俯冲带强震作用下长白山天池火山区的波速变化研究

The observations of seismicity, ground deformation, and volcanic gas geochemistry indicate a magmatic unrest of the Tianchi volcano, Changbai Mountain between 2002 and 2005. The unrest is considered to be caused by the June 29, 2002 Wangqing Mw7.3 deep earthquake, since it immediately follows the deep earthquake. The March 11, 2011 Mw9.0 Tohoku, Japan earthquake also have a significant impact on stress and strain fields in the area, however, it did not result in significant enhancement of volcanic seismic activity as Wangqing deep earthquake. The key to learn the effects of the two strong subduction-zone earthquakes on Tianchi volcano is the quantitative measurement of the changes of crustal medium. Thus, this proposal is intended to obtain the seismic velocity changes using seismic ambient noise correlations since 1999, when the Tianchi volcano observatory began operation, especially the amplitude, temporal-spatial distribution of the velocity changes after the two strong earthquakes. We will also supplement volcanic catalog events by detecting additional small events using waveform template scanning in continuous data and relocate these events. Then we will try to build the relationships between the temporal-spatial distribution of velocity changes after the two subdution-zone earthquakes and the observations of seismicity, ground deformation, and volcanic gas geochemistry. This work will deepen our understanding of the mechanism of magmatic unrest between 2002 and 2005, provide critical observational evidence for the earthquake-volcano interactions and have instruction meanings to the monitoring and forecasting of eruption of Tianchi volcano.

地震、形变和流体观测表明2002-05年长白山天池火山区发生一次岩浆扰动事件，因其紧随2002年6月29日汪清Mw7.3级深震发生，许多学者认为此次深震导致了岩浆扰动；2011年3月11日日本Mw9.0级大地震对该区应力应变场也有重大影响，但未引起如汪清深震后那样显著的火山地震活动增强。考察这两次俯冲带强震对天池火山影响的关键是连续检测火山区地壳介质的时间变化并探讨其与俯冲带强震发生的关系。因此，本申请拟通过近年迅速发展的噪声互相关方法获得1999年火山监测站运行以来的介质波速变化情况，重点研究上述强震前后火山区波速变化的幅度及时空分布，还将通过模板识别方法检测更多火山台网地震目录以外的微震并进行定位，最后讨论强震作用下火山区波速变化与地震、形变和流体观测结果的关系。本研究将深化对2002-05年岩浆扰动机理的认识，为地震-火山作用提供关键观测证据，对火山活动的监测预报也具有重要指导意义。

本项目收集了2000-2016年长白山天池火山区及周边固定和流动台网20余个台站的连续波形数据，利用双台背景噪声互相关和单台交叉分量相关法研究了天池火山区下方的波速变化。研究中采用了基于S变换的时频域相位叠加方法，大大加速了噪声经验格林函数的收敛过程，使以往噪声互相关监测研究数十天的时间分辨率提高至数天。我们在多个周期范围下测量了天池火山区及周边的地震波速度随时间变化趋势，发现大多数周期的波速变化都显示出一定的季节性变化特征，而在1-2s周期范围（反映地下1-3km深度）观测到从2002年6月10日起产生了急剧的波速降低，波速降低幅度超过0.5%。之后，火山地震活动逐步增强。该结果说明在岩浆扰动之前存在“前兆性”的波速变化现象，这一结果对于研究岩浆扰动和火山喷发预报都有重要科学价值。另外，由于波速降低发生的时间（包括岩浆扰动的起始时间）早于汪清7.3级深震的时间（2002年6月29日），据此可以推翻以往地震学家认为这次岩浆扰动事件是由汪清深震引起的结论。基于单台噪声交叉分量相关方法我们还观测到2011年3月11日日本Mw9.0级大地震后1-2s周期周期范围波速出现较大幅度降低，但波速降低持续仅持续了数月时间。虽然火山监测台网给出的地震目录显示日本大地震对火山地震活动几乎没有影响，但我们的结果表明大地震可能造成天池火山下方的岩浆囊产生一定的动态变化，这与地表GPS观测结果有很好的吻合性。本研究中与岩浆扰动和俯冲带强震相关的地震波速变化的结果，对于对火山活动的监测预报具有重要科学意义，同时我们认为对长白山火山进行更高密度更高质量的监测具有重要性和紧迫性。