琼北火山监测与活动性研究进展

郭明瑞 于红梅 胡久常 王锡娇 郑在壮 王桂丹

1)海南省地震局，海口 570203 2)中国地震局地质研究所，吉林长白山火山国家野外科学观测研究站，北京 100029 3)中国地震局地震与火山灾害重点实验室，北京 100029

0 引言

全新世以来中国有14座火山发生过喷发活动，有历史记录以来有7座火山喷发(刘若新，2000)。在老一代火山科学家的积极呼吁下，1997年“中国若干近代活动火山的监测和研究”项目启动，首次对中国具有潜在喷发危险的火山进行较系统的监测和研究，为中国火山监测事业的发展奠定了基础，结束了中国火山不设防的局面(刘嘉麒，1999)。2007年琼北火山监测台网落地生根，填充了海南火山监测与防灾的空白。

琼北火山是中国新生代以来火山活动最强烈、 最频繁的地区之一，共发生过10期59回次火山喷发，形成100余座大小不一、 形态各异的火山。火山熔岩分布于海口、 文昌、 琼海、 定安、 澄迈、 临高、 儋州7个市县及洋浦经济开发区，面积约4000km2(白志达等，2003)。第四纪火山区的石山、 永兴一带分布30多座火山，呈NW向排列，形成典型的中心式火山群(图1)，该火山群的分布受控于长流-仙沟断裂带。规模最大的马鞍岭-雷虎岭火山群的火山活动持续至全新世，且距海口市仅15km，属于典型的、 具有潜在喷发危险的城市火山，一旦喷发，必然会引起广泛的社会关注。本文基于测震、 GNSS、 流体和地磁数据对琼北火山的监测与研究现状进行分析，研判琼北火山的活动性，探讨火山区监测手段的可行性和监测数据的可靠性，为监测研究琼北火山的活动性及预测危险性(吴建平等，2003)提供判据。

图1 琼北火山岩及监测设备分布图

1 构造地质背景

海南岛位于欧亚板块的东南边缘，受印度板块、 菲律宾板块运动以及海南海盆膨胀的共同作用和影响，海南岛及邻区地质地貌构造复杂，区域地壳构造、 火山地震等活动强烈。60Ma前海南岛与大陆相连，随着地壳运动，海南岛从原始位置逆时针旋转了约150°到达现在的位置，目前仍处于左旋、 SE向漂移过程中，相连的部分不断塌陷，被海水侵蚀，形成古琼州海峡。由于空间、 压力等条件发生了改变，幔源物质开始发生裂隙式喷发，形成古近纪火山岩(琼北火山的形成始于古近纪初期)。在新近纪，受太平洋板块向亚洲大陆俯冲作用的影响，琼北断块活动加剧，一系列EW向和SN向断裂带重新发生张裂活动，进而发展为断陷带，断块活动同时引发了该区玄武质岩浆的喷发，形成了新近纪火山岩。第四纪沉积、 风化壳或风化层相互叠置，出现多种埋藏地貌、 沉溺地貌，新生代构造运动以断块运动和基性岩浆喷溢为主，各断块的差异运动具有继承性和振荡性(詹文欢等，2006)，形成了今日巍峨壮丽的火山地貌(图1)。

划分火山活动的期次是了解火山活动时空演化规律的基础，其分期通常用火山地名表示，以反映各活动期火山喷发的中心(胡久常等，2007)。琼北地区新生代火山表现为多期次活动的特点，一直持续到全新世，从古近纪到第四纪可分为10期(表1，图2)，其中古近纪2期、 新近纪2期、 第四纪6期(白志达等，2003)。根据火山作用方式、 火山地貌及风化程度、 火山喷发产物与沉积地层的相互叠置关系，结合同位素年龄结果，可将第四纪火山分为屯昌、 琼山、 德义岭、 道堂、 雷虎岭和马鞍岭6期，其中德义岭期属中更新世，道堂期属晚更新世，雷虎岭和马鞍岭期属全新世，区域最晚的火山活动为全新世马鞍岭期(刘若新，2000)。不同期次具有不同的火山活动方式、 喷发强度及火山结构类型。德义岭期的火山活动以溢流为主，形成火山锥，为低缓的熔岩穹丘(段政等，2021)； 道堂期为射汽岩浆爆发作用形成的低平火山； 雷虎岭与马鞍岭期主要形成由碎屑锥和熔岩流组成的夏威夷式火山，熔岩流构造类型以结壳熔岩为主(樊祺诚等，2004)。火山口的相对高度不足200m，火山底径也多不到2km，规模均较小。

表1 琼北火山喷发期次及分布范围(白志达等，2003； 魏海泉等，2003； 段政等，2021)

图2 琼北地区地质简图(引自白志达等，2003； 魏海泉等，2003； 段政等，2021)

2 琼北火山监测网

火山监测是有效开展火山预测预报的基础，是减轻火山灾害的有效方法(许建东，2017)。琼北火山监测台网自2007年建成，是融合多种手段为一体的监测台网，主要包括4 个测震子台、 7个流动全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)观测点、 3个流体台和1个地磁台。琼北火山监测台网的建设与运行填充了海南火山监测与灾害防御的空白。

4 个测震子台均布设在火山地区，分别为马鞍岭台、 永茂岭台、 三江台和演丰台。马鞍岭台(图3a)位于海口市秀英区石山镇马鞍岭火山的半山腰； 永茂岭台(图3c)位于海口市秀英区永兴镇的儒林村，台基为玄武岩； 三江台位于海口市琼山区三江农场中学内，台基为玄武岩风化红土层； 演丰台位于海口市演丰镇，台基为玄武岩。4个测震子台均于2004年进行台站勘选，2007年完成仪器安装调试并开始正常运行。观测仪器均采用BBVS-60/120宽频带地震计(图3b)和EDAS-24IP数据采集器，采用4G或光纤传输观测数据。4个测震子台与区域测震台网的临高、 定安、 那大、 澄迈台联合，组成了对琼北火山的监测台网。目前各子台已通过技术升级实现了无人职守、 网络监控、 准实时数据传输的工作方式，可对火山地区ML1.0以上地震实现有效监控。表2

图3 琼北火山区监测台网

琼北火山区火山与地震活动主要受区内海秀、 马袅-铺前近EW向断裂，铺前-清澜、 海口-云龙和长流-仙沟等NW向断裂活动的控制(图1)。“十五”期间海南省地震局在以上断裂带的两侧建立了马鞍岭、 高山岭、 加乐、 白石岭、 青山岭、 七星岭和雷州7个GNSS观测点，其中1个观测点位于广东湛江的雷州半岛上，其余6个观测站点皆处于琼北火山区内。以火山口马鞍岭观测站为基站，其他站点作为流动站(图3d)，采用2台徕卡GNSS接收机进行观测，各流动站观测时长为96h，每年进行为期一个月的野外作业，以监视火山区地壳变形情况。

1个属于火山台网建设并运维的流体台位于海口市琼山区迈仍村(图3e)，有水位、 水温、 三要素监测项目。观测仪器分别为SWY-Ⅱ水位仪、 SZW-Ⅱ水温仪和WYY-1气象三要素仪。其井深276m，水位埋深约29m，水温探头埋深193m。观测数据采用ADSL拨号传输。

1个地磁台位于火山口公园内马鞍岭火山的半山腰上，台站基岩为强磁性玄武岩，观测仪器装置简易，为墩室观测，仪器为FGM01型磁通门磁力仪(图3f)。通过测量地磁场水平分量H、 垂直分量Z和偏角D的变化实现地磁的日变观测。

3 监测数据分析

3.1 地震活动性

自1998年起对琼北火山区进行连续地震监测，至2021年12月31日，共记录到ML1.0以上地震151次(图4)，其中1～2级99次，2～3级46次，3～4级6次，震级最大的为海南文昌3.5级地震。年均地震约6次，均为构造型地震，其中2002—2006年小地震活动比较密集(图4)，之后恢复到正常地震活动背景范围内(Panetal.，2021)。张新东等(2013)研究发现火山区的小地震集中在东部边缘并形成一个条带(图5)。胡久常等(2009)认为震群北端正好是1605年大地震的震中区，推测深部可能存在正处于上升状态的岩浆囊，岩浆活动引起了区域的小地震活动，但也不排除由地壳深部构造活动引起。洪汉净(2006)从5～20km深度的波速异常推测研究区中下地壳可能存在比较活跃的热运动，慢速上升的岩浆引发了中小地震。刘辉等(2008)认为琼北地区可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀。胡亚轩等(2018)认为现今琼东北的南部即文昌附近断裂活动性高于铺前地区，目前断层附近井水温、 水位变化平稳，表明深部热物质没有上涌迹象，推测由于铺前-博鳌断裂现今较为活跃而引起了东北边缘SN向的小地震活动。孙翔宇等(2020)在琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区开展了大地电磁三维探测，发现琼东北地区的电性结构存在明显的东、 西差异，电阻率值东高西低。琼东北地区地壳中存在2个低阻体，分别为海南岛西北部澄迈县区域(雷虎岭和马鞍岭火山口西侧)下方中地壳碗状向W倾斜的低阻体和龙泉下方的低阻体。琼北火山区地震东部边缘是研究者关注的焦点，近期小地震活动属于正常范围(即未出现小地震活动增强的现象)，经研究发现火山区地震均为构造型地震，而非火山地震的4种类型(McNutt，1996)，可对发震原因及地震类型开展分析，进而研判火山的活动性。

图4 火山区地震的时间序列图

图5 GNSS观测站相对欧亚板块的速度场及火山区地震(2009—2018年)

3.2 GNSS地壳形变

GNSS观测网可监测琼北地区地壳形变，反映区域应力变化，多期测量结果显示各点位速度大小和方向的一致性较好。火山口马鞍岭基站到各流动站基线的变化比较平稳，表明块体比较稳定。2009—2018年时间段的观测资料解算结果表明，相对欧亚板块，各观测站以SE向运动为主，速率较小，各观测站相对火山口马鞍岭基站形成6条基线，基线长度为72.3～42.8km。基线以曲折性变化为主，没有出现明显的压缩和拉伸，变化在±15mm以内(图5)。

3.3 流体

选取海口ZK26和火山流体井的数据，井深分别为706m和276m，水温探头分别设置在510m和193m深处，自2008年起开始观测。不同深度和层位的水温变化规律的影响因素不同。海口ZK26井510m深处的水温探头处于深部非含水层内，数据变化范围小； 而火山流体井口较浅，受降雨等因素的影响，存在明显的年周形态。

ZK26井的水温年平均变化幅度不超过0.01℃，且呈长期上升趋势，但上升幅度很小，符合正常动态范围。火山流体井水温呈较规则的年变化，水温保持平稳变化的特征(图6)，表明没有深部热物质侵入，区域地壳深部岩浆尚无上升的迹象。

图6 海口井(a)和火山井(b)的水温年动态曲线

3.4 地磁变化

地球变化磁场是连接日地空间和地球内部电磁结构的重要媒介。变化磁场主要受太阳风在电离层产生的电流体系及该电流在固体地球导电圈层生成的反向感应磁场的影响，感应电流大小则主要受外空电流环境对地球磁场的辐射和地壳电性结构分布影响。该感应电流产生的磁场会被地磁仪器记录到，主要反映于地磁日变化的垂直分量上，表现为白天变化较大，夜晚比较平静，几乎在同一直线上的特征。对强磁性的火山区数据与国家基中台地磁数据开展联合分析，发现其重合性非常好(图7)，相关系数达99%，表明在火山区开展地磁观测是可行的。

图7 火山站与基准站的地磁观测曲线对比

曾小苹等(1996)将加卸载响应比理论引入地磁分析，并分析研究加卸载响应比和地震的关系。在技术上可通过计算地磁加卸载响应比P(Z)值得到其异常信息。地磁垂直分量Z与地下介质及其变化较其他地磁分量的关系更密切，取Z分量作为计算DS(Z)的加卸载响应参量：

P(Z)=DS(Z)+/D(Z)-

(1)

式中，DS(Z)为Z分量地磁扰动场的日变幅； 标志“+”表示加载，标志“-”表示卸载。在实际运用中可将地磁场垂直分量日变幅ΔZ+和ΔZ-看作是太阳风对地磁场的加载和卸载，此时计算公式可简化为

P(Z)=ΔZ+/ΔZ-

(2)

其中，ΔZ(日变幅)为当日记录的最大分钟值减去最小分钟值，加卸载响应比为地磁垂直分量日变幅极大值与日变幅极大值出现之后的第1个极小值的比值。对其进行加卸载响应比分析，在正常情况下加、 卸载的比值主要是测点位置和地下介质电导率的函数，由于地下物质(多为热物质)的运动必然会导致地下电导率增加，进而使P(Z)值增大。当某个区域内多个台站的加卸载响应比出现同步的高值异常，且该日为磁静日(不受外空场的影响)，则该异常可能是孕震区地下介质电性变化所导致的磁场变化的体现。分析研究海南马鞍岭台、 琼中台、 广东肇庆台和广西邕宁台的加卸载响应比，发现未出现同步高值异常。

地磁Z分量的日变形态在地方中午12时前、 后有1个极小值，称为“日变低点”。“双低点”则是低点位移的一种特殊表现形式，其相位和幅度都发生了变化，从正常日变形态的“V”形变为“W”形。分析海南马鞍岭、 琼中台的地磁日变形态发现，其日变未发生畸变(图7)。通过地磁综合分析认为马鞍岭火山区火山处于相对平静的状态。

4 琼北火山监测展望

根据现有的测震、 GNSS、 流体和地磁的数据分析，琼北火山目前处于稳定状态。由于该区域存在低速体，具有潜在喷发危险，需加强监测以防患于未然。尽管琼北火山已建立部分常规监测设施，但仍需引入其他观测手段，如背景噪声成像、 大地电磁测深、 火山区气体地球化学3He/4He、 碳同位素、 卫星遥感InSAR等，科学地认识地下深部岩浆囊的具体特征，可为火山监测与预警奠定基础。

(1)琼北火山是热点火山，琼州海峡北端的雷琼坳陷地区地壳速度偏低，可能存在一个向SE倾斜的地幔柱。需进一步研究该区的背景噪声成像，并探讨海南岛的深部结构。

(2)海南岛地质地貌的形成和地震活动等与火山岩浆活动密不可分。火山地区高温熔融状态下的介质往往表现为低阻、 低速性质。为了进一步探测研究琼东北火山区火山岩浆系统的深部结构、 地下介质属性、 小地震活动和形变变化与火山深部岩浆系统分布的深层关系，应基于大地电磁测深对琼北地下深部存在的高导低阻体开展研究，掌握其具体位置和深度。

(3)海南地热资源丰富，现今已经发现32处热矿泉(温泉)，火山向活跃期发展时，相关特征气体的测量值增大，应对火山区气体开展地球化学监测，在火山重点监视区将气体组合、 气体流量和释放量纳入监测范围。

(4)InSAR技术是监测火山地壳形变和灾后快速评估的有力工具，可及时了解火山发展以及火山喷发前、 后的各种信息，对于研究火山规律以及防灾、 抗灾具有重要意义。其不受日照和天气条件限制，可全天候观测，获取大范围连续空间覆盖的形变场，是实时性强且精度高的动态监测手段。学习和引进先进技术，将已有监测手段维护好并产出可靠数据，可使火山监测和活动性研究更上一个台阶。

5 结论

(1)琼北火山区是典型的城市火山区，其喷发活动将对拥有近300万常住人口的海口市造成巨大威胁。为及时掌握火山的现今活动性，有效开展火山灾害预测，海南省地震局已初步建设形成了测震、 GNSS、 流体和地磁监测台网。监测数据表明，目前台网可监测到ML1.0及以上地震，但对火山微震与长周期地震的观测能力依然不足。为了提高火山区的监测能力，有必要加密火山监测台网。

(2)分析1998年以来23a的测震观测数据发现火山区地震年均约6次，近年来火山区的地震水平略低于年均值，均为火山构造地震； 流动GNSS观测反映块体相对稳定； 流体水温未出现上升趋势，反映了区域地壳深部岩浆尚无上升的活动迹象； 地磁数据日变形态稳定，未出现畸变及超阈值的现象。琼北火山目前处于稳定状态。

致谢中国地震局地质研究所潘波副研究员和吉林省长白山天池火山监测站刘国明研究员为本文提出了宝贵的意见和建议； 审稿专家对本文提出了建设性意见。在此一并表示感谢！