig. 1 The tectonic background and distribution of the MT station of Hawaii Island

1.2 近期地震與火山事件

夏威夷群島地震及火山活動(dòng)頻發(fā)，參考中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心（2021）發(fā)布的全球地震動(dòng)態(tài)，可知自2018 年5 月至2019 年4 月大約一年的時(shí)間里，夏威夷大島發(fā)生的M≥5.0 的火山噴發(fā)地震高達(dá)54 次。在大島上標(biāo)注出54 次地震的震中位置（圖2），可以看出地震非常頻繁并且集中，震中大多匯聚在基拉韋厄火山附近。表1 為部分較大震級(jí)的地震群的活動(dòng)記錄，這些震群的地震類型可能包括了火山構(gòu)造地震、低頻地震以及顫動(dòng)（陳洪洲等，2004）。這些地震事件或發(fā)生在裂谷系統(tǒng)下的淺部（深約1—4 km），或沿著火山口下垂直的巖漿通道附近發(fā)生，且多以震群形式出現(xiàn)，有空間集中和震級(jí)較小的特征（傅征祥，1991）。

表1 夏威夷島部分較大震級(jí)的地震事件Table 1 Some earthquakes with large magnitude on Hawaii Island

圖2 2018 年5 月至2019 年4 月地震的震中位置Fig. 2 The epicenters of earthquakes from May 2018 to April 2019

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

本文中數(shù)據(jù)的處理及反演使用的是MTPioneer 軟件。2018 年7 月15 日的原始資料2018715M，2018715N，2018715O 的視電阻率曲線如圖3 所示。其中：12 個(gè)月份對(duì)應(yīng)記為1—9，A，B，C；日期最后一位字母A-X 分別對(duì)應(yīng)了一天中的24 個(gè)小時(shí)。2018 年7 月15 日13 時(shí)26 分，夏威夷島上發(fā)生了mb5.2 地震，圖3b 的2018715N 表示地震發(fā)生時(shí)記錄到的視電阻率Rxy，低頻段的數(shù)據(jù)質(zhì)量很差，不能參與反演，圖3a，c 中2018715M 和2018715O 分別表示震前、震后記錄到的視電阻率Rxy，其中中頻部分的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，低頻的部分頻點(diǎn)出現(xiàn)了飛點(diǎn)現(xiàn)象，高頻部分出現(xiàn)整段的上移。由于本文主要關(guān)注中深層的電性信息，因此選擇了頻率小于629 Hz 的頻點(diǎn)進(jìn)行反演。反演之前對(duì)部分受干擾嚴(yán)重的數(shù)據(jù)進(jìn)行了編輯、圓滑、剔除等操作，使其達(dá)到反演要求。

圖3 原始數(shù)據(jù)中視電阻率Rxy 的質(zhì)量日期最后一位字母A-X 分別對(duì)應(yīng)一天中的24 時(shí)，下同F(xiàn)ig. 3 The quality of resistivity Rxy for the original dataThe last letters A-X of the date correspond to 24 hours in a day, the same below（a） 2018715M；（b） 2018715N；（c） 2018715O

2 大地電磁一維反演與討論

對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)正則化一維反演，獲得了觀測(cè)臺(tái)站下方深部電性結(jié)構(gòu)及其長(zhǎng)期變化特征。本文反演所用的阻抗數(shù)據(jù)均為Rxy，反演過程中，設(shè)置截?cái)嗾`差為1，最大迭代次數(shù)為50，反演初始模型為均勻半空間。

2.1 地震及火山活動(dòng)前后電性特征分析

許多研究表明，夏威夷的地震活動(dòng)直接或間接地與火山活動(dòng)過程有密切關(guān)系。圖4 給出了三種典型火山地震發(fā)生前后的地下電性變化曲線，深度范圍大約為0.5—130 km。給視電阻率加5%的誤差，可以看出地震前后兩條曲線基本無重疊部分，證明了視電阻率隨時(shí)間變化的可行度。由圖4 可見，隨著深度的增加，電阻率從地表向深處開始快速下降，到了2—3 km深度處，電阻率降低到最小值約20 Ω·m，與實(shí)測(cè)的熔融玄武巖熔巖的電阻率（大約為40 Ω·m）相近（Bartelet al，1983），推測(cè)其可能為低阻巖漿囊位置之一。在3 km 深度以下，地震前后的電性差異出現(xiàn)明顯變化，而且變化趨勢(shì)相似，即電阻率先升高后降低，到了約100 km深度處逐漸趨于穩(wěn)定的低阻異常，推測(cè)該深度下可能存在復(fù)雜的巖漿結(jié)構(gòu)。

火山活動(dòng)與深部巖漿運(yùn)輸和物質(zhì)熔融存在著密不可分的關(guān)系，火山噴發(fā)和強(qiáng)烈的淺層地震活動(dòng)誘發(fā)了地下電阻率的變化，這是因?yàn)榱芽p的發(fā)育會(huì)導(dǎo)致巖石中流體含量及其連通性發(fā)生變化，而巖漿和氣體上升遷移又會(huì)導(dǎo)致巖石破裂。一般來說，熔融或部分熔融后的巖漿的電阻率值很低，地下電性變化通常對(duì)應(yīng)著巖漿物質(zhì)的噴出、補(bǔ)充等構(gòu)造變化，但巖漿的上升通道和儲(chǔ)存路徑等細(xì)節(jié)卻不明確。圖4a 表示2019 年9 月1 日在沒有地震發(fā)生的情況下，相近三個(gè)小時(shí)內(nèi)的地下電性變化曲線，電阻率有變化但不明顯，由此可證實(shí)電阻率變化的確與地震相關(guān)；圖4b 表示2018 年5 月3 日地震發(fā)生前后深部電性變化，推測(cè)可能是由于火山型地震改變了巖漿輸送通道，部分巖漿被擠壓進(jìn)入其它通道，導(dǎo)致地震后的電阻率大于地震前的電阻率；圖4c 表示2018 年5 月4 日基拉韋厄南翼mb6.9 地震前后的地下深部電性變化，可見其電性變化特征從淺至深在不同深度上都與2018 年5 月3 日有所差異，隨著深度的增加，電性差異逐漸增大，特別到了20 km 以下，火山噴發(fā)后的電阻率明顯高于噴發(fā)前的電阻率，可能是由于該層位大量的巖漿被抽送或運(yùn)移至東南方向，導(dǎo)致了電阻率的升高；圖4d 表示2018 年6 月8 日地震發(fā)生前后的電阻率變化，觀測(cè)點(diǎn)下方100 km 深度處，地震前后的電阻率變化差異不大，可能是此次地震對(duì)地下地層結(jié)構(gòu)的影響較小，巖漿的噴出和補(bǔ)充變化不明顯或者噴出與補(bǔ)充達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡。Aizawa 等（2011）通過對(duì)比在日本櫻島采集的視電阻率時(shí)間序列和多種地球物理數(shù)據(jù)，認(rèn)為視電阻率的長(zhǎng)期變化與潮汐、降水量之間無顯著關(guān)聯(lián)，故本文不考慮潮汐和降水對(duì)夏威夷島地下視電阻率變化的影響。

圖4 火山地震發(fā)生前后地下電性變化示意圖圖（b）-（d）線條上的短線為誤差棒，誤差棒的長(zhǎng)短表示誤差大?。╝） 無地震發(fā)生；（b） 2018 年5 月3 日；（c） 2018 年5 月4 日；（d） 2018 年6 月8 日Fig. 4 Schematic diagram of underground electrical changes before and after volcanic earthquakesThe short line on the curves of Figs.（b）-（d） is error bar，and the length of the bar represents the error size（a） No earthquake；（b） May 3，2018；（c） May 4，2018；（d） June 8，2018

2.2 夏威夷地區(qū)深部長(zhǎng)期電性變化特征

為分析大島地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的深部電性變化特征，本文選擇了連續(xù)18 個(gè)月（2018 年4 月至2019 年9 月中每月第4 日，或距4 日最近一天）采集的大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，選擇典型的7 條反演曲線進(jìn)行展示（圖5）。Díaz 等（2020）認(rèn)為復(fù)雜的巖漿系統(tǒng)具有多層次的儲(chǔ)集能力，可能由不同深度和組分的儲(chǔ)層組成。夏威夷地區(qū)的反演結(jié)果顯示出兩處明顯的低阻異常，在觀測(cè)點(diǎn)下方2—3 km 處存在一個(gè)薄巖漿層，電阻率大約為20 Ω·m，該層位正對(duì)應(yīng)了大島裂谷系統(tǒng)中地震頻發(fā)的深度，這些震群是由于巖漿囊在通道中的體積變化或壓強(qiáng)變化引起應(yīng)力集中的結(jié)果；在3—100 km 深度范圍內(nèi)，視電阻率曲線隨深度增加整體呈現(xiàn)先增大再逐漸降低的特征，大約在30—300 Ω·m 之間變化，且在10—100 km 深度范圍內(nèi)電性變化較為明顯，推測(cè)為巖漿通道。該深度范圍與Matoza 等（2021）探測(cè)到的深度在20—50 km 之間的橫向連續(xù)地震活動(dòng)擴(kuò)散帶相對(duì)應(yīng)。而100 km 深度左右電阻率變化范圍在20—70 Ω·m，結(jié)合Constable 和Heinson （2004）的反演認(rèn)為地幔柱在40—400 km 存在一個(gè)低電阻體，電阻率約為10 Ω·m。Witze （2013）認(rèn)為在地下約110—155 km 處存在一個(gè)暖池，該暖池并非位于夏威夷主島的正下方，而是在主島西側(cè)100 km 處，推測(cè)100 km 以下可能存在大型的復(fù)雜巖漿儲(chǔ)層，為上方巖漿囊提供深部熱源（張炯等，2017）。

圖5 2018 年5 月至2019 年9 月測(cè)點(diǎn)下方的電阻率變化示意圖Fig. 5 Schematic diagram of resistivity change under the station from May 2018 to September 2019

結(jié)合夏威夷島的地震動(dòng)態(tài)和每月的電性變化特征進(jìn)行分析，可以看出在地震和火山活動(dòng)頻發(fā)的2018 年5—7 月份，電阻率呈上升趨勢(shì)（圖6）。地震的電阻率效應(yīng)源于微裂隙內(nèi)孔隙流體的變化，故推測(cè)地震余震期間電阻率的增加趨勢(shì)是由震后應(yīng)變釋放區(qū)應(yīng)力恢復(fù)和孔隙度恢復(fù)所致（王立鳳等，2017）。

圖6 2018 年4 月至8 月測(cè)點(diǎn)下方的電阻率變化示意圖Fig. 6 Schematic diagram of resistivity change under the station from April to August，2018

3 結(jié)論

基于加拿大鳳凰公司在夏威夷大島上布設(shè)的長(zhǎng)期大地電磁觀測(cè)臺(tái)站所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)開展了大地電磁反演研究，獲取了其深部電性結(jié)構(gòu)，單個(gè)臺(tái)站得到的結(jié)果僅對(duì)于該測(cè)點(diǎn)下方是合理的，可能不能代表遠(yuǎn)離該測(cè)點(diǎn)下方的地下結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合該地區(qū)一年來發(fā)生的多次火山地震事件，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)下方約2—3 km處存在明顯的低阻巖漿囊，100 km 以下可能是熱源儲(chǔ)層。研究表明，使用長(zhǎng)期大地電磁觀測(cè)臺(tái)站可以對(duì)火山下方的電性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，大地電磁勘探對(duì)于認(rèn)識(shí)和掌握火山區(qū)深部構(gòu)造及變化特征具有重要的參考價(jià)值。本文僅得到了對(duì)夏威夷大島的單點(diǎn)初步探測(cè)結(jié)果，要進(jìn)一步了解大島的深部電性結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化特征，仍需進(jìn)行更大范圍和更長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究。

本研究數(shù)據(jù)來自加拿大鳳凰地球物理公司的公開數(shù)據(jù)，作者在此表示感謝。