吉林龙岗火山区形变特征与隆升机理分析1

胡亚轩 赵凌强 张文婷 梁国经 綦 伟

1）中国地震局第二监测中心, 西安 710054

2）吉林省地震局, 长春 130022

引言

与吉林长白山天池火山毗邻的龙岗火山区位于长白山西麓龙岗山脉中段，是我国境内第四纪以来发生单成因火山作用最典型的地区之一，具有高密度分布、多中心爆炸式喷发特点（刘嘉麒，1999；樊祺诚等，1999）。该火山区面积约1 170 km2，共有大小火山160 多个（刘尔义，1990；隋建立等，1999）。喷发活动从早更新世持续到全新世，具有多旋回、多期次和多阶段喷发特点，是我国近代主要火山活动区之一。该火山区西北部的金龙顶子火山是最年轻的近代活动火山，距今约1 600 年前发生亚普尼林式喷发，在周围形成大面积的火山碎屑，具有潜在喷发危险（刘若新等，1998；樊祺诚等，2002；白志达等，2006；于红梅等，2013）。龙岗火山区地壳平均厚度约为31 km。自1972 年建立吉林省地震台网后，在该区记录到200 余次地震，其中4.0 级以上地震4 次，于1997 年和2009 年多次发生震群活动（刘俊清等，2013）。平均震源深度由1985−2002 年的20 km 左右变为2003 年的＜10 km，推测火山区岩浆有从深部向浅部运移的迹象（綦伟等，2013）。现今地震活动区主要分布于老火山区东侧的靖宇、抚松一带（梁国经等，2010）。多期水准资料揭示东北地区火山区垂直运动明显，龙岗火山区表现为相对上升运动趋势（郭良迁，1990；胡亚轩等，2009；Ji 等，2014），龙岗火山区岩浆赋存与活动性值得关注。

为揭示龙岗火山区地表三维形变特征与隆升机理，本文收集处理GNSS、水准资料及ALOS-2 卫星资料，结合基于火山区长约160 km 的宽频带大地电磁剖面数据反演得到的壳幔电性结构，推测火山区地下岩浆分布情况，了解壳幔岩浆系统，分析地表隆升机理。

1 数据收集与处理

对于火山区水平运动的分析，主要收集整理中国地壳运动观测网络工程和中国大陆构造环境监测网络工程建立的连续观测基准站及不定期观测的区域站观测资料，应用数据处理软件GAMIT／GLOBK 进行解算。处理数据时，首先由GAMIT 获得单日松弛解，采用双频消除电离层影响，利用FES2004 模型改正海洋潮汐负荷影响，利用GPT 模型进行对流层天顶延迟改正；然后利用GLOBK 将区域站与全球ITRF 站单日松弛解组合，再通过相似变换得到ITRF2008 参考框架下的位移时间序列及速度场，精度需符合限差要求；最后扣除欧亚板块整体旋转速度，进一步得到各站点相对欧亚板块的速度场。

对于火山区垂直运动的分析，一是收集整理20 世纪70 年代至20 世纪90 年代多期国家一等水准观测资料，采用线性动态平差法得到垂直速度场，选用位于稳定地块（松辽地堑）的水准基点为拟稳点，为更好地反映火山区地壳运动相对周围较稳定区域的变化，选取火山区外围水准点为相对速度参考点；二是应用空间分辨率高，覆盖范围广，具备全天候、全天时、高精度、无需地面控制点等优势的InSAR 技术分析地表形变变化，可适应火山区观测点少的情况。吉林龙岗火山区植被茂密，为克服失相干，采用更易穿透植被的L 波段ALOS-2 卫星资料和特殊的处理方法。收集2014−2019 年8景升轨右视影像资料，采用GAMMA Remote Sensing 软件进行数据处理。为克服时间、空间基线失相干，DEM 误差，大气延迟效应等因素对形变监测的影响，进行数据处理时，对得到的差分干涉图进行Goldstein 滤波。基于GACOS 在线气象模型估计并去除大气误差，通过二次多项式拟合方法去除趋势性误差，得到相干性较好的干涉图，选取误差改正效果较好的干涉图，基于干涉图堆叠技术（Stacking）计算区域平均速度图，并投影到垂直向。

大地电磁方法（MT）揭示地下岩浆系统的分布。地下电阻率不同的分布特征对应地下介质不同的物性参数，低阻特性往往反映地下介质含水、熔融及温度等相关信息（白登海等，1994；汤吉等，2001；詹艳等，2006；仇根根等，2014）；火山区分布的低阻体可能与深部的岩浆系统对应。本课题组于2020 年8 月至2020 年10 月在龙岗火山核心群区域及周围布设长约160 km 的宽频带大地电磁剖面，测点间距约4 km。采用5 套MTU-5 A 型卫星同步大地电磁仪进行数据采集。通过二维反演得到火山区地壳和上地幔尺度范围（0～80 km）的电性结构。

2 数据处理结果

2011−2019 年GNSS 资料得到的各站点相对欧亚板块的速度场如图1 所示，由图1 可知，水平运动以东南向为主，速度＜10 mm/a；东向运动速度为1.49～8.54 mm/a，误差为0.15～0.7 mm/a；南向运动速度为0.12～5.55 mm/a，误差为0.16～0.76 mm/a，长白山以东点位速度明显大于西部。对点位速度沿敦化-密山断裂带（DMF）进行分解，分别得到平行和垂直断裂的速度分布，如图2 所示。由图2 可知，敦化-密山断裂以拉张为主。观测站位移分量时间序列由图3 所示，由图3（a）可知，“3·11 地震”后，各站点东向运动速度相对增大，其中观测站JLCB 和JLYJ 东向运动速度略大于观测站CHUN 和SUIY。结合图1 可知，区域背景场观测点位主要分布在火山区周围，距火山区最近的点是区域站E312，该点受“3·11 地震”同震影响明显。相对欧亚板块的水平运动速度为5.62 mm/a，与区域平均运动水平相当，如图3（b）和图3（c）所示。

图1 东北地区水平运动速度场（2011−2019 年）Fig. 1 Horizontal velocity field in Northeast China with respect to Eurasia block（2011−2019）

图2 跨敦化-密山断裂带的GNSS 运动剖面Fig. 2 GNSS profiles across Dunhua-Mishan fault （DMF）

图3 观测站位移分量时间序列Fig. 3 Time series of E and N displacement component at GNSS observation station（E312）

由布设在东北地区的国家精密水准路线多期观测结果可知，抚松-靖宇一带的水准资料可反映火山区的地壳运动（胡亚轩，2017）。龙岗火山区各水准点相对“长抚83 基上”的运动速度如图4 所示，由图4 可知，研究区域运动以上升为主，其中火山区北部及抚松以南相对运动上升速度小，＜2.08 mm/a。抚松-靖宇一带相对隆升速度较大，为2.18～3.29 mm/a。收集的8景影像资料主要覆盖区域如图4 所示，时间分别为2014-11-25、2015-02-03、2015-10-13、2015-11-24、2017-01-31、2017-03-14、2019-01-01，区域内分布有部分水准点。图5 所示为应用InSAR 技术得到的研究区垂向运动速度，由图5 可知，靖宇附近为相对隆升较集中的区域，与传统水准测量观测到的垂直运动趋势相吻合。

图4 水准路线与垂直形变速度Fig. 4 Distributions of the leveling routes and vertical velocities

图5 利用InSAR 技术得到的垂直形变速度（2014 年9 月−2019 年1 月）Fig. 5 Vertical velocities by InSAR（2 014.09−2 019.01）

通过大地电磁反演得到的火山区地壳和上地幔尺度范围电性结构表明，研究区在地壳范围内整体上表现为深浅不一的高阻结构，推测该区域岩浆已固结（图6）。高阻结构层可分辨出浑江断裂与鸭绿江断裂两侧电阻的差异性。R1 区上地壳高阻体较浅，深度分布在18 km 以上；金龙顶子火山附近下方最浅，深度＜10 km。金龙顶子火山至浑江断裂的R2 区为火山群核心区，火山锥分布密度大，是早期喷发形成的火山，下方高阻体分布深至40 km，推测此地壳尺度的高阻结构可能是火山活动周期第二期龙岗期（中−晚更新世）活动后固结的岩浆系统，这与通过地震学资料得到的结果一致（Song 等，2007；范兴利等，2020）。抚松一带高阻体R3 分布较平缓，深至20 km，并表现出向东继续平缓延伸的趋势。

图6 深部电性结构和解译Fig. 6 Deep electric structure and interpretation of the profile

与上地壳高阻结构分布相对应，火山区下方存在大规模的低阻结构，推测可能为中下地壳岩浆系统。自西向东的3 个低阻体C1、C2、C3 呈现出深浅不一的特征，整体上在下地壳及地幔尺度相互连接，并表现出向东西两侧继续延伸的趋势。其中C1 区域深度最小，并存在1 条西倾且延伸至10 km 以下的低阻条带，与上方最新喷发的金龙顶子火山对应，推测为可能的岩浆通道，并与中下地壳岩浆系统相连。约1 600 年前的喷发可能沿此岩浆通道外溢，随着岩浆补给作用的减弱，喷发活动结束，浅部岩浆系统固结，逐步转化为高阻形态。C3 区域岩浆平均深度约30 km，与形变反演结果一致（胡亚轩等，2009）。结合地震研究结果（Guo 等，2016），认为上涌的软流圈可能已到达（或接近）莫霍面位置。该地区中下地壳及地幔尺度分布地低阻结构与通过地震资料揭示的龙岗和天池火山区在长周期图像上呈现的大范围低速异常特征一致（王武等，2017；范兴利等，2020），也与通过大地电磁探测在长白山天池火山区东西向剖面揭示的中下地壳低阻结构特征一致（汤吉等，2001），表明火山下地壳（深度为20～40 km）和上地幔（深度为60～70 km）顶部相应深度位置可能存在部分熔融（胡亚轩等，2018），推测2 座火山在中深部共用同一岩浆系统。下地壳低速可能代表幔源岩浆底侵进入地壳后形成的主要岩浆存储区，同时上地幔的低速区可能与软流圈上涌有关，上涌的热物质进一步可追溯到地幔转换带的深度（Zhao 等，1997；Lei 等，2005）。这与已有学者在我国东北地区获得的大尺度成像结果吻合（张风雪等，2013，2014；Guo 等，2016），认为太平洋板块向上地幔俯冲，板块断层内携带的大量水分在高温高压环境下被释放，并在深度410 km 间断面附近造成地幔物质部分熔融，形成深部的岩浆源补给源，地幔对流时这些热物质上涌，一部分保留在上地幔和地壳中（杨清福等，2011；田有等，2019）。

3 火山区隆升机理分析与讨论

龙岗火山区是我国近代主要火山活动区之一，位于构造活动相对稳定的东北地块（张培震等，2002）。我国东北地区现今地壳运动主要受太平洋板块俯冲及日本东北地震影响，太平洋板块的西向俯冲在日本海及我国东北地区形成北西西向主压应力，在吉林省珲春市一带形成我国唯一发生中深源地震的地区。2002 年，吉林省汪清县发生MW7.3 深震，在同一时期长白山天池火山岩浆发生扰动，出现地震事件增多、形变量增大等现象，较大异常持续至2006 年（Xu 等，2012）。受2011 年3 月11 日本州东海岸MW9.0 地震影响，在我国105°E 以东区域产生同震变形，我国东北地区GNSS 观测站发生厘米级的同震水平位移（王敏等，2011）。震后的黏弹性松弛对该地区有拉张效应（梁明，2018；Wang 等，2020），特别是对敦化-密山断裂东侧点位的影响更强烈（图2）。于吉鹏等（2019）利用2012−2017 年GNSS 资料得到的敦化-密山断裂两侧拉张量远大于依兰-伊通断裂。本文由2011−2019 年资料得到断裂带速度剖面，计算敦化-密山断裂两侧速度平均值，得到相对滑动速度为1.72 mm/a，拉张量为2.16 mm/a。依兰-伊通断裂规模较大，分段特征明显，为全新世活动断裂。其中沈阳-吉林段（图1）距龙岗火山相对较近，古地震及地质资料揭示垂直运动相对明显（Yu 等，2018）。现今已观测的断层两侧GNSS 点位分布相对稀疏，水平运动综合分析结果表明该时段断裂运动量较小。区域构造活动受2 条主要断裂（敦化-密山断裂和依兰-伊通断裂）影响明显，二者均已深切入地壳，特别是敦化-密山断裂下方莫霍面错断明显，玄武岩包体推断断裂深度＞67.5 km。在34 km 的深度上，约以地表的敦化-密山断裂为界，西北为低速扰动，而东南为高速扰动，推测该超壳深大断裂两侧介质结构有较大差别（张广成，2013；庞广华，2017）。东北深源地震震中分布在敦化-密山断裂以东，敦化-密山断裂曾经历多次挤压、拉张及走滑运动，断裂带上分布着多处长条状地堑型沉积盆地（王凯红等，2004）。由水准观测和由InSAR 技术得到的现今地壳垂直运动在距敦化-密山断裂较近的点位相对运动较小，而地震频发的靖宇一带火山区域相对隆升较大，隆升区域近似于常见的Mogi 模型引起的地表形变特征（胡亚轩等，2018），不同于正倾滑断层活动引起的地表形变。

火山区微震活动往往与壳内浅的热物质活动相关，火山区地下浅层岩浆运移产生的压力会使地壳发生变形。龙岗火山区近年来小震活动集中在抚松-靖宇一带，该处低阻结构相对较浅，推测该处岩浆活动引起地壳隆升。应力的变化引起浅层次级断裂活动，促使小震发生。浑江断裂带小断层及分支断层较多，断裂带活动时代较新。龙岗火山区位于敦化-密山断裂与鸭绿江断裂之间，分布的主要是浑江断裂带东北段（图1），由于被新生代玄武岩掩盖，形迹不明，但航磁资料证实其确实存在（张国生等，2009）。MT 结果揭示高阻体R2 和R3 在中下地壳表现为明显的电性间断面特征，东侧下地壳以低阻结构为主（图6），可能为浑江断裂东北段的分布。断裂带东北段端点应力易集中，为地震多发部位。长白山天池、龙岗火山区地壳变形受太平洋板块俯冲及壳幔物质运动影响。北西西向的区域应力引发东北地区深震的同时，也会引起火山区岩浆的扰动。龙岗火山区处在太平洋板块俯冲带上，深度410 km 的地幔物质部分熔融，地幔对流作用使这些热物质上涌，一部分保留在上地幔和地壳中的物质表现为低阻、低速异常，浅层岩浆的活动易引起地壳变形。现今龙岗火山区震源深度变小，推测幔源物质的上涌及间断性向上的运移引起地壳隆升及地震活动。

4 结论

通过分析龙岗火山区的三维地壳运动及深部电性结构，可看出相对欧亚板块，我国东北地区2011−2019 年水平运动仍以东南向为主，火山区水平运动与区域运动场基本一致。受日本“3·11 地震”影响，火山区附近出现＞17 mm 的同震位移。敦化-密山断裂以东的GNSS 观测站水平运动强烈，断裂现以拉张运动为主。火山区近年来地震多发生在抚松-靖宇一带，垂直运动以隆升为主。火山区及邻区地壳范围内（深度40 km 以内）分布深浅不一的高阻结构，且在早期形成的火山区下方分布更深，推测与岩浆的固结作用有关。对于高阻体下方的大规模低阻结构，推测为中下地壳岩浆系统。受太平洋板块俯冲影响，龙岗火山区幔源物质的上涌及间断性向上运移，浅层岩浆活动性较强，火山区的地壳隆升及地震活动可能与岩浆活动有关。