长白山天池火山地震活动特征

长白山天池火山地震活动特征 SE ISMOLOG Y AND GEOLO GY 长白山天池火山地震活动与西北太平洋 俯冲带内中深源地震关系的研究 )))))1 , 2 1 , 2 2 2 1 政 杨清福 张恒荣 刘国明 高金哲 吕 )1 吉林省地震局 , 长春 130022 ) 2 长白山天池火山监测站 , 安图 133613 ,综合西北太平洋俯冲带俯冲作用所引起的根据长白山火山活动的地球动力学背景 摘 要 中深源地震与长白山火山地震活动及温泉流体化学气体释放变化趋势的关系 。认为在北纬 35?以北 , 西北太平洋板块俯冲作用引起的地幔对流的扰动作用下 ,长白山火山活动从 1999 年至目前大体经历 了 3个阶段 : 1999 年 6 月至 2002 年 5 月为扰动起始阶段 , 2002 年 6 月至 2004 年为扰动增强阶段 , 2005年至目前为扰动衰减阶段 。在分析了 3个阶段内长白山火山地震活动及温泉气体释放特征的基 础上 ,讨论了长白山天池火山目前的活动状态 。从日本海至中国东北深源地震区地震活动期和平静 期存在的韵律性活动过程出发 ,对长白山天池火山未来喷发的可能性进行了分析 。 关键词 中深源地震 火山地震 火山活动状态 西北太平洋俯冲带 长白山天池火山 ( ) 文章编号 : 0253 - 4967 2007 03 - 0470 - 10 中图分类号 : P317. 4 文献标识码 : A 0 引言 长白山天池火山主体位于中国东北吉林省境内 ,历史上有过多期次喷发 ,其中约 1 000 a前 的 1 次火山喷发 ,其规模和猛烈程度被认为是近 20000 a来地球上最大的爆炸式火山喷发之一 , 3 喷发物总体积在 30 km以上 ,喷发柱高达 30余千米 ,火山灰向东飘落到日本北海道南部一带仍 可厚达 5 cm。早在 1992年 ,刘若新等就指出 ,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 。上官志冠 1995 则认为 ,长白山火山附近的深部可能有热岩浆源 ,甚至可能离地面 不远 ,因此长白山天池火山是 1座具有潜在爆发危险的活火山 。 长白山火山区内有长白山自然保护区 ,还有大量的居民点 ,通信 、交通 、水电站等生命线工 程 ,未来的火山喷发会造成巨大的灾害和损失 。为加强对火山活动的监测 ,长白山天池火山监 测站于 1999 年 7月投入观测 。观测项目有地震 、形变 、GPS、短水准 、流体化学等 。本文利用1999年以来的观测资料 ,在综合分析长白山火山地震活动和水化学气体释放年变状态与西北 太平洋板块俯冲作用的关系的基础上 ,从长白山火山活动的地球动力学角度探讨了长白山火山 目前的活动状态及未来喷发的可能性 。 1 火山地震活动 由于气候条件的限制 ,目前只有中心站进行常年观测 。中心站的观测仪器为 FB S - 3A 型 〔收稿日期 〕 2006 - 12 - 12收稿 , 2007 - 04 - 17改回 。 宽频带三分向地震计和 EDA S - C24型数据采集器 。由于火山地震震级小等多方面的原因 ,大 多数火山地震无法进行定位 。在编辑火山地震时 ,除少数震级 > 210 的地震由吉林省地震 台网定位外 ,其它地震均以中心台站坐标代替震中位臵 。考虑到火山中心站震中距较近 ,由于 受起算函数和台基的影响 ,确定震级偏低 ,在确定震级时统一加上台基校正值 012 ,以达到与省 台网震级一致 。 1为火山地震频度及震级分布情况 ,图 1为利用可确定震级的火山地震作出 的震级 、频度及应变的时序分布曲线 。由表 1 可见 ,长白山天池火山地震的频次从 1999 年 7 月 至 2005年 7 月总体上呈逐年上升的趋势 , 2005年 8月后地震频度开始衰减 。从 1999年 7 月开 始观测至 2002年 5月平均每月有 7 次火山地震 , 2002 年 6 月至 2005 年 7 月 ,平均每月的火山 地震数量达 70余次 。 2005 年 8月后火山地震频度锐减 ,至 2006 年 12 月 ,火山地震月平均频次 为 10次 ,恢复到 2002 年 6月以前的水平 。 图 1 天池火山地震 M - T、日频度及应变释放曲线 F ig. 1 M - T p lo t, da ily frequency and stra in re lea se of Tianch i vo lcan ic ea rthquake s. 除了在天池火山口附近地震以震群形式发生外 , 2004 年 12 月 17 日和 2005 年 4 月 14 日 , 在距天池火山口 30 km 左右的望天鹅火山分别发生了 414级和 410级地震 。 2 地下流体年动态变化 天池湖周边地区分布有很多温泉 。其中较重要的有长白聚龙温泉 、天池湖滨温泉和锦江温 泉 。长白聚龙温泉分布在天池北侧 ,在天池瀑布的北面 ,主要泉群集中在二道白河上游东岸 。 著名的聚龙泉出露于松源桥长廊东面山麓前的岗地上 , 含水岩层为火山粗面岩 , 出露面积约 2 30500m,大小温泉约有 30个 。在二道白河上游东河漫滩上还有 3 个高温泉 ,和聚龙泉一起构成天池瀑布长白温泉群 。泉水温度大多在 70 ?以上 ,最高可达 83 ?。天池火山区释放出的气 () 体中 ,化学组分主要是 : H e, H, A r, O, N, CH, CO高清武 , 2004 。 2 2 2 4 2 472 地 震 地 质29卷 表 1 火山地震频度及强度统计 Vo lcan ic se ism ic frequency and in ten sity sta tistic s Tab le 1 年1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 M M M M M M M M N N N N N N N N 月 m ax m ax m ax m ax m ax m ax m ax m ax 112 12 10 11 10 12 16 1021001 17 15 10 44 13 10 5 112 114 018 014 213 114 115 2 7 11 8 19 60 7 3 017 010 010 219 116 114 111 3 11 5 3 242 45 23 3 010 019 010 117 115 213 115 4 7 16 3 28 25 93 4 115 212 010 214 211 115 016 5 6 14 2 189 178 62 17 015 010 113 116 212 215 010 6 2 5 22 150 24 91 1 10 010 010 214 219 111 215 114 07 2 1 12 36 160 33 228 3 112 212 010 211 116 310 112 015 8 6 6 45 56 18 5 9 4 010 119 211 116 317 019 211 9 1 6 70 104 135 18 12 015 14 010 010 113 310 110 019 117 10 15 6 16 25 23 2 17 019 7 11 15 9 101 245 13 13 21 1 0002211218 10 15 16 17 16 10 16 12 5 112 4 010 6 114 153 217 33 214 161 317 7 210 21 116 112 212 107 212 470 217 1 293 310 728 317 559 215 116 211 90 合计 32 注 N 为火山地震频度 ; M 为最大震级 。 m ax “九五 ”期间 ,中国地震局地质研究所对长白山火山区的温泉及流体进行了普查研究 。长 白山火山观测站成立后 ,根据专家建议 ,以聚龙泉为中心建立了地下流体监测网点 ,选定聚龙泉 ( ) 3 个泉点 15号 、9号和 8号 、锦江 2个泉点 ,对 H e, H, N, CH, CO等 5种气体以及泉水温度 2 2 4 2 进行了观测 。天池火山区的地下气体来自地幔 ,至少是以幔源气体为主 。在上述观测气体中 , H e是惰性稀有气体 ,质量轻 、运移快 ,穿透力也极强 ,最大特点是在运移过程中没有化学干扰 ,是一种可靠的地质环境标志性气体 。H通常被认为和温度有关 ,被看作高温气体 。N是空气 2 2 中的主要成分 ,天池火山区地下气体中的 N含量却相当低 ,预示着天池火山区的逸出气体已经 2 远远离开了大气圈层和地壳浅部气体对流层 。这里地下释放气体中的少量 N也同样和地球深 2 部有关 。 CO是长白山火山区的主要气体成分 ,除极个别点外 ,各释气点的 CO含量普遍都在2 2 90 %以上 ,最高可达 9616 % 。 CH来自地球深部 ,与岩浆活动有关 ,和其它气体一样也是地下 4 (() 岩浆挥发组分的一部分 高清武 , 2004 。另外 , N含量有随水温升高而降低的规律 上官志冠 2 ) 等 , 1996 。 图 2给出了聚龙泉 8号 、9 号和 15 号 3个泉点 6 个测项的年变化曲线 。从图中可见 , 2002 年至 2004 年 CO, CH, H e, H气体含量增高 , N含量呈趋势性下降 。 2004 年后 ,有些观测值 2 4 2 2 已恢复到 2002年以前的状态 。地下逸出气体无疑是地下信息的最好载体 ,能很好地反映地球 深部的信息 。火山区的一些气体成分能很好地反映岩浆房或岩浆通道的活动状态 。如果将图2 中的 CO, CH, H e, H气体含量变化与图 4中的火山地震及西北太平洋俯冲带上的中深源地 2 4 2 震频度进行比较 ,可见三者呈现出相当同步的变化趋势 。火山由休眠阶段向喷发阶段转变的过 程中 ,一般都会出现不平衡条件的扰动 ,而气体组分本身的性质决定了它们可以灵敏地反映深 () 部任何物理化学变化 M a rtin i, 1996 。因此 ,气体化学与火山地震及中深源地震的相关变 化 ,反映出天池火山的气体和地震活动的根源在深部 ,是深部的扰动在地表的表现 。 图 2 聚龙温泉水温及气体观测值年变化趋势 F ig. 2 Change tendency of annua l ob se rva tion s of ga s and wa te r temp e ra tu re of J u long the rm a l sp ring. 3 天池火山地震活动与西北太平洋板块俯冲作用 ()图 3是应用美国 AN SS A dvanced N a tiona l Se ism ic System 网上发布的 M 410 以上地震目 b ?录 作出震中分布后绘制的地震等深线 。由图可见 ,西北太平洋板块具有明显的分段性 ,各段 的基本情况概述如下 。 千岛群岛俯冲带与日本海俯冲带大致以北纬 46 ?为界 。北纬 46 ?以北的千岛俯冲带平均倾 角为 45 ?,俯冲带走向 N E、倾向 NW ,向 SE方向倾角逐渐变缓 。板块宽度为 10500 km ,俯冲带长 度约 860 km ,俯冲最大深度可达 700 km。这一地区的地震活动介于强活动区的日本与弱活动区 的小笠原及玛里亚纳之间 。 日本海俯冲带与伊豆 - 小笠原俯冲带大致以北纬 35 ?为界 。日本海俯冲带起始处宽度近10000 km ,而俯冲带前缘宽度仅 750 km。该带以 25 ?的倾角插入中国东北大陆之下约 600 km 深 (()) 处 吕政等 , 2004 ,是除了南美州智利俯冲带 倾角 17 ?之外 ,全球俯冲带中倾角最小的 。日本 海板块以小角度俯冲插入中国东北大陆 ,是西太平洋浅源和中深源地震活动最强烈的地区 。 北纬 35 ?以南的伊豆 - 小笠原俯冲带倾向 SW ,以 63 ?的倾角插入日本南部的四国盆地之 ? h ttp: / /www. ncedc. o rg / an ss / ca ta log2sea rch. h tm l。 474 地 震 地 质29卷 图 3 地震等深线显示的西北太平洋俯冲板块形态 F ig. 3 The shap e of no rthwe st Pac ific subduc tion p la te showed by se ism ic ba thym e tric m ap. 下 ,最深可达 580 km 左右 ,俯冲带长度约为 760 km。该带沿走向向 SE方向急剧变窄 ,这表明俯 冲带沿此方向倾角变陡 ,到马里亚纳俯冲带深处呈直立状态 。该俯冲板块与上覆板块间的耦合 极差 , 200 km 以下各深度段的断层类型均以正断层为主 ,显示俯冲带处于引张应力状态 。因此 这些地区的地震活动相对较弱 。 在分析长白山火山地震与俯冲带内的中深源地震关系的过程 中 ,发现北纬 35 ?以北的俯冲 带上深度 ?150 km 的中深源地震活动对长白山火山地震有扰动作用 ,这可能与西北太平洋俯冲 带具有明显的分段性有关 。太平洋板块通过日本海板块小角度俯冲与中国东北大陆产生强烈 的挤压碰撞 ,对东北大陆的构造格局及火山和地震活动产生了重要影响 。由于俯冲带倾角较 大 ,千岛俯冲带对东北大陆的挤压碰撞相对较弱 。伊豆 - 小笠原俯冲带倾角变化较大 ,可能没 有形成对东北大陆的挤压碰撞作用 。因此 ,本文选取北纬 35 ?以北的日本海俯冲带和千岛俯冲 带上的中深源地震进行了研究 ,以俯冲带上 ?150 km 的中深源地震作为对火山地震扰动的起始 深度 ,是在分析火山地震与中深源地震关系的过程中发现的 。 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 ,即地震活动具有分期分段特征 。日本 海至中国东北深源地震从 1994年进入新的活动时段 , 1994 年在中国东北以东的日本海中发生 了 710 级深源地震 ,这次地震对长白山火山似乎没有太大的影响 。 1999 年在吉林省汪清发生710级深源地震后火山地震逐渐开始增强 。 2002 年 6 月在汪清发生了 713 级深源地震 ,此后 中 、深源地震频繁发生 ,火山地震的频度也急剧上升 。 图 4显示的是俯冲带上中深源地震与长白山火山地震的年频度变化情况 。由图可见火山 地震频度的变化趋势与西北太平洋俯冲带内的中深源地震频度变化趋势具有相当好的一致性 , 这充分显示了板块俯冲及中深源地震活动对长白山火山活动的扰动作用相当强烈 。 除了上述火山地震与中深源地震年度变化趋势的一致性外 ,北纬 35 ?以北的俯冲带上深度 () ?150 km 的单发 510级以上中深源地震活动对长白山火山地震有明显的扰动作用 图 5 。由 于中深源地震的扰动影响 ,有时在较短的时间内在长白山天池火山口内发生数十次甚至上百次 图 4 长白山火山地震与西北太平洋俯冲带中深源地震频度 F ig. 4 Changba ishan vo lcan ic ea rthquake and frequency of in te rm ed ia te and deep focu s ea rthquake in no rthwe st Pac ific subduc tion zone. 地震 。例如 : 2002年 6月 29日汪清发生深度为 566 km 的 710 级深源地震后 ,地震频度明显上 升 , 8月 20日 22 —23 时 , 2 h内发生了 22次地震 ,最大震级为 M 119; 2002年 9月 15 日在黑龙 L 江穆棱发生深度为 586 km 的 614 级地震后 , 9月 29日 5 时 , 1 h内连续发生 39次地震 ,最大震级 为 M 211; 2002年 11月 17日 ,在日本北海道发生深度为 459 km 的 713 级地震后 , 11 月 25 日L 19时 18分至 22时 35分 , 4个多小时内发生了 70 次火山地震 ,最大震级为 M 216。最为引人 L 注目的是 : 2003年 3月 19日 0 时 43分 ,日本海发生深度为 369 km 的 512 级地震 ,震后 8 个多 小时后 ,从 19日 9时 18 分至 21日 17时 51分 ,在天池火山发生了 208 次地震 ,最大地震为 M L 213; 2003 年 6月 17日 6时 8分 ,在千岛发生深度为 17418 km 的 619级地震后 ,天池火山从 17 日 9 时至 18日 18 时发生了 73次地震 ,最大震级为 M 019。L 图 5 2002—2003年火山日频度及累积频度曲线 F ig. 5 The cu rve of the da ily frequency of vo lcan ic ea rthquake and the cu rve of accum u la tive frequency. 上述情况表明 ,多数情况下火山震群活动的开始时间滞后于西北太平洋俯冲带上中深源地 震的发生时间 。有一个现象值得注意 ,火山震群滞后于中深源地震发生的时间与中深源地震距 476 地 震 地 质29卷 火山口的距离成反相关 。这种现象的具体原因还不清楚 。 4 长白山天池火山近期活动特征及未来喷发的可能性分析 从上节的描述中可见 ,长白山火山地震活动与勘察加 - 千岛俯冲带和日本海俯冲带上发生 的中 、深源地震可能有着某种联系 。深源地震资料显示 ,西太平洋板块从日本海沟经日本岛弧 () 及弧后的日本海盆以 25 ?角向西俯冲 吕政等 , 2004 ,俯冲板块的前缘已经插入图门江 - 珲春 裂谷带之下约 600 km 深处 。长白山天池火山距深源地震区最近处仅 120 km。长白山天池火山 的形成及其后的持续活动可能与西北太平洋板块在中国东北之下 670 km 深部脱水引起的地幔 ( ) 物质大规模上涌有关 Zhao, 2004; L e i et a l. , 2005; 汤吉等 , 2006 。在俯冲板块的不断扰动作 () 用下 ,巨大的地壳岩浆房和持续的幔源岩浆的补给 樊祺诚等 , 2001 ,使长白山火山保持长期 活动状态 。 火山的成因是判断火山未来活动趋势的重要依据 。根据上述有关长白山火山活动的地球 动力学机制 ,综合分析西北太平洋俯冲带俯冲作用所引起的中深源地震与长白山火山地震 、温 泉流体化学气体变化的关系 ,认为长白山火山近期的活动从 1999年至今大体经历了 3 个阶段 。 第 1阶段从 1999 年至 2002年 5月 。 1999 年 4月 8日汪清 710级深震后 ,西北太平洋俯冲 带中深源地震对火山活动的扰动处于初始阶段 。由于深源地震对地幔上升流的扰动作用 ,使其 上升流加速从而增加了对长白山之下的上地幔岩浆房的压力 ,地幔岩浆侵入地壳岩浆房引起升 温作用产生水热活动及气体释放 。估计这一阶段以深部和地幔岩浆房活动为主 ,地壳岩浆房受 深部扰动的影响相对较弱 。在此阶段火山地震频度慢慢加大 ,地震强度较低 ,最大地震不超过 215级 。温泉水温呈起伏性上升 , N气体含量则大幅度下降 。由于 N含量有随水温升高而降 2 2 () 低的规律 上官志冠等 , 1996 ,综合水温及 N气体观测资料判断 ,长白山火山在这 1 阶段地壳 2 岩浆房有一次幅度较大的升温过程 。 第 2阶段从 2002 年 6 月至 2005 年 7 月 。 2002 年 6 月汪清 712 级深震 、9 月黑龙江穆棱614 级深震和 11月 17日日本北海道 713 级深震及随后的一系列中深源地震对长白山火山地壳 岩浆房的扰动加剧 。由于第 1阶段及第 2阶段初期持续的升温作用使岩浆通道畅通 ,水热活动 加剧 ,幔源化学气体强烈释放 。这一阶段的火山活动表现为 : 温泉的水温 、CO, H e, H, CH等2 2 4 气体观测值持续上升 。N气体含量在本阶段初期继续下降 ,在 2002 年 6 月后保持在低值水 2 平 ,表明升温作用后地壳岩浆房的温度处于平衡状态 ; 由于地壳岩浆房的岩浆或流体活动 ,使 地壳岩石的孔隙压增强产生脆性破裂 ,导致火山地震震群活动频繁 ,地震强度逐年上升 , 210 , 310级地震增多 ; 2002 —2005年天池北坡水准测线高程累积变化 68116mm ,同期也发生了比较 ? 明显的膨胀变形 ,应为地壳岩浆房的升温膨胀致使围压降低的结果 。 第 3阶段从 2005 年 8月至今 。由于从日本海至中国东北深震区本活动期已趋于尾声 ,中 深源地震频度和强度大大下降 ,对长白山火山的扰动趋于平稳 。目前温泉水温和 CO值在前 2 几年高值的基础上略有下降 , H e, H, CH值恢复到低值状态 。N从 2002年以来一直处于低值 2 4 2 状态 ,这表明天池火山之下的地壳岩浆房在经历了 1999 —2002年的升温作用后 ,目前一直保持 升温后的较高温度 。 ? 李克等 , 2006,长白山天池火山监测与趋势分析研究 。 综合以上分析认为 ,目前长白山火山处于休眠期后的初始扰动阶段 ,深部岩浆开始活动 。 由于地幔岩浆上侵导致地壳岩浆房增温及流体活动 ,地壳上隆及流体活动引起地壳浅部的引张 () 应力作用及孔隙压变化 ,出现高频震群 A 型地震 。上述扰动作用主要是受西北太平洋俯冲 带上的中深源地震的影响 ,随着东北深震区本活动期的结束 ,这种扰动在未来几年将趋于减弱 。 根据笔者研究 ,日本海至中国东北深源地震区的地震活动期和平静期平均持续时间分别为 () 11 a和 8 a,大体上显示出 20 a尺度的活动 - 平静交替过程 吕政等 , 2000 。从 20 世纪初以来 , 日本海至中国东北深源地震区的地震活动经历了 5 个活动期 。由于深源地震存在韵律性活动 ,即活跃与平静的反复交替 ,这种以 20 a 为周期的扰动会重复出现 。这种扰动经过数次反复 ,一 旦破坏火山区岩浆房的热力学平衡将导致火山喷发 。 本文在撰写过程中得到中国地震局地质研究所洪汉净研 究员 的指 导 ; 文中 使 用了 美国 () AN SS A dvanced N a tiona l Se ism ic System 网上发布的中深源地震目录 ,引用了 “九五 ”、“十五 ” 期间长白山火山观测资料和科研成果 ,在此表示衷心感谢 ! 参考文献 樊祺诚 ,隋建立 ,刘若新 . 2001. 五大连池 、天池和腾冲火山岩 Sr、N d同位素地球化学特征与岩浆演化 [ J ]. 岩 ( ) 石矿物学杂志 , 20 3: 232—238. 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STUDY O F THE REL A T IO NSH IP BETW EEN C HA NGBA ISHA N T IANCH I VOLCAN IC SE ISM IC ACT IV ITY AND D EEP EARTHQUAKES IN THE NO RTHW EST PAC IF IC SUBD UC T IO N ZO NE 1 , 2 )1 , 2)2 )L Β Zheng YAN G Q ing2fu ZHAN G H eng2rong 2) 1 )L IU Guo2m ingGAO J in2zhe ) 1 Ea rthquake A dm in istra tion of J ilin P rovince, Changchun 130022, Ch ina ) 2 C hangba ishan T ianch i V olcano O bserva tory, A n tu 133613, Ch ina A b stra c t O n the ba sis of geodynam ic s of Changba ishan Tianch i vo lcan ism , we ana lyzed comp rehen sive ly the in te rm ed ia te and deep focu s ea rthquake s induced by the subduc tion of the no rthwe st Pac ific p la te and the re la tion be tween the vo lcan ism of Changba ishan and the change tendency of ga s re lea sed in the the rm a l sp ring. W e th ink tha t vo lcan ic ac tivity of Changba ishan cau sed by the d istu rbance of m an2 tle convec tion w ith the subduc tion of No rthwe st Pac ific p la te to the no rthwe st of 35 ?N is d ivided in to th ree stage s from the beginn ing of 1999 to the p re sen t. The first stage w ith the beginn ing of the d is2 tu rbance is from J une, 1999 to M ay, 2002; The second stage w ith the in ten sifying of d istu rbance is from June, 2000 to 2004; A nd th ird stage w ith the decaying of d istu rbance is from 2005 to now. B y ana lyzing the above th ree stage s, we d iscu ssed the p re sen t ac tivity regim e. W e ana lyzed the rhythm ic se ism ic ity be tween the se ism ica lly ac tive p e riod and the qu ie tude p e riod of the a rea from the J ap an Sea to the deep 2focu s ea rthquake zone of No rthea st Ch ina and the po ssib ility of e rup tion of Changba ishan Tianch i vo lcano in the fu tu re. Key word s no rthwe st Pac ific subduc tion zone, in te rm ed ia te and deep focu s ea rthquake, Changba is2 han Tianch i Vo lcano, vo lcan ic ea rthquake, sta te of vo lcan ic ac tivity 〔作者简介 〕 吕政 , 1954年生 ,高级工程师 , 1978年毕业于长春地质学院地震地质专业 ,主要从事地震学 、俯冲 带及火山地震等方面的研究 ,电话 : 0431 - 85806035, E - m a il: luzneg1954@ 1631com。