长白山天池火山古锥体形貌重建

破火山口是火山发生大规模爆炸式喷发后遗留下的锅型地貌,恢复其原始锥体形貌对于理解火山发展演化和灾害过程具有重要意义。长白山天池火山是一座保存完整的大型破火山口,其原始锥体形貌和形成过程备受关注。文中借鉴国内外相关破火山口的锥体重建方法,在全球范围内寻找与天池火山形貌相似的大型火山,通过分析这些火山地形建立锥体形貌的三段式经验方程,结合长白山现今地貌恢复了长白山天池火山的古锥体形貌。天池火山古锥体最高可能约达4100m,火口顶部直径约390m,深度约为170m,锥体外缘上部陡峭,平均坡度角为27°,外缘下部坡度略缓,平均坡度角为18.5°。天池火山古锥体形貌的恢复为理解天池火山的发展演化历史、冰川地貌的形成和喷发成灾的过程提供了科学依据。

长白山天池火山含碳气体排放特征

查明火山气体释放的规模及空间分布特征,对火山监测与喷发预测、评估地质源温室气体释放及气候环境变化等具有重要意义。本文采用密闭气室法观测土壤气浓度,计算了长白山天池火山区CO_(2)和CH_(4)气体释放通量,结合高光谱气体CO和CO_(2)分析了火山区不同区域气体释放特征及影响因素。结果表明:(1)长白山天池火山区土壤CO_(2)通量范围为0.16~1051.39 g·m^(-2)·d^(-1);CH_4通量值范围为-0.05~4.68 g·m^(-2)·d^(-1)。长白山天池火山区气体释放在空间上呈环带状分布特征,火山口周缘气体释放较弱,在聚龙温泉群、锦江温泉群和锥体海拔1800~2200 m范围内气体释放最为强烈。(2)长白山天池火山含碳气体释放在地表和高光谱卫星观测的时间和空间上都有一定的相关性,火山口上方气体释放最弱。(3)长白山天池火山含碳气体排放的空间差异可能受到火山口特殊条件、断裂构造、温泉地热储和岩浆作用的控制。

长白山天池火山区岩浆系统深部结构的深地震测深研究

利用三维深地震测深技术 ,研究了长白山天池火山的岩浆系统 .结果表明 ,以低P波速度为主要特征的长白山天池火山岩浆系统在地壳范围内可分为 3个深度层次 :在 9～ 15km深度 ,岩浆系统分布的主要特征是范围广、尺度大、近南北走向 ,是地壳内储存岩浆的主要位置 ;自 15km深度以下直至下地壳 ,其分布横向尺度较小 ,显示出岩浆自上地幔侵入地壳的“痕迹” ,这也意味着长白山天池火山的岩浆系统极有可能延伸到上地幔 ,或更深 ;在地壳浅部 ,深度小于 8～ 9km范围内 ,岩浆的分布范围更小一些 ,集中在天池火山口稍偏北的南北方向上 .如果说低P波速度与岩浆系统关联的话 ,那么它反映出这部分岩浆仍然处于较高温度状态 .从这个意义上讲 ,长白山天池火山的岩浆系统至少不是“残留”的 ,或者说是处于“活动”

长白山天池火山晚更新世以来岩浆房系统的压力探讨

长白山天池火山是一座大型的复合式活火山,由于其曾剧烈的喷发活动(946~947AD)和2002-2006年的扰动事件而备受瞩目。自晚更新世以来,天池火山有过多次剧烈的爆炸式喷发活动,其岩浆主要为高分异的碱流质与粗面质岩浆,SiO_(2)>65%。地球物理探测表明天池火山地下在浅部地壳存在岩浆房,但却未能对历史喷发活动的岩浆系统进行约束。本文利用晚更新世以来喷发物的电子探针数据,运用Qz-Ab-Or系统投图、单斜辉石机器学习压力计以及rhyolite-MELTS压力计对各期喷发的岩浆驻存压力条件进行计算,认为天文峰期(TWF)碱流岩压力约246~444MPa、气象站期(QXZ)碱流岩压力约184~344MPa、千年大喷发(ME-I)碱流岩压力约162~314MPa,千年大喷发(ME-II)粗面岩压力约438~540MPa。通过压力与深度换算后发现上述喷发岩浆贮存位置均对应中上地壳深度的岩浆房,并且三期碱流岩压力随喷发时间逐渐降低,暗示天池碱流质岩浆房在万年尺度内逐渐向浅部地壳演化的趋势;而粗面质岩浆可能来自另一个更深的岩浆房。该发现将有助于提高对天池火山岩浆房系统演化的认识,并为火山监测数据解释和灾害预警等工作提供依据。

长白山天池火山地热系统——岩浆囊与隐伏高温地热资源

长白山天池火山是晚新生代中心喷发式复合型层状火山,全新世以来发生过多次大规模喷发,与深部岩浆热扰动活动相关的构造地震、地表形变、温泉气体组份等均显示该火山仍可能再次喷发,是我国东部潜在的高温地热资源区。长白山天池火山周边地下水十分丰富,具有形成高温水热活动的岩浆囊热源。为探索地壳浅层隐伏的高温地热资源,本文在野外考察基础上,利用地热学方法,计算了该区地层结构与热状态,分析了地表下的火山地热系统。结果表明:长白山天池火山区地下2 km深处的温度在66—110℃之间,12 km深处的温度在313—417℃之间;该区居里面深度较浅,平均深度为12.7 km,居里点温度为375℃,其中长白山天池火山喷发中心和望天鹅火山喷发中心为居里面上隆区;在人工地震基底速度约束下,通过沉积地层重力反演发现,在约3.5—5.5 km深度处存在密度梯级高压带,该高压带与12 km深度处的岩浆囊之间的区域是形成隐伏高温地热资源的有利区域。

长白山天池火山粗面玄武岩的喷发历史与演化

本文新提出的年代学和岩石化学结果,进一步从天池火山与区域火山活动的关系,论述了天池火山造盾、造锥历史和岩浆结晶分异转型的时间约束,早更新世早期(2Ma前)开始粗面玄武岩的造盾,早更新世晚期(约1Ma)粗面玄武岩向粗安岩、粗面岩演化,中更新世是粗面岩造锥的主阶段,到了晚更新世(约0．1Ma)粗面岩向碱流岩演化。在中—晚更新世来自地壳岩浆房的粗面岩、碱流岩造锥过程中,来自地幔的粗面玄武岩浆喷发活动始终没有间断过。由于来自地幔粗面玄武质岩浆持续向地壳岩浆房补给,所以天池火山是一座长寿命的火山。岩浆的结晶分异作用和混合作用是天池火山岩浆演化的两个最重要过程,前者形成天池火山双峰式火山岩分布特征,后者成为天池火山喷发的触发机制。天池火山在晚更新世—全新世碱流质岩浆主喷发期兼有少量玄武质粗安岩、粗安岩或粗面质岩浆的交替喷出,揭示了天池火山的地壳岩浆房熔体的分层结构特点,由于来自地幔粗面玄武质岩浆注入地壳岩浆房,导致不同层位岩浆的扰动和混合作用,触发天池火山的喷发。

2002年夏季长白山天池火山区的地震活动研究

20 0 2年6月以来,长白山天池火山区的地震活动明显增加.本文利用2 0 0 2年夏季布设在长白山天池火山区15套宽频带流动地震台站的记录资料,对天池火山区的地震活动进行了研究.地震观测结果表明,2 0 0 2年夏季长白山天池火山日平均地震发生频次超过30次.地震主要位于长白山天池西南部和东北部两个区域,震源深度较浅,离地表的深度一般小于5km .天池西南部和东北部的地震,b值存在较大的差异.火山区地震记录的频谱分析和时频分析结果表明,这些地震主要为火山构造型地震.HSZ和DZD等台站地震记录中丰富的低频成分,可能与台站附近的局部介质或断层带有关.我们认为2 0 0 2年夏季频繁发生的地震和小震震群活动是由火山深部活动诱发的局部断裂活动引起.

长白山天池火山近期形变场演化过程分析

对长白山天池火山区2002～2005年的4期水准测量数据、2000～2005年6期GPS测量数据以及1999年以来的定点地倾斜观测数据进行了系统处理分析，结果表明：（1）2000年9月～2002年6月期间，长白山天池火山地表变形很小，基本上处于较为稳定的状态．1993～1998年的lnSAR观测资料也未发现明显的地表变形；（2）2002～2003年，长白山天池火山出现了明显的地表形变异常变化，其水平形变表现为以天池火山口为中心的放射状膨胀运动，垂直形变则表现为近火山口的快速隆起，显示天池火山下部可能有岩浆压力增大变化；（3）长白山天池火山2003年以来的形变速率有逐年迅速衰减的变化特征，其最大水平运动速率已由2002～2003年期间的38．3mm／a衰减到2004～2005年的15．8mm／a，最大垂直形变速率则由2002～2003年的46．0mm／a衰减到2004～2005年的5．0mm／a．

D-InSAR技术在长白山天池火山形变监测中的误差分析与应用

选取长白山天池火山区15景JERS-1 L波段SAR存档数据,利用二轨法进行SAR差分干涉处理.最终用4景JERS-1数据获取了覆盖相似时间段的3幅D-InSAR形变图,提取了研究区1994～1998年的地表形变场.研究表明:远离天池火山的平坦区域形变微弱;从天池火山的山脚向上到2000～2200 m高程处,表现为逐渐增强的隆升形变,最高形变速率达到LOS(视线向)5 mm/a.尽管没有同期地面实测资料验证,但研究结论与2002～2005年的一等水准测量结果及地震活动性具有定性的一致性;与Kim的同期InSAR研究具有定量的可比性.在时间上向前延伸了对长白山天池火山的形变监测时段,为研究长白山天池火山活动状态提供了更多的形变信息.

长白山天池火山区三维地壳结构层析成像

利用长白山天池火山区三维空间深地震测深观测系统所采集的反射P波走时资料 ,采用层析成像技术 ,重建了该区地壳界面构造形态和速度分布图像 .界面成像结果表明 :研究区地壳界面总体上显示了由北西向东南加深的趋势 ;马鞍山—三道白河断裂和富尔河—红旗河断裂是本区两条主要的深部构造 ,尤其是马鞍山—三道白河断裂 ,北北东向穿越天池火山口 ,其两侧的地壳界面存在明显的错断 ,预示了该处地壳厚度陡变带或深大断裂带的存在 .速度成像结果显示在 10km深度 ,明显的P波低速异常分布在天池周围 ;15km深度上它表现为一个近南北向的P波低速异常条带 ,其延展尺度南北向为 80～ 90km ,东西向 30～ 4 0km ;随着深度的增加 ,P波低速异常分布在天池西侧 ,其尺度有明显的缩小 ,分布范围更加集中 ,而且低速扰动幅度更大 .这种P波速度异常的变化图像在一定程度上反映了天池火山口下方壳内岩浆系统的空间分布状况 .

用地震走时反演计算长白山天池火山区二维地壳泊松比

尝试应用一种同时获得地壳二维速度结构和界面形态的地震走时反演算法,通过分别反演P波和S波速度结构,计算深地震测深剖面的泊松比分布的方法,并对长白山天池火山区测深剖面(L1)进行处理解释.计算表明,该方法克服了传统基于正演计算方法的诸多缺陷,是计算测深剖面泊松比分布的行之有效的方法,特别是在对火山岩浆系统及地壳断裂带研究中具有重要意义.研究结果显示,天池火山口下的地壳低速体内有一宽约30km、高约12km的高泊松比异常区,其泊松比值高于周围介质8%左右,应为高温熔融岩石介质,即岩浆囊.在其上方直至上地壳顶部有一高泊松比条带,代表了热物质上移的通道.在其下部高泊松比区域,局部深达莫霍面形成了地幔热物质底侵的可能通道.三维台阵观测的层析成像和大地电磁测深研究结果均与上述结论相印证.

长白山天池火山岩浆演化——来自主矿物成分的证据

长白山天池火山岩的主要矿物成分为橄榄石、辉石、长石和铁钛氧化物,经电子探针测试,其成分变化特征明显,自造盾阶段→造锥阶段→全新世喷发,橄榄石中铁含量增加,一直达到铁橄榄石的端元组分;单斜辉石中铁质和钠质含量增加;长石则从基性的拉长石向含钾、钠渐高的歪长石和透长石演化;铁钛氯化物含量则明显减少。三阶段斑晶矿物成分的变化反映了天池火山近200万年来岩浆演化的完整系列,符合分离结晶作用的演化趋势。

长白山天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积的粒度特征与地质意义

火山碎屑流堆积因其巨大的危害性而成为火山学研究的重要课题之一。文中对长白山区天池火山千年大喷发火山碎屑流堆积进行了粒度分析。分析结果表明,火山碎屑流堆积分选差,伴生的灰云浪堆积分选性好。火山碎屑流堆积中的岩屑和浮岩的平均最大粒度随着离开火山口距离的加大而减小,反映火山碎屑流搬运过程中存在重力分选和机械磨损作用。火山碎屑流在搬运过程中发生了流体化作用,离开火山口越远流体化速度越小,反映火山碎屑流在搬运过程中发生了流体化去气作用,这种作用使火山碎屑流的粘度和屈服强度增加而导致沉积。流体化速度是控制搬运距离的因素之一,远源多渠道火山碎屑流的汇合使流体化速度增大,搬运距离更远,造成的灾害范围也增大。

长白山天池火山双岩浆房岩浆作用与互动式喷发

广义的长白山火山在我国境内包括天池火山、望天鹅火山、图们江火山和龙岗火山,是我国最大的第四纪火山岩分布区。长白山各个火山区的火山活动具有此起彼伏的穿时性特征,天池火山之下地壳和地幔两个岩浆房具有上下呼应、互动式喷发之特点。一方面来自地幔的钾质粗面玄武岩浆直接喷出地表,在天池火山锥体内外形成诸多小火山渣锥;另一方面钾质粗面玄武岩浆持续补给地壳岩浆房,发生岩浆分离结晶作用和混合作用,形成双峰式火山岩特征并触发千年大喷发。西太平洋板块俯冲-东北亚大陆弧后引张是长白山天池火山喷发的动力学机制。

Mogi模型在长白山天池火山区的应用

文中首先介绍了Mogi模型的阻尼最小二乘反演,得出应用形变资料联合反演压力源参数的公式,再指出用等效源半径反演时不同初始值对反演结果的影响,说明选择合适的初始值可以方便地得到可靠的反演结果。然后用此方法反演长白山天池火山区压力源的大小和位置参数。采用垂直和水平位移的联合反演,数据为2002—2005年共4期的水准和GPS观测资料,最后结合其它观测资料,分析近年来岩浆可能的活动特征。结果显示岩浆的位置在发生变化,体积增量逐年减小,表明火山岩浆在2002—2005年的活动逐年减弱。

长白山天池火山——多成因中央式火山

长白山天池火山属新生代多成因中央式火山,也是我国最大的一座具潜在危险的活火山。火山主体由早期玄武岩盾、中期粗面岩锥和晚期伊格尼姆岩席组成。天池火山布里尼喷发柱高度最高达25km,柱体最大宽度为半径12～13km。天池破火山口塌陷过程可以分为四期,分别位于造锥喷发阶段和造伊格尼姆岩喷发阶段。本文对天池火山未来可能的火山灾害类型及范围也作了初步预测。

长白山天池火山千年大喷发不同颜色浮岩的岩石化学特征

长白山天池火山大约 1 000年前的大喷发,形成了巨厚的火山碎屑流堆积层,其主要组成是浮岩与火山灰。以往的研究普遍认为其中的浮岩为灰白色,属流纹质。笔者在考察中发现了不少黑色及少量其它颜色的浮岩,系统地采集了各色样品作浮岩化学成分分析,结果表明,灰白色浮岩与黑色浮岩分别为流纹质和粗面质,灰色浮岩属于粗面质但靠近流纹质端元。它们都来源于地壳岩浆房,是岩浆房内不同分异演化阶段的产物,它们同时喷出说明岩浆房内具有分带性及不同性质岩浆的混合。

长白山天池火山区形变监测及火山活动状态分析

依据长白山天池火山区2002～2005年连续4期水准资料和GPS观测资料,分析了近年该地区的岩浆活动特征。结果显示:2002～2003年火山区垂直和水平形变变化明显,火山区GPS点位的活动性与绥阳基准站(距P00约350km)的差异性运动较大,火山区域性运动特征显著,表明在此期间火山区形变变化主要受岩浆活动的影响;2003年后水平和垂直形变变化速率逐渐减小,特别是2004～2005年,火山区GPS点位活动与绥阳点位的差异性运动变小,说明火山岩浆活动在逐渐减弱。

熔体包裹体对长白山天池火山千年大喷发的指示意义

长白山天池火山在全新世曾有过几次喷发,其中距今约1000年发生过大规模布里尼式爆炸喷发(即"千年大喷发"),其喷发产物——灰白色碱流质浮岩和喷发柱垮塌形成的火山碎屑流分布范围极广,除长白山区外,在朝鲜半岛和日本北部也有大量浮岩降落和堆积。根据野外较大范围的系统采样、镜下观察和测试分析,在天池火山千年大喷发产物的碱性长石晶屑中发现了两组颜色、形态、化学成分迥异的"火口组"和"圆池组"熔体包裹体,对揭示天池火山千年大喷发的成因具有重要意义。根据电子探针分析结果,"火口组"熔体包裹体成分为英安岩和粗面英安岩,寄主晶多为透长石;"圆池组"熔体包裹体成分为粗面英安岩和流纹岩,寄主晶为歪长石。相对"火口组"熔体包裹体,"圆池组"包裹体具有高 SiO_2、高 H_2O 和高 Cl含量的特点,化学成分也更为演化,可能是天池火山千年大喷发时岩浆结晶分异后期的产物。两组包裹体的存在为千年大喷发前的层状地壳岩浆房和成分并非单一提供了证据,它们可能是在同次大喷发的不同序列中喷出的。由于地幔岩浆注入地壳岩浆房,导致不同层位岩浆的扰动和混合作用,因挥发分出溶在岩浆房最顶部形成挥发分梯度和过饱和,最终触发了天池火山的千年大喷发,对当时的气候环境造成过较大影响。

长白山天池火山全新世浮岩显微结构特征及其火山学意义

对长白山天池火山全新世3期爆炸式喷发(5 000 a前、千年大喷发和晚期喷发)产生的浮岩进行了详细的成分和结构定量研究。研究发现:5 000 a前和千年大喷发的浮岩均为碱流岩,后者略偏酸性,晚期喷发的黑色浮岩为高钾粗面岩。3期浮岩均由不同大小的气孔、气孔壁及少量的斑晶(<15%)组成。5 000 a前喷发的黄色浮岩气孔比较细密,最小气孔约为1μm,气孔数量最多,为4.23×1016个/m3。5 000 a前喷发的灰色浮岩和千年大喷发的灰白色浮岩气孔大小和数量比较接近,最小气孔几个μm,数量密度为(1.76～3.25)×1015个/m3。晚期喷发的黑色浮岩气孔较大,一般大于10μm,最大达厘米级,数量减少(3.68×1014个/m3),气孔壁增厚。最后根据浮岩成分和气孔数量密度获得3期喷发时的解压速率、喷发柱高度和岩浆溢出率等参数。