长白山天池火山区电性结构和岩浆系统.docx

长 白 山 天 池 火 山 区 电 性 结 构 和 岩 浆 系 统 3汤 吉 邓 前 辉 赵 国 泽 李 文 军 宣 飞 晋 光 文白 登 海 詹 艳 梁 竞 阁 蒲 兴 华 王 继 军(中国地震局地质研究所 , 北京 100029)李 国 深 洪 飞 马 明 志 陈 风 学(中国石油集团公司浙江石油勘探处 , 杭州 310007) (吉林省地震局 , 长春 130022)摘 要 在长白山火山区及其附近 ,沿 5 条伞状测线和 1 条北西向测线进行 了 61 个 大 地 电 磁测深点的观测 用 Robust 等方法对观测资料进行了处理 ;应用 阻 抗 张 量 分 解 方 法 消 除 了 局 部 不 均 匀体的影响 ;计算了反映地下横向不均匀性的地磁感应矢 量 利 用 RR I 二 维 自 动 反 演 等 技 术 对 资 料 进 行了解释 结果表明 :在近地表存在低阻体 ,并分别与长白山天池水体 、 聚龙泉温泉 、 锦 江 温 泉 及 长 白 山 山门附近的地下水相对应 在 长 白 山 天 池 及 其 以 北 和 以 东 地 区 ,约 12 km 深 处 存 在 电 阻 率 很 低 的 地质体 ,电阻率为 10 到几十 Ω m ,可能是地壳岩浆囊 。

在测区范围内 ,地壳电性结构在南北方向存在 着明显的横向变化 ,而东西方向相对均匀 ,变化比较平缓 关键词 大地电磁测深 视电阻率 磁感应矢量 低阻体 岩浆囊1 引 言长 白山天池火山 ,是我国保存最为完整 的 新 生 代 多 成 因 复 合 火 山 ( 刘 若 新 等 ,1995) 在 地质构造上 ,长白山天池火山区处在西太平洋深俯冲带上 ,属于鸭绿江 - 珲春裂谷带 ,该区 发 育 一系 列由北东向 、 北西向断裂组成的网状断 裂 ( 金 柏 禄 ,1994) 自 中 生 代 以 来 经 历 了 较 强 烈 的 中- 酸性火山活动 ,第三纪及第四纪期间发生过 强 烈 的 玄 武 质 火 山 活 动 ,是 我 国 第 四 纪 火 山 活 动 最强烈的地区之一 ,也是我国近期喷发危险性最大的火山之一 (刘若新等 ,1995) 据历史记载 ,天池火山于 1668 年 、 1702 年 和 1903 年 发 生 过 喷 发 活 动 ,并 于 860～ 1 000 年前 发生过大规模爆炸喷发 (崔钟燮等 ,1995) 近 年 来 的 观 测 ( 李 继 泰 等 ,1995 ; 汤 吉 等 ,1997) 表 明 ,天池火山可能具有再次喷发的危险性 。

世 界上多火山国家如日本 、 新西兰 、 意大 利 、 法 国 、 阿 根 廷 、 冰 岛 、 加 拿 大 等 都 在 火 山 区 进 行了 大量的大地电磁观测研究 (Jo nes et al . 1993 ; Sainto et al . ,1993 ; Maio et al . , 1996 , 1998 ; Sa2 sai et al . , 1990) 本项研究旨在探明火山区地下岩浆囊系统和地壳上地幔结构 ,为 火 山 的 喷 发 危险性预测和灾害评价提供地球物理依据 2 野 外 观 测野 外资 料 的 采 集 是 1997 年 7～ 8 月 进 行 的 ,采 用 了 德 国 Met ro nix 公 司 生 产 的 GM S05 和3 中国地震局 “九五 ”重点项目 (9511020102) 资助 ;中国地震局地质研究所论著 2001B0015 192 地 震 地 质 23 卷MM S - 03 E 仪器 该仪器具有 轻 便 灵 活 、 灵 敏 度 高 、 性 能 稳 定 可 靠 、 频 带 宽 ( 256 Hz - 4096 S) 等特点 ,并能记录原始的时间序列 ,便于对原始时间序列进行选择和再处理 ,提高数据的信 噪 比 及 各种资料的质量 。

在 长白山天池火山口及附 近 地 区 沿 5 条 伞 状 大 地 电 磁 测 深 测 线 ( N N E , N E , E , S 和 W 测线 ) 和 1 条北西向测线 ( EW 测 线 ) 进行了测量 ,共完成 46 个大地 电 磁 测 深 点 的 野 外 资 料 采 集 工 作 其中 ,N N E 测线 10 个测点 ,长约 30 km ; N E 测线 6 个测点 ,长约 25 km ; E 测线 6 个测 点 ,长 约 30 km ; S 测线 12 个 测 点 ,长 约 30 km ; W 测 线 6 个 测 点 ,长 约 12 km ; EW 测 线 6 个 测 点 ,长 约20 km 加上 “八 五 ”期间的 15 个测点 ,共计 61 个测点 图 1 为 测 点 分 布 位 置 图 ,图 中 测 点 编 号 尾数带 a 的测点是 “八五 ”期间的测点 由于长白山天池火山区大多为森林覆 盖 ,地 形 地 物 标 志 不十分明显 ,为保证测点的精确位置 ,所有测点位置均采用 GPS 卫星定位仪进行精确定位 3 数 据 处 理采用先进 的 具 Ro bust 分 析 功 能 的 大 地电 磁测 深 处 理 软 件 ( PROCM T ) , 对 观 测 数据 进 行 了 处 理 。

通 过 对 记 录 的 时 间 序 列 严 格 选图 , 剔 除 干 扰 , 以 得 到 较 高 可 信 度 的 资 料 对部 分 存 在 较 强 干 扰 的 测 点 进 行 了 反 复 处 理 所 有 测 点 的 资 料 均 进 行 了 阻 抗 张量 分解 , 以 消 除 浅 部 局 部 不 均 匀 体 的 影 响 经过 处 理 , 得 到 了 46 个 大 地 电 磁 测 深 点 野 外 资料的处理 结 果 ,即 每 个 测 点 得 到 了 包 含 视电阻率在内的多种处理参数 本 地区 除 在 长 白 公 路 附 近 有 几 个 小 型水 力发 电 站 外 , 似 乎 无 严 重 的 人 文 干 扰 , 但 是 从记录的时 间 序 列 上 看 ,电 场 有 很 强 的 方 波 信号和脉冲 信 号 ,电 阻 率 曲 线 和 相 位 曲 线 显 示出受到严 重 的 近 场 干 扰 ,如 不 进 行 选 图 并 剔除干扰 ,难 以 得 到 较 理 想 的 数 据 实 践 证 明 ,人工选图 是 一 种 消 除 干 扰 提 高 资 料 质量的有效方法 ,是资料处理中不可缺少的一步 。

图 1 长白山天池火山区大地电磁测深点位分布Fig. 1 Dist ributio n of M T sites at t he Tianchi volcano of t he Changbaishan area .采 用 Ro bust 方法 (江钊等 ,1993) 对所有观测资料进行了处理 , Ro bust 处理方 法 是 目 前 国 际公 认的最优方法之一 特别是在人文干扰相 对 较 大 的 地 区 ,通 过 增 加 资 料 的 记 录 长 度 ,使 其 满 足统计规律的标准 ,如果有足够多的记录 ,利用该方法可以得到较为可靠的处理结果 张量阻 抗 分 解 方 法 是 20 世 纪 90 年 代 发 展 起 来 的 一 种 新 技 术 ( 赵 国 泽 等 , 1996 ; Bahr ,1988 ,1991 ; Groo m et al . ,1989 ,1990) 当区域二维构造背景上存在局 部 异 常 体 ,且 异 常 体 尺 度 比电磁波趋肤深度小时 ,就会产生局部的电流畸变 ,使视电阻率曲线及相位曲线发生 严 重 扭 曲 为 了使资料更好地反映地下的区域二维异常 结 构 ,获 得 置 信 度 高 的 解 释 结 果 ,必 须 将 局 部 电 流畸变产生的影响从区域异常中 分 离 出 来 ,并 予 以 消 除 。

我 们 在 分 析 过 程 中 采 用 了 Bahr ( 1991)1932 期 汤吉等 :长白山天池火山区电性结构和岩浆系统的阻抗张量分解方法 图 2 为 N09 测点阻抗张量分解前后的视电阻率和阻抗相位曲线对比图 由图中 可 知 ,N09测 点在 1s 以后的视电阻率和相 位 曲 线 ,表 现 为 因 受 三 维 不 均 匀 体 的 影 响 而 使 两 个 方 向 的 曲 线 相互分离 ,并且曲线也较分散 ,经过分解后 ,视电阻率和阻抗相位曲线均有很大的改善 其 它 测 点也有类似的情况 图 2 N09 测点阻抗张量分解前后的视电阻率和阻抗相位曲线Fig. 2 Co mpariso n of resistivity and p hase curves before and af ter tensor deco mpositio n for statio n N09 .a ,b 为 分 解 前 的 视 电 阻 率 和 阻 抗 相 位 曲 线 ;c ,d 为 分 解 后 的 视 电 阻 率 和 阻 抗 相 位 曲 线4 资 料 分 析 及 定 性 解 释长 白山天池火山区地质构造及深部 结 构 的 研 究 ( 金 伯 禄 等 ,1994 ; 刘 若 新 等 ,1995 ; 汤 吉 等 ,1997) 、 由重力所反映的区域构造 (邢立新 ,1999) 和天然地震震中分布 (李继泰等 ,1995) 均 表 明 ,该区在区域上表现为北西 、 北北西向的二维构造特征 ,区域构造背景上存在着局部三维体 。

通 过对 61 个测点的介质维数判别和实 感 应 矢 量 分 析 ,得 到 了 长 白 山 天 池 火 山 区 地 下 电 性结 构 的 定 性 推 断 : 由 浅 到 深 ,分 别 在 长 白 山 天 池 、 温 泉 ( 聚 龙 泉 、 锦 江 ) 、 山 门 附 近 存 在 浅 部 低 阻体 ,长白山天池及其以东 、 以北存在壳内低阻体 4 . 1 地下介质的维数特征分析大 地电磁测深阻抗的二维偏离度 S ( skew ness) 是 反 映 地 下 介 质 电 性 结 构 维 数 特 征 的 参 数 由 S 的 取 值 范 围 可 以 判 别 地 下 介 质 的 维 数 特 征 ,对 于 一 维 和 理 想 二 维 构 造 , S = 0 一 般 情 况下 , S 值越小 ,说明地下介质越趋于二维 当 S 值小于 013～ 014 时 ,可 近 似 认 为 地 下 结 构 具 二 维特征 S 值大于 015 时 ,则可认为地下介质体是三维的 通 过 对 测 区 部 分 测 点 的 二 维 偏离度分析 ,多数 测 点 在 周 期 小 于 32s 时 显 示 为 二 维 特 征 ,而 少 数 测 点 如 E01 ,N01 ,N02 ,S01 ,WQ03 等 在 周 期 小 于 1s 的 高 频 部 分 具 二 维 特 性 ,大 于 1s 时 表 现 为 三 维 特 性 ,说 明 测 点 下 面 相 应 的 深 度 上 存 在 三 维 异 常 体 ,有 些 测 点 则 在 高 频 段 S 值 较 大 ,表 明 浅 部 存 在 三 维 异 常 体 。

图 3 为 部 分 测 点 的 二 维 偏 离 度 随 周 期 的 变 化 ,由 图 可 知 , S12 , S02 ,N08 , W03a 和N E04 测 点 浅 部 为 二 维 构 造 ,而 深 部 表 现 为 三 维 构 造 ;N02 在 浅 部 就 表 现 为 三 维 结 构 194 地 震 地 质 23 卷图 3 部分测点的二维偏离度Fig. 3 Typical skewness curve.4 . 2 感应矢量分析大 地电磁测深的磁场感应矢量是通过磁 场 传 输 函 数 得 到 的 ( 汤 吉 等 ,1999) ,其 最 大 优 点 之一。