长白山火山区现今地壳运动特征及动力学环境分析

胡亚轩 赵凌强 宋尚武 庄文泉

1 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054

中国东北地块现今地壳运动主要受西太平洋板块俯冲及日本东北地震的影响。太平洋板块自北向南以不同的速度俯冲至欧亚板块/北美板块和菲律宾板块之下，其中向欧亚板块俯冲的速度约为80～90 mm/a，从东至西依次经过日本岛弧东部海域-日本列岛-日本海-长白山-松辽盆地，以一个复杂的海沟-岛弧-弧后系统作用于中国大陆东部[1]。自晚中生代以来，由于太平洋板块西向俯冲作用，中国东北地区岩石圈经历多期挤压和拉张演化过程，期间发生不同时期的地震及火山活动，引起构造变形，形成一系列裂谷带、盆地、火山带等[2]。日本列岛受太平洋板块、北美板块、欧亚大陆板块以及菲律宾板块相互作用影响，构造运动活跃，地震、火山等自然灾害频发。太平洋板块向北西方向俯冲至日本岛之下，引发日本海沟多次7级及以上板内地震。2011-03-11日本本州东海岸发生MW9.0地震(3·11大震)，日本近海沟处最大同震滑移量超过50 m[3]。中国大陆东北和华北地区观测站观测到的同震水平位移为cm级，张性应变相对较明显，最大处约为40 nanostrain[4]。

中国东北地区发育众多第四纪陆内火山，广义的长白山火山在中国境内包括天池火山、望天鹅火山、图们江火山和龙岗火山。根据长白山天池火山喷发的旋回性和周期性规律以及长期的火山地震、温泉和形变监测结果可知[5]，长白山天池火山未来具有再次发生大规模爆炸式喷发的危险性。与长白山天池火山毗邻的龙岗火山群，具有高密度分布、多中心爆炸式喷发特征[6]，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。其中，火山群西北部的金龙顶子火山为最年轻的近代活动火山，在距今约1 600 a发生过喷发，因此也具有潜在的喷发危险[7]。

本文基于日本GNSS地球观测网络(GEONET)资料和中国东北地区GNSS及水准观测资料，综合分析区域三维地壳运动特征以及3·11大震前后水平速度场变化，探讨太平洋板块俯冲及壳幔对流对长白山火山区现今地壳运动及火山活动的影响。

1 日本东北地区水平运动特征

日本GNSS连续观测台网始建于1993年，至1999年已建成由1 000余个连续观测站组成的GEONET网，平均点间距约为20 km(图1)，密集的观测台网可为认识大地震变形的动力学机理和区域介质性质提供良好的观测依据。选取GEONET网中分布在日本东北地区、距震中不同距离的部分观测站进行位移分量时间序列分析，研究数据来自内华达大学大地测量实验室。

图1 主要研究区域及GNSS观测站分布

日本东北地区的奥羽山脉地区(东北地区中央山脉)是运动较为强烈的区域，在太平洋板块近东西向推挤下，山脉地区向南北两个方向挤出，奥羽山脉地壳隆升和火山活动会释放部分能量。对日本东北地区GNSS观测站位移时空变化特征进行分析，总体来看，奥羽山脉为地壳变形的主要分界带[8]。从2014～2019年水平位移得到的面膨胀率可以看出，受太平洋板块NWW向俯冲挤压作用影响，现今主压应变仍以近东西向压缩为主(图2)，范围为距震中500 km区域，也是大震94%能量的释放区域[9]。2009年至2011年3·11大震前，西部海岸至分界带区域GEONET连续观测站主要为东向运动。以西部观测站J252、J232、J194、J192为例(图3)，大震前主要为东向运动，推测在上新世已停止扩张作用的日本海以沿其东缘西向俯冲和扩展运动为主。日本海具有较高的热流和海底扩张特征，日本海盆东侧多发地震，表明日本海在继续扩展。中部观测站水平变形较小，图3中J931、J917观测站运动速度变化较小。分界带至东部海岸区域观测站则以西向运动为主，从图3中J172、MIZU、J550观测站可以看出，西向位移量均大于20 mm，西向运动也是日本东部地区的优势运动方向，基本上与太平洋板块的俯冲方向一致。3·11大震发生后，J550测站东向同震位移达5.4 m(图4)。大震后日本北部地区发生明显的东向位移，从距离震中最近的J550测站到最西部的J252测站均可以看出震后的指数衰减。3·11大震影响范围广，震后影响随时间推移而逐渐衰减，地震造成的粘弹性松弛在未来50～100 a尺度上对中国东北地区具有拉张效应，但相对日本海扩展作用的时间影响范围仍为很小尺度。

图2 面膨胀率场

图3 3·11地震前GNSS连续观测站位移E分量时间序列

图4 3·11地震后GNSS连续观测站位移E分量时间序列

2 长白山火山区三维运动特征

2.1 水平运动特征

日本东北部海沟地震频发是中国东北区域应力变化调整的原因之一。日本海沟发生地震后，日本岛、日本海以及中国东北地区地壳及地幔会出现相应活动。大地测量观测资料主要是反映地壳运动特征，在一定条件下也可反映地幔顶部的水平流动。日本3·11大震在中国105°E以东区域产生同震变形，震后变形是震后余滑和粘滞性松弛等作用的综合反映，地震造成的粘弹性松弛对中国东北地区会产生拉张效应。对东北地区2011～2019年GNSS观测资料进行解算，结果表明，相对于欧亚板块，水平运动以东南向为主，说明受海沟-岛弧-弧后体系拉张作用影响，大陆具有向大洋方向运动的趋势，速率在10 mm/a以内(图5)，点位运动速率较大。3·11大震引起GNSS连续观测站JLCB的同震位移近30 mm(图6)。从CHUN、SUIY测站斜率变化可知，大震后各测站东向运动速度相对增大。从图5和图6可以看出，敦化-密山断裂以东测站的运动速率较大，这也是拉张量较大的原因。JLCB、JLYJ测站的速度略大于CHUN、SUIY测站，且仍大于各点震前的长期运动速度，表明日本大震对中国东北地区地壳运动趋势的影响仍在持续。

蓝色表示2011～2019年同震位移；红色表示3·11大震同震位移[4]

图6 GNSS连续观测站位移E分量时间序列

2.2 垂直运动特征

中国东北地区在新生代构造运动强烈，伊舒地堑和敦密地堑在新生代沉降达数千米，同时在部分地区还发育褶皱构造和大量断裂。1951～1982年一等水准资料表明，吉林-通化地区上升速率较大[10]。1970年代至1990年代多期水准资料表明，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。收集1980年代至2010年代一、二等水准路线观测资料，选用GNSS连续站垂直速率作为先验值，通过与水准数据进行联合解算，获取统一框架下的垂直形变场(图7)。结果表明，龙岗火山区垂直速率为-0.39～2.16 mm/a，火山区东部浑江-抚松一带隆升速率较大。抚松地区是浑江断裂在北部的延伸，也是地震多发地区，仙人桥温泉群是长白山火山区地热主要分布区域。

图7 中国东北地区垂直运动速度场及龙岗火山区MT测点分布

3 长白山火山区动力学环境分析

3.1 太平洋板块俯冲与长白山火山区现今地壳运动

西太平洋俯冲带以在日本海沟俯冲为主，其以高速度、小倾角向欧亚大陆强烈俯冲推挤，热物质上涌、地幔对流以及岩石层底部拖曳等多种驱动力共同决定着整个中国东北地区的构造运动状态以及地表运动格局，对断裂带运动及邻区构造运动具有重要影响[11]，板块的西向俯冲在日本海及中国东北地区形成NWW向主压应力。地震震源深度从日本岛向西逐步加深，并延伸至最西端约1 100 km外的中国东北大陆之下，在吉林珲春一带发生中国唯一的中深源地震。中国东北深震带上的深源地震还时有发生，说明西太平洋板块仍在向中国东北大陆俯冲，俯冲方向、速度和角度随时间而发生变化。现今板块的运动方向决定着区域应力变化及地震时空分布特征。受3·11大震震后应力调整影响，现今中国东北地区地壳运动以粘滞性松弛效应影响为主，YYF和DMF两条断裂以拉张为主，走滑分量较小，DMF以东观测站的水平运动速度明显大于西侧站点。

日本海-中国东北深震区前缘地震带是欧亚板块与西太平洋板块之间部分区段的深部分界，日本海的扩张作用可能在上新世后已停止并转为沿其东缘发生俯冲作用或日本海与日本本岛的聚合作用，日本海浅震的发生以及现今GNSS观测结果表明两者可能仍在发生作用。欧亚板块与太平洋板块碰撞主要出现在日本东北地区西侧，太平洋板块俯冲作用影响范围主要为从海岸到陆地200 km范围内。板块俯冲对中国东北地块的影响可能主要表现为与深俯冲有关的深部热作用和深源地震，对地壳运动的直接影响较小。中国东北长白山火山是与太平洋俯冲板块在地幔转换带内的滞留和深部脱水等过程密切相关的弧后板内火山。2002年吉林汪清发生7.2级深震，受同一区域应力场影响，距离深震区约250 km以外的长白山天池火山在2002～2006年发生岩浆扰动，地震事件增多，在火山口附近出现最大14.3 mm/a的水平运动和46.0 mm/a的垂直运动[12]。3·11大震后，中国东北地震主要发生在松辽盆地和大兴安岭地区，大震引起的天池火山区面膨胀为46 nanostrain，体膨胀为14 nanostrain[13]，但地震未明显增多，表明浅层岩浆未受到扰动[14]。

3.2 岩石圈物质流动与长白山火山区现今地壳运动

中国东北地区新构造变形及板内运动明显受到地幔上隆/火山活动与裂谷盆地扩张等弧后活动的强烈影响，中国东北地区地壳与上地幔具有较强的横向不均匀性，较薄的岩石圈与热物质上涌及壳内存在岩浆囊有关，中国东部新生代玄武岩一般被认为是上地幔部分熔融的产物。由于板块俯冲导致东亚大陆扩张，引起上地幔上拱及局部物质熔融并沿岩石圈断裂带上涌和喷溢至地表。长白山火山区的低速异常反映出区域性热构造信息，上涌的软流圈可能已经到达(或接近)莫霍面位置[15]，同时火山区的隆升可能说明局部壳幔物质活动对地壳活动的影响。郭良迁[10]研究认为，东北断块区现代地形变形态与地壳厚度变化形态及其等值线走向截然不同，这可能表明现代地形变未完全反映地壳整体变化，可能主要反映地壳中部和上部地层的变化。自1972年吉林省地震台网建立后，长白山龙岗火山区记录到200余次地震，其中4.0级以上地震4次，且在1997和2009年多次发生震群活动，震源深度在1985～2002年约为20 km，2003年以后平均深度小于10 km。大地电磁方法获取的地下电阻率分布特征表明，地下介质物性参数存在差异，火山区分布的低阻体可能与深部岩浆系统相对应。2020年在火山区布设由7条剖面、近100个测点组成的大地电磁观测网，点位分布见图7，三维电磁反演得到的电性结构结果揭示壳内存在低阻体(图8)。25 km以上的低阻结构主要分布在水准资料揭示的隆升区和现今的小震多发区，推测岩浆从深部向浅部运移引起火山区持续的相对隆升及小震活动。

图8 龙岗火山区电性结构及地震分布

4 结 语

太平洋板块向西强烈俯冲，使得日本海沟大震多发，NWW向主压应力从东至西依次作用于日本列岛、日本海及中国东北地区。奥羽山脉是日本东北地壳运动的分界带，大致为太平洋板块俯冲作用的影响范围。3·11大震前，奥羽山脉以西点位以东向位移为主，中部点位位移量较小，西部点位以西向位移为主。3·11大震后，地壳运动以东向位移为主，但奥羽山脉以西点位东向运动速率明显大于东侧点位。中国东北地区现今地壳运动特征与太平洋板块的俯冲、太平洋板块和菲律宾板块与欧亚板块的碰撞和挤压、日本海沟大震、地幔对流以及断层调整等作用有关；现今地壳运动活跃，存在深、浅源地震；受日本3·11大震震后粘滞性松弛效应影响，研究区东部仍以拉张运动为主。太平洋板块的深部俯冲引起区域应力变化，2002年在吉林汪清发生深震。长白山火山区由于存在壳幔岩浆，应力变化引起天池火山岩浆扰动，导致火山区产生明显地壳变形。2011年日本3·11地震引起东北地区应力发生变化和调整，但并未引起长白山火山区浅层岩浆扰动。龙岗火山区地壳的长期隆升和小震发生，推测是由火山区岩浆运移所引起。

致谢：本研究中GEONET数据的应用及文献资料的积累得益于与东京大学地震研究所Akito Araya教授的合作及探讨，工作期间也得到研究所有关师生的协助和管理人员的支持，在此一并表示感谢。