长白山火山密集台阵观测与地壳结构精细结构成像

The Changbai intraplate volcano in NE China has potential danger of eruption, and the last eruption is about 300 years ago (in BC 1702). Volcanic eruptions can be predicted, which requires joint constrains from multidisciplinary high-precision and high-resolution research works. The fine structure characteristics of the crust in the volcanic area (seismic velocity and depth variations of velocity discontinuities) is an important way to analyze the formation and evolution of volcanoes, especially the position and scale of partial melting, and the structural characteristics beneath the partial melting are all ones of the important criteria for studying the evolution of volcanoes and early warning of disasters. This study aims to complete the observation of short period dense array in Changbai volcano with the interval of about less than 300 m between the stations and the observation period of 1 month in order to collect teleseismic and ambient noise data. We plan to use joint inversions of surface-wave dispersion and receiver function, and ambient noise tomography and receiver function to obtain the fine S-wave velocity in the shallow crust and characteristics of interface depth variation under Changbai volcano, and combine the results from P wave velocity tomography, geology and geochemistry to disuses the disaster mechanism of Changbai volcano, providing important information for the further research of the prediction of volcanic disasters. Finally, we will synthesize GPS deformation and leveling data to evaluate the risk of volcanic hazards.

中国东北的长白山火山是一座具有潜在喷发危险的火山，最后一次喷发距今仅300余年。火山喷发是可以预报的，这需要多学科的更高精度、高分辨率研究成果进行共同约束。火山区的地壳精细结构特征（地震波速度、速度间断面起伏变化）是分析火山形成和演化过程的重要途径，特别是熔融和部分熔融体的存在部位和规模以及熔融体下方的构造特征是研究火山演化、火山灾害预警的重要判据之一。本研究拟对长白山火山进行短周期密集台阵观测，布设的台间距小于300m，观测周期为1个月，收集远震与背景噪声数据。采用接收函数与背景噪声成像方法、面波频散与接收函数联合成像方法获得长白山火山区地壳精细S波速度、界面起伏变化特征，用以探测壳内岩浆房位置和规模。结合P波速度层析成像、地质学、地球化学研究成果来探讨长白山火山成因机制，为火山灾害预测的深入研究提供重要的地球物理约束。最后，综合GPS变形和水准测量等资料对火山灾害的危险性进行评价。

中国东北的长白山火山是一座具有潜在喷发危险的火山，最后一次喷发距今仅300余年。火山喷发是可以预报的，火山区的地壳精细结构特征（地震波速度、速度间断面起伏变化）是分析火山形成和演化过程的重要途径，特别是熔融体（或部分熔融体）的空间位置、展布规模以及熔融体下方的构造特征是研究火山演化、火山预警的重要判据之一。针对上述研究内容和目标，项目组于2020年7月26日至8月30日在长白火山区共布设短周期地震仪361台。两个地震仪之间的最小距离为0.2km，最大距离为约80km。密集台阵基本覆盖了长白火山的火山锥，天池位于阵列中心。经过严格数据质量监控和筛选，获得了30天的连续三分量波形数据。.利用短周期密集台阵数据，采用体波层析成像和面波成像方法，获得了长白山火山下方中地壳以上浅层区域高分辨率P波和S波速度结构，结合地震活动性特征详细刻画了火山下方浅层岩浆系统。研究表明长白山下方中上地壳存在连通的两级岩浆房，分布于约3km和7-15km深度。估计两个低速异常的大小约为120和150立方公里，规模较大。估算浅层岩浆房的熔体分数约为15-26%，未达到40%，表明现今岩浆房以晶粥形式存在，结合火山地震活动特征推测其处于生长阶段。.利用该区域宽频流动台阵和国家地震局固定台站数据，采用接收函数与背景噪声联合成像方法、背景噪声频散和地震面波频散联合成像方法对长白山火山下方岩石圈结构进行了详细的研究，成像结果验证了长白山火山在中地壳（8-15km）存在岩浆房；天池火山口下方Moho面较周边区域深5-10km，并且在地壳上地幔交界处有明显的低速异常，推断为幔源岩浆上涌通道。长白山、镜泊湖和龙岗三个板内火山下方的低Vs区在上地幔中存在相互连接的现象，这表明三座火山形成与大地幔楔中西太平洋板块的深俯冲脱水和对流循环密切相关。镜泊湖和龙岗火山在速度结构上的差异，从地球物理角度印证了长白山火山属于复合型火山，而镜泊湖和龙岗火山为单成因火山，这对理解不同类型板内火山形成机制具有重要的科学意义。