长白山天池火山地震活动机理研究

长白山天池火山地震活动机理研究 122 吕政洪汉净魏海泉 , , 吉林 长春北京吉林省地震局中国地震局地质研究所( 1., 130022; 2., 100029) 摘 要对年以来长白山火山观测站记录到的火山地震活动进行了研究发现在西北太平洋级以: 1999, 5.0 上中深源地震发生前后均有火山地震活动发生变化我们统计发现有以下三种情况第一种是深源地震, 。: 第三种是深源地震前后火山地发生后火山地震随之增强第二种是火山震群活动结束后发生中深源地震 ; ; 震活动频繁在火山地震活动较少时发生中深源地震本文通过对近年来长白山火山地震活动与西北太平 , 。 洋俯冲板块的中深源地震关系以及火山玄武岩地幔性质和长白山地热活动等资料并参考前人研究成果、, 建立了长白山地幔柱模型对长白山火山地震活动机制进行了初步探讨, 。 关键词长白山天池火山火山地震俯冲板块地幔柱构造: ; ; ; 中图分类号文献标识码文章编号: P315.7 P317.6 : A : 1004- 2865 ( 2007) 01- 40- 09 引言 0 长白山天池火山主体位于中国东北吉林省境内是目前世界上最具潜在喷发危险的活动火山之 , 一长白山天池火山历史上有过多期次喷发 其中约年前发生过一次规模和猛烈程度被认为。 ,1000 3是近年来地球上最大的爆炸式火山喷发之一其喷发物总体积在以上喷发柱高达余2000, 30km, 30 千米 火山灰向东飘落到日本北海道南部一带仍可厚达年刘若新等就指近年来早在,5cm。, 1992, 出长白山天池火山无疑应属于世界上潜在最危险的火山之一也是我国最具潜在灾害性喷发的一 , , 座大型近代活动火山 刘若新等 年以来火山地震活动频发分析发现火山地震活动( ,1992) 。 1999, 与西北太平洋中深源强震关系密切为解释这种机制根据前人研究资料建立了长白山地幔柱模 , , 型对火山地震活动机制进行了初步分析, 。 火山地震活动基本情况 1 1.1 地震监测台网 长白山天池火山监测站于年月投入观测除中心站进行常年观测外每年月在东大19997, , 7~9 坡西大坡双目峰维东和气象站布设个测震子台进行季节性观测所组成的台网见图地、、、5, 。 1. 震台站配备数字地震仪中心站为型宽频带三分向地震计和型数据采集器, FBS - 3AEDAS - C24 。 季节性子台为型短周期三分向地震计和型数据采集器所有仪器均采用时JC- 100- 3DEDAS- 3M。GPS 间服务由于台站布局的限制多数台站为季节性观测又由于火山地震震级小等多方面原因 大。、。, 收稿日期: 2006.10 作者简介吕政 吉林省榆树县人年毕业于长春地质学院高工现从事火山监测与研究工作男: ( 1954- ) , , . 1978 , . . 多数火山地震无法确定震级和进行地震定位在应用这些资料时 除少数震级大于的地震由吉林。,2.0 省地震台网定位外 其它地震均以台站座标代替震中位置,。 128?00′ 128?25′ 西大坡 中心站 东大坡 气象站 双目峰 42?00′ 维东 数字化地震点地震?; ? 图天池火山数字化地震台分布及部分地震定位结果1 Fig.1 Distribution of the digital seismic station and some earthquakes location result in Tianchi volcanic area 火山地震活动1.2 为长白山火山地震频度和震级分布情况的统计从表中可见1。, 从年至目前地震频度1999, 和震级均呈现出增高的趋势尤其是从起地震频度快速上升年地震频度比前两年高出。2002, , 2003 个数量级比年和年高两个数量级年共发生次火山地震地震频度下降1, 19992000。2004728, 。 * 长白山火山地震频度统计表1 年年年年年年1999 2000 2001 2002 2003 2004 月份N MN MN MN MN MN Mmax max max max max max 1 17 1.2 13 1.2 10 0.0 44 2.1 13 1.0 2 7 1.2 11 1.4 8 0.8 19 0.4 60 2.3 3 11 0.7 3 0.0 3 0.0 243 2.9 42 1.6 4 7 0.0 16 0.9 4 2.2 28 1.7 25 1.5 5 6 1.3 14 2.2 2 0.0 189 2.4 178 2.1 6 2 0.5 5 0.0 22 1.3 150 1.6 24 2.2 7 2 0 1 0.0 12 0.0 36 2.4 160 2.9 33 1.1 8 4 1.2 6 2.2 6 0.0 45 2.1 56 1.6 18 3.0 9 13 0.4 1 0.0 6 1.9 70 2.1 104 1.6 135 3.7 10 7 0.9 15 0.0 6 0.0 16 1.3 25 3.0 23 1.0 11 1 0.8 13 0.0 9 0.3 101 2.6 243 2.7 13 1.6 12 5 1.2 4 0.0 6 1.4 153 2.7 33 2.4 160 2.5 合计32 1.2 90 2.2 107 2.2 470 2.7 1293 3.0 728 3.7 为地震数量为最大地震震级* N, Mmax。 长白山天池火山地震往往以震群方式发生表中列出的火山震群我们只给出了可以计算震。2, 级的较大的地震震群从年月以后火山地震震群频繁发生共发生次与中深源地震有关。20027, , 19 的震群活动。 长白山火山震群统计表2 频 日期震群持续时间度最大地震 时分() 、日年 月 N Mmax ( ) 1999.09.28 : 47- 14: 21 7 0.4 11 2000.01.08 00: 38 - 15: 50 5 1.1 2002.07.30- 10: 16- 2002.07.31 23: 51 8 1.2 2002.08.20- 21: 12- 2002.08.21 02: 03 10 1.9 2002.09.10- 07: 03- 2002.09.11 04: 17 5 1.3 2002.09.28- 22: 48- 2002.09.29 11: 43 12 2.5 2002.11.25- 19: 18- 2002.11.26 12: 46 71 2.6 2002.12.17 06: 15- 20: 02 12 2.1 2002.12.19 00: 19- 21: 30 9 2.0 2002.12.24- 23:28- 2002.12.25 09:23 11 2.5 2002.12.28- 06:18- 2002.12.29 05:49 12 1.6 2003.03.19 09:18- 19:04 27 2.9 2003.03.20 08:35- 17:48 5 1.3 2003.06.17 15:15- 21:06 10 0.9 2003.06.27 18:14- 19:15 5 1.2 2003.07.14 06:52- 15:58 23 2.6 2003.09.16 16:19- 23:17 5 1.4 2003.11.05 10 1.2 02:50- 03:31 2003.11.20 08: 08- 17: 13 22 2.4 2004.02.09 8 2.1 33- 18: 56 14: 2004.05.19 19 2.5 05: 26- 11: 04 西太平洋板块俯冲作用与天池火山地震活动 2 2.1 西太平洋贝尼奥夫带的基本形态 西太平洋从千岛海沟和日本海沟从东向西由中深源地震震源分布所显示的俯冲带的整体结构、 为两翼倾角宽度长度俯冲方向不对称的向西凸出的舌状结构 板舌前瑞向东凹进图是应、、、,。2 用美国地震信息中心级以上地震目录作出震中分布后绘出的地震等深网上发布的( ) NEICEM3.0 b 线分布由中深源地震等深线的分布反映出南北两翼的千岛群岛和伊豆小笠原俯冲带倾角大且。、- 由两端向中部的日本海倾角逐渐变缓千岛群岛俯冲带走向北东倾向北西 其北东部倾角为 。、,50?, 向东南方向倾角逐渐变缓板快宽度为俯冲带长度约俯冲最大深度可达。1500km, 860km, 700km。 日本海俯冲带起始处宽近的倾角插入中国东北大陆之而俯冲带前缘仅该带以1000km, 750km。25? 下约深处 吕政等600km( , 2004) 是除了南美州智利俯冲带倾角, 外全球俯冲带中倾角最( 17?) 小的由于其俯冲角度小俯冲带长度可达。, 1500km。 伊豆小笠原俯冲带倾向南西以的倾角插入日本南部的四国盆地之下最深可达左右 , ,- 63?580km 俯冲带长度约为该带沿走向向东南方向急剧变窄这表明俯冲带沿此方向倾角变陡到马760km。, , 135? 150? 165? 50? 600 700 千 岛 海45? 600 沟 图 例 100 日天池火山500 300 本 海沟轴 70 100海 断裂 地震震中沟 600 地震等深线 30? 图 地震等深线显示的西北太平洋俯冲板块形态2 Fig.2 Northwest Pacific Ocean subduction slab shape showed by the seismic isobathyline N M 8.00 8.00 7.00 4.00 6.00 5.00 0.0094 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 年 年 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 NM 3.00 268 2.00 1.00 134 0.00 - 1.00 0年 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 年94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 上图为深震曲线下图为火山地震曲线M- t、N- t, M- t、N- t 图天池火山地震与日本海中国东北深震区深源地震关系3 - Fig.3 Relation between Tianchi volcanic earthquake and deep earthquake in Northeast area of China 里亚纳俯冲带深处呈直立形态。 板块俯冲作用与长白山火山地震的关系2.2 板块俯冲作用的直接结果是从海沟处起始沿俯冲带形成浅源中源深源地震带西太平洋俯冲- - 。 带上发生的中深源地震随时间产生韵律性起伏即活动的分期分段特征日本海至中国东北深源地 , 。 震从年进入新的活动时段年在中国东北以东的日本海中发生级深源地震这次地震对1994, 19947.0, 长白山火山似乎没有太大的影响 图年在吉林省汪清发生级深源地震后火山地震逐渐( 3) 。 19997.0 开始增强年月在汪清发生级深源地震此后中深源地震频繁发生火山地震的频度也 。 200267.3, 、, 急剧上升图显示的是火山地震年频度变化情况为研究北纬以北的俯冲带整体地震活动对长。4。30? 我们以个月为时间窗天为滑动步长白山火山地震的影响 作长白山火山地震频度曲线并标出1, 3, , 所有深度为的中深源地震 图以上的地震对进行详细分析发现不仅震源深度?150km( 4) , , 400km 长白山火山地震有影响从年以来发生在该范围内深度的地震对火山地震活动都有一 , 2003?150km 定的影响图为年月以来火山地震及时间间隔曲线从中可见在级以上中深源地震。520026M- t。, 5.0 发生前后 均有火山地震活动发生变化我们统计发现有以下种情况一种是深源地震发生后火,。3: 第三是深源地震前后火山地 山地震随之增强第二种情况是火山震群活动结束后发生中深源地震 ; ; N 5.4124 5.8 7.36.8 5.2 5.1 62 5.25.6 5.66.4 6.9626.9 6.4 5.9 5.2 7.3 年2002 2003 2004 图火山地震频度与西北太平洋俯冲带内中深源地震关系 4 Fig.4 Relation between the frequency of volcanic earthquake and midiem- deep focus earthquake in subduction belt of Northwest Pacific 震活动频繁 在火山地震活动较少时发生中深源地震第一种情况有例第二种有例第三种情,。3, 8, 况有例下面仅给出每种情况的典型事件5。。 深源地震后天池火山地震活动增强的例子( 1) 年月日汪清级深源地震后天池火山地震缓慢增强月日在日本北海道发生20026297.0, 。11 17 级深源地震后天池火山地震活动快速增强其中月日 时分至时分发生5.8、7.3, 。 112519182235, 次火山地震最大地震为级67, 2.6。 年月日时分日本海发生级深源地震级深震后个多小时从时分至200331900435.2。5.28, 091821 时分计在天池火山发生次地震2926。 天池火山震群后发生中深源地震的例子( 2) 年月日日天池火山发生次火山地震火山地震平静后于日在俄罗斯发生深度2003714- 24, 39。27 为的级地震年月日至月日在天池火山发生次火山地震月日在堪察加 470km6.8; 200451969, 31, 610半岛发生深度为的级地震186km6.8。 天池火山地震活动相对平静时发生中深源地震的例子( 3) 从图中可见年月日发生在日本北海道深度为的级地震和年月日发生6, 2003220214km5.9200391 在中俄交界深度为的级地震前后均有天池火山震群或较大的火山地震事件而深源地震却发4816.0, 生在天池火山地震较少的时段内。 天池火山地震活动机制 3 千岛俯冲带和日本海俯冲带上发生的长白山火山地震活动与勘察加从上节的描述中可见 - , 中深源地震可能有着某种联系如果说距长白山天池较近的日本海至中国东北深源地震区的深震、。 可能会对其产生影响可以理解的话那么距离遥远的勘察加深度仅为的中源地震对火山地 , , 150km 震是如何施加影响的呢可能的是中深源地震发生所产生的震源力对俯冲板块施加扰动? : 、, 这种扰动力又通过某种 通道传递至长白山下的火山岩浆房使其失稳导致地下高压流体 液体“”( 、 气体产生膨胀使孔隙压增强致使气体活动或岩石产生微破裂发生地震这种 通道很可能是长) 。“” 5.2 3.00 6.92.00 5.9 1.00 0.00年 月200301 200302 200303 200304 200305 200306 14.6 5.95.2 6.9 7.3 0.0年 月200301 200302 200303 200304 200305 200306 7.3 6.4 5.65.22.00 5.4 1.00 0.00年 月200206 200207 200208 200209 200210 200211 200212 200301 7.37.3 5.6 5.4 12.2 5.2 6.4 5.8 6.1 0.0年 月200206 200207 200208 200209 200210 200211 200212 200301 6.8 5.1 5.23.00 5.2 5.4 2.006.4 1.00 0.00年 月 200307 200308 200309 200310 200311 200312 6.8 5.26.411.0 5.1 5.25.4 5.5 0.0年 月200307 200308 200309 200310 200311 200312 5.6 3.005.0 5.2 2.00 6.91.00 0.00 - 1.00 年 月 200401 200402 200403 200404 200405 200406 5.0 19.4 5.2 5.6 9.7 6.9 0.0 年 月200401 200402 200403 200404 200405 200406 图火山地震时序变化与西北太平洋俯冲带内中深源地震关系图5 Fig.5 Relation between time sequence and deep focus earthquake in subduction belt of Northwest Pacific Ocean 白山下存在地幔柱构造。 威尔逊( Wilson J T.1963) 为解释火山岛链年龄的递变现象而提出热点( hot spot) 的概念。 摩根则提出了地幔柱学说对热点的成因加以解释地幔柱是地幔深( Morgan W J.1971) ( plumes) 。处甚至核幔边界上产生的细长的圆柱状热尾管柱上升的热物质流它所携带地幔物质和热能 - ( ) 。 直至地幔上层并在岩石圈和软流圈分界处四散外流形成蘑菇状的柱头激起软流圈中的水平运动 , 。热点处的火山活动是地幔柱物质喷出地表的结果 马宗晋等( , 2003) 。 地幔柱按 出露环境可分为陆壳环境下产出的地幔柱和洋壳环境下产出的地幔柱 王登红“”( , 大陆地幔柱的玄武岩是否来自深部地幔柱源区一般都是通过洋岛玄武岩的化学同2001) 。, ( OIB) 位素的组成的对比来确定的即迄今地学界均将热点洋岛玄武岩视为来自核幔边界过渡带或, - 670km 处地震不连续面的两类热边界层的地幔柱物质的代表张本仁通过大量洋岛玄武岩研究( , 2001) . 已证明 洋岛玄武岩的化学成份和 等同位素组成均有宽广的变化范围并且其中还存,Sr、Nd、Pb, 在着不同的地幔端员组分主要有和, EM1, EM2HIMU。 长白山天池火山位于中朝克拉通北缘晚中生代至新生代时期强烈的岩浆活动沿着向的依 - 。NE兰伊通敦化密山鸭绿江图门江珲春裂谷带发育这些中新生代和早中新生代地堑裂谷- 、- 、、- 。- - 位于松辽盆地与日本海盆之间这两个大盆地分别是在中生代和早中新生代时期伸或火山岩带 。 - , 展裂陷形成的李继泰等 节可见深源地震资料显示 西太平洋板块从日本从本文第- ( ,1998) 。2 , , 海沟经日本岛弧及弧后的日本海盆以角向西俯冲吕政等 2004) , 俯冲板块的前缘已经插入图25? ( , 门江珲春裂谷带之下约深处的地震层析成象结果表明太平洋板块的东北日- 600km。 Dapeng Zhao, 本俯冲板片在处形成地幔滞留体 间断面并下降到核幔边界滞留体穿入到670km( stagnant) , 670km- 东北地区发生在俯冲带前缘的深源地震距天池火山仅一般来说在( Dapeng Zhao 2004) 。100km。 以下是不会发生地震的所以近水平分布的上地幔滞留体可能延伸长白山之下或更远处670km, 。 刘若新等的研究结果表明天池火山造锥阶段及近代喷发的粗面岩 最初来源仍属于造盾阶段地幔源, 碱性玄武岩类的分异演化它们有相似的分布形式和同位素组成其同位, REESr- Nd- Pb 。Sr- Nd- Pb 素成份中既有型的亏损地幔型组分也有富集地幔组分但特征更明显的是它们MORB+OIBDM, EMI, 都围绕原始地幔值附近分布即明显具有来自深地幔型组分他们认为震源深度在左右处, PM。600km 深地幔物质组分及俯冲板块物质组分和组分作为天池火山岩浆物质来源具有构造( PM) ( EMDM) 涵义根据年以来对天池火山聚龙泉群中口温泉气体氦氩及碳同位素观测结果表明这些温。199410、 1334- 6- 640363泉气体同位素中有很高的地幔源在 , 。 δC=- 3‰,- 7.5‰He /He=5.5×10,8.24×10Ar /Ar - He /4 图中较接近于消减带即地幔楔的同位素组分刘若新等 1998) 。 He, ( , 日本长白山 日本海 0 100 钙碱性 200拉斑质 碱性 300 400 500 间断面600 670km 700 km图长白山火山地幔柱模型 据王喻等修改( )6 1999 Fig.6 Mantle plume model of Changbaishan volcano 赵文峰指出中国东北部陆缘带老爷岭长白山玄武岩浆与深源地震呈共生活动 并认为其动力 、, 来源与西北太平洋板块的相对运动有关赵文峰刘若新根据对天池火山多年的火山学( , 1990) 。、 岩石学地球化学及地球物理探测结果提出了一个天池火山岩浆演化及导致天池火山千年大喷发 、, 的模型指出天池火山造盾玄武岩造锥粗面岩及碱流岩和近代喷发碱流岩具有共同的岩浆源区, 、。 千年大喷发可能是由地幔岩浆房液体注入地壳岩浆房而触发的 刘若新等 邓晋福等根据( ,1998) 。 原生岩浆类型辉石地温计等给出了东北地幔柱的结构并确定热柱中心位于长白山火山岩区的下面 , 邓晋福等( , 1992) 。 我们认为以上的前人研究结果意味着长白山的玄武岩喷溢以及近期地震仪器记录到的火山地 : 震活动与地幔柱有关晚中生代太平洋板块向方向俯冲到达中国大陆的珲春汪清一带。 NW, - 600km 之下后没有停止下行而是在过渡带处转平形成地幔滞留体滞留体在过渡带处逐, 670km, 。670km 渐变大增厚之后在负浮力作用下可能会下沉破碎下沉的巨厚滞留体 冷地幔柱 势必对下地幔, 。( ) 施加扰动从而诱发地幔柱的产生长白山玄武质火山活动始于早第三纪 以拉斑质玄武岩喷发为, 。, 在长白山区龙岗山脉老爷岭和张广才岭以及敦化密山断裂及其两侧有强烈的主中新世时期 - , 。, 碱性玄武质火山喷发活动长白山近代喷发以碱流质碎屑喷发为主从全新世和近代火山频繁地喷。。 发和近几年火山地震震群活动表明长白山之下的地幔柱可能仍在活动, 。 结语 4 热点地幔柱学说从诞生归纳的热点特征至今已有三十多年的历史( Morgan, 1971) 。Wilson 为相对高的地形火山喷发的拉斑玄武岩或碱性系列岩浆盖帽隆起等随着研究的深入对热点 : ; 。, 和地幔柱的描述更为具体等归的特点为。 White: 宽的中心热柱它由由温度异常高的上地幔物质组成热点之下有一个狭窄1) ( 150~200km) , ; 上涌地幔流在板块下散开形成蘑菇状柱头直径 其温度比正常温度高2) , 1000~2000km) , ( 100- 200c; 年代地幔柱引起岩石圈上隆幅度可达中国对地幔柱的研究工作始于上世纪3) 1000~2000m。80 末主要从岩浆作用成矿作用超变质作用大地构造四大领域研究了中国境内不同历史时期 , 、、、、不 同 构 造 部 位 发 育 的 地 幔 热 对 热 点 和 幔 枝 构 造 以 及 相 关 的 构 造 变 质 成 矿 事 件 李 红 阳 等 - - ( , 年代初中国地质大学邓福晋提出了中国北方大陆下存在地幔热柱和亚热柱的概念将2002) 。 90, , 其分为个主要亚热柱 邓福晋其中就包括长白山亚热柱8( , 1992) , 。 本文通过对近年来长白山火山地震活动与西北太平洋俯冲板块的中深源地震关系以及火山玄、 武岩地幔性质和长白山地热活动等资料并参考前人研究成果建立了长白山地幔柱模型 对长白山, , 火山地震活动机制进行了初步探讨长白山天池火山在历史上有过多期次喷发 从长白山火山站投。, 入观测以来记录到的火山地震活动及地热活动显示长白山火山是一座体眠的活动火山长白山区晚。第三纪第四纪火山喷发特别强烈和广泛持续时间最长直至第四纪晚期长白山天池还有中国 - , , 。 北方大陆上唯一的酸性火山喷发邓晋福认为它的奥秘可能就在于其位于地幔热柱的中心部位并 。, 认为长白山天池的火山有可能再复活 邓福晋( , 1992) 。 参考文献 [1] Wilson J T.A possible origin of the Hawaiian Island [J] . 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RESEARCH ON THE VOLCANIC EARTHQUAKE ACTIVITY MECHANISM IN CHANGBAISHAN TIANCHI AREA ??1) 2) 2)U LZheng, HONG Han- jing, WEI Hai- quan ( 1. Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130022, China; 2. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Bejing 100029, China) Abstr act : The researches of volcanic earthquake activities recorded at Tianchi Volcano Observatory ( TVO) since 1999 showed that the volcanic earthquake activities changed their features before or after the occurrence of the intermediate- deep earthquakes, magnitude 5.0 or larger than that, in the North- western Pacific Ocean. Our statistical data revealed the following three cases: the first one is that, the volcanic earthquakes became strengthening followed the deep earthquakes; the second is that, the in- termediate - deep earthquakes took place after the volcanic earthquake swarm; and the third one is the volcanic earthquakes took place before or after the intermediate - deep earthquakes. That means that the intermediate or deep earthquakes happened while the volcanic earthquakes at Tianchi volcano became rel- atively less. In this paper, we present a Mt. Changbai mantle plume model and discuss a preliminary mechanism of the volcanic earthquake activities, by studying the recent volcanic earthquakes activities of Mt. Changbai and the intermediate - deep earthquakes of the Northwestern Pacific subducting plate, the feature of the basaltic mantle and the Mt. Chanbai geothermal activities, based on the former researcher' s achievements. Key wor ds: Changbaishan Tianchi volcano; ; subducting plate; mantle plume volcanic earthquake structure