胡亞軒 趙凌強(qiáng) 宋尚武 莊文泉

1 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安市西影路316號(hào)，710054

中國(guó)東北地塊現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)主要受西太平洋板塊俯沖及日本東北地震的影響。太平洋板塊自北向南以不同的速度俯沖至歐亞板塊/北美板塊和菲律賓板塊之下，其中向歐亞板塊俯沖的速度約為80～90 mm/a，從東至西依次經(jīng)過日本島弧東部海域-日本列島-日本海-長(zhǎng)白山-松遼盆地，以一個(gè)復(fù)雜的海溝-島弧-弧后系統(tǒng)作用于中國(guó)大陸東部[1]。自晚中生代以來(lái)，由于太平洋板塊西向俯沖作用，中國(guó)東北地區(qū)巖石圈經(jīng)歷多期擠壓和拉張演化過程，期間發(fā)生不同時(shí)期的地震及火山活動(dòng)，引起構(gòu)造變形，形成一系列裂谷帶、盆地、火山帶等[2]。日本列島受太平洋板塊、北美板塊、歐亞大陸板塊以及菲律賓板塊相互作用影響，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震、火山等自然災(zāi)害頻發(fā)。太平洋板塊向北西方向俯沖至日本島之下，引發(fā)日本海溝多次7級(jí)及以上板內(nèi)地震。2011-03-11日本本州東海岸發(fā)生MW9.0地震(3·11大震)，日本近海溝處最大同震滑移量超過50 m[3]。中國(guó)大陸東北和華北地區(qū)觀測(cè)站觀測(cè)到的同震水平位移為cm級(jí)，張性應(yīng)變相對(duì)較明顯，最大處約為40 nanostrain[4]。

中國(guó)東北地區(qū)發(fā)育眾多第四紀(jì)陸內(nèi)火山，廣義的長(zhǎng)白山火山在中國(guó)境內(nèi)包括天池火山、望天鵝火山、圖們江火山和龍崗火山。根據(jù)長(zhǎng)白山天池火山噴發(fā)的旋回性和周期性規(guī)律以及長(zhǎng)期的火山地震、溫泉和形變監(jiān)測(cè)結(jié)果可知[5]，長(zhǎng)白山天池火山未來(lái)具有再次發(fā)生大規(guī)模爆炸式噴發(fā)的危險(xiǎn)性。與長(zhǎng)白山天池火山毗鄰的龍崗火山群，具有高密度分布、多中心爆炸式噴發(fā)特征[6]，噴發(fā)活動(dòng)從早更新世持續(xù)到全新世，具有多旋回、多期次和多階段噴發(fā)特點(diǎn)。其中，火山群西北部的金龍頂子火山為最年輕的近代活動(dòng)火山，在距今約1 600 a發(fā)生過噴發(fā)，因此也具有潛在的噴發(fā)危險(xiǎn)[7]。

本文基于日本GNSS地球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GEONET)資料和中國(guó)東北地區(qū)GNSS及水準(zhǔn)觀測(cè)資料，綜合分析區(qū)域三維地殼運(yùn)動(dòng)特征以及3·11大震前后水平速度場(chǎng)變化，探討太平洋板塊俯沖及殼幔對(duì)流對(duì)長(zhǎng)白山火山區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)及火山活動(dòng)的影響。

1 日本東北地區(qū)水平運(yùn)動(dòng)特征

日本GNSS連續(xù)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)始建于1993年，至1999年已建成由1 000余個(gè)連續(xù)觀測(cè)站組成的GEONET網(wǎng)，平均點(diǎn)間距約為20 km(圖1)，密集的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)可為認(rèn)識(shí)大地震變形的動(dòng)力學(xué)機(jī)理和區(qū)域介質(zhì)性質(zhì)提供良好的觀測(cè)依據(jù)。選取GEONET網(wǎng)中分布在日本東北地區(qū)、距震中不同距離的部分觀測(cè)站進(jìn)行位移分量時(shí)間序列分析，研究數(shù)據(jù)來(lái)自內(nèi)華達(dá)大學(xué)大地測(cè)量實(shí)驗(yàn)室。

圖1 主要研究區(qū)域及GNSS觀測(cè)站分布

日本東北地區(qū)的奧羽山脈地區(qū)(東北地區(qū)中央山脈)是運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈的區(qū)域，在太平洋板塊近東西向推擠下，山脈地區(qū)向南北兩個(gè)方向擠出，奧羽山脈地殼隆升和火山活動(dòng)會(huì)釋放部分能量。對(duì)日本東北地區(qū)GNSS觀測(cè)站位移時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，總體來(lái)看，奧羽山脈為地殼變形的主要分界帶[8]。從2014～2019年水平位移得到的面膨脹率可以看出，受太平洋板塊NWW向俯沖擠壓作用影響，現(xiàn)今主壓應(yīng)變?nèi)砸越鼥|西向壓縮為主(圖2)，范圍為距震中500 km區(qū)域，也是大震94%能量的釋放區(qū)域[9]。2009年至2011年3·11大震前，西部海岸至分界帶區(qū)域GEONET連續(xù)觀測(cè)站主要為東向運(yùn)動(dòng)。以西部觀測(cè)站J252、J232、J194、J192為例(圖3)，大震前主要為東向運(yùn)動(dòng)，推測(cè)在上新世已停止擴(kuò)張作用的日本海以沿其東緣西向俯沖和擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)為主。日本海具有較高的熱流和海底擴(kuò)張?zhí)卣?，日本海盆東側(cè)多發(fā)地震，表明日本海在繼續(xù)擴(kuò)展。中部觀測(cè)站水平變形較小，圖3中J931、J917觀測(cè)站運(yùn)動(dòng)速度變化較小。分界帶至東部海岸區(qū)域觀測(cè)站則以西向運(yùn)動(dòng)為主，從圖3中J172、MIZU、J550觀測(cè)站可以看出，西向位移量均大于20 mm，西向運(yùn)動(dòng)也是日本東部地區(qū)的優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)方向，基本上與太平洋板塊的俯沖方向一致。3·11大震發(fā)生后，J550測(cè)站東向同震位移達(dá)5.4 m(圖4)。大震后日本北部地區(qū)發(fā)生明顯的東向位移，從距離震中最近的J550測(cè)站到最西部的J252測(cè)站均可以看出震后的指數(shù)衰減。3·11大震影響范圍廣，震后影響隨時(shí)間推移而逐漸衰減，地震造成的粘彈性松弛在未來(lái)50～100 a尺度上對(duì)中國(guó)東北地區(qū)具有拉張效應(yīng)，但相對(duì)日本海擴(kuò)展作用的時(shí)間影響范圍仍為很小尺度。

圖2 面膨脹率場(chǎng)

圖3 3·11地震前GNSS連續(xù)觀測(cè)站位移E分量時(shí)間序列

圖4 3·11地震后GNSS連續(xù)觀測(cè)站位移E分量時(shí)間序列

2 長(zhǎng)白山火山區(qū)三維運(yùn)動(dòng)特征

2.1 水平運(yùn)動(dòng)特征

日本東北部海溝地震頻發(fā)是中國(guó)東北區(qū)域應(yīng)力變化調(diào)整的原因之一。日本海溝發(fā)生地震后，日本島、日本海以及中國(guó)東北地區(qū)地殼及地幔會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)活動(dòng)。大地測(cè)量觀測(cè)資料主要是反映地殼運(yùn)動(dòng)特征，在一定條件下也可反映地幔頂部的水平流動(dòng)。日本3·11大震在中國(guó)105°E以東區(qū)域產(chǎn)生同震變形，震后變形是震后余滑和粘滯性松弛等作用的綜合反映，地震造成的粘彈性松弛對(duì)中國(guó)東北地區(qū)會(huì)產(chǎn)生拉張效應(yīng)。對(duì)東北地區(qū)2011～2019年GNSS觀測(cè)資料進(jìn)行解算，結(jié)果表明，相對(duì)于歐亞板塊，水平運(yùn)動(dòng)以東南向?yàn)橹?，說明受海溝-島弧-弧后體系拉張作用影響，大陸具有向大洋方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，速率在10 mm/a以內(nèi)(圖5)，點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)速率較大。3·11大震引起GNSS連續(xù)觀測(cè)站JLCB的同震位移近30 mm(圖6)。從CHUN、SUIY測(cè)站斜率變化可知，大震后各測(cè)站東向運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)增大。從圖5和圖6可以看出，敦化-密山斷裂以東測(cè)站的運(yùn)動(dòng)速率較大，這也是拉張量較大的原因。JLCB、JLYJ測(cè)站的速度略大于CHUN、SUIY測(cè)站，且仍大于各點(diǎn)震前的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)速度，表明日本大震對(duì)中國(guó)東北地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的影響仍在持續(xù)。

藍(lán)色表示2011～2019年同震位移；紅色表示3·11大震同震位移[4]

圖6 GNSS連續(xù)觀測(cè)站位移E分量時(shí)間序列

2.2 垂直運(yùn)動(dòng)特征

中國(guó)東北地區(qū)在新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，伊舒地塹和敦密地塹在新生代沉降達(dá)數(shù)千米，同時(shí)在部分地區(qū)還發(fā)育褶皺構(gòu)造和大量斷裂。1951～1982年一等水準(zhǔn)資料表明，吉林-通化地區(qū)上升速率較大[10]。1970年代至1990年代多期水準(zhǔn)資料表明，東北地區(qū)火山區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)明顯，龍崗火山區(qū)表現(xiàn)為相對(duì)上升運(yùn)動(dòng)。收集1980年代至2010年代一、二等水準(zhǔn)路線觀測(cè)資料，選用GNSS連續(xù)站垂直速率作為先驗(yàn)值，通過與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，獲取統(tǒng)一框架下的垂直形變場(chǎng)(圖7)。結(jié)果表明，龍崗火山區(qū)垂直速率為-0.39～2.16 mm/a，火山區(qū)東部渾江-撫松一帶隆升速率較大。撫松地區(qū)是渾江斷裂在北部的延伸，也是地震多發(fā)地區(qū)，仙人橋溫泉群是長(zhǎng)白山火山區(qū)地?zé)嶂饕植紖^(qū)域。

圖7 中國(guó)東北地區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)及龍崗火山區(qū)MT測(cè)點(diǎn)分布

3 長(zhǎng)白山火山區(qū)動(dòng)力學(xué)環(huán)境分析

3.1 太平洋板塊俯沖與長(zhǎng)白山火山區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)

西太平洋俯沖帶以在日本海溝俯沖為主，其以高速度、小傾角向歐亞大陸強(qiáng)烈俯沖推擠，熱物質(zhì)上涌、地幔對(duì)流以及巖石層底部拖曳等多種驅(qū)動(dòng)力共同決定著整個(gè)中國(guó)東北地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及地表運(yùn)動(dòng)格局，對(duì)斷裂帶運(yùn)動(dòng)及鄰區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有重要影響[11]，板塊的西向俯沖在日本海及中國(guó)東北地區(qū)形成NWW向主壓應(yīng)力。地震震源深度從日本島向西逐步加深，并延伸至最西端約1 100 km外的中國(guó)東北大陸之下，在吉林琿春一帶發(fā)生中國(guó)唯一的中深源地震。中國(guó)東北深震帶上的深源地震還時(shí)有發(fā)生，說明西太平洋板塊仍在向中國(guó)東北大陸俯沖，俯沖方向、速度和角度隨時(shí)間而發(fā)生變化?，F(xiàn)今板塊的運(yùn)動(dòng)方向決定著區(qū)域應(yīng)力變化及地震時(shí)空分布特征。受3·11大震震后應(yīng)力調(diào)整影響，現(xiàn)今中國(guó)東北地區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)以粘滯性松弛效應(yīng)影響為主，YYF和DMF兩條斷裂以拉張為主，走滑分量較小，DMF以東觀測(cè)站的水平運(yùn)動(dòng)速度明顯大于西側(cè)站點(diǎn)。

日本海-中國(guó)東北深震區(qū)前緣地震帶是歐亞板塊與西太平洋板塊之間部分區(qū)段的深部分界，日本海的擴(kuò)張作用可能在上新世后已停止并轉(zhuǎn)為沿其東緣發(fā)生俯沖作用或日本海與日本本島的聚合作用，日本海淺震的發(fā)生以及現(xiàn)今GNSS觀測(cè)結(jié)果表明兩者可能仍在發(fā)生作用。歐亞板塊與太平洋板塊碰撞主要出現(xiàn)在日本東北地區(qū)西側(cè)，太平洋板塊俯沖作用影響范圍主要為從海岸到陸地200 km范圍內(nèi)。板塊俯沖對(duì)中國(guó)東北地塊的影響可能主要表現(xiàn)為與深俯沖有關(guān)的深部熱作用和深源地震，對(duì)地殼運(yùn)動(dòng)的直接影響較小。中國(guó)東北長(zhǎng)白山火山是與太平洋俯沖板塊在地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)的滯留和深部脫水等過程密切相關(guān)的弧后板內(nèi)火山。2002年吉林汪清發(fā)生7.2級(jí)深震，受同一區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響，距離深震區(qū)約250 km以外的長(zhǎng)白山天池火山在2002～2006年發(fā)生巖漿擾動(dòng)，地震事件增多，在火山口附近出現(xiàn)最大14.3 mm/a的水平運(yùn)動(dòng)和46.0 mm/a的垂直運(yùn)動(dòng)[12]。3·11大震后，中國(guó)東北地震主要發(fā)生在松遼盆地和大興安嶺地區(qū)，大震引起的天池火山區(qū)面膨脹為46 nanostrain，體膨脹為14 nanostrain[13]，但地震未明顯增多，表明淺層巖漿未受到擾動(dòng)[14]。

3.2 巖石圈物質(zhì)流動(dòng)與長(zhǎng)白山火山區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)

中國(guó)東北地區(qū)新構(gòu)造變形及板內(nèi)運(yùn)動(dòng)明顯受到地幔上隆/火山活動(dòng)與裂谷盆地?cái)U(kuò)張等弧后活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，中國(guó)東北地區(qū)地殼與上地幔具有較強(qiáng)的橫向不均勻性，較薄的巖石圈與熱物質(zhì)上涌及殼內(nèi)存在巖漿囊有關(guān)，中國(guó)東部新生代玄武巖一般被認(rèn)為是上地幔部分熔融的產(chǎn)物。由于板塊俯沖導(dǎo)致東亞大陸擴(kuò)張，引起上地幔上拱及局部物質(zhì)熔融并沿巖石圈斷裂帶上涌和噴溢至地表。長(zhǎng)白山火山區(qū)的低速異常反映出區(qū)域性熱構(gòu)造信息，上涌的軟流圈可能已經(jīng)到達(dá)(或接近)莫霍面位置[15]，同時(shí)火山區(qū)的隆升可能說明局部殼幔物質(zhì)活動(dòng)對(duì)地殼活動(dòng)的影響。郭良遷[10]研究認(rèn)為，東北斷塊區(qū)現(xiàn)代地形變形態(tài)與地殼厚度變化形態(tài)及其等值線走向截然不同，這可能表明現(xiàn)代地形變未完全反映地殼整體變化，可能主要反映地殼中部和上部地層的變化。自1972年吉林省地震臺(tái)網(wǎng)建立后，長(zhǎng)白山龍崗火山區(qū)記錄到200余次地震，其中4.0級(jí)以上地震4次，且在1997和2009年多次發(fā)生震群活動(dòng)，震源深度在1985～2002年約為20 km，2003年以后平均深度小于10 km。大地電磁方法獲取的地下電阻率分布特征表明，地下介質(zhì)物性參數(shù)存在差異，火山區(qū)分布的低阻體可能與深部巖漿系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)。2020年在火山區(qū)布設(shè)由7條剖面、近100個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的大地電磁觀測(cè)網(wǎng)，點(diǎn)位分布見圖7，三維電磁反演得到的電性結(jié)構(gòu)結(jié)果揭示殼內(nèi)存在低阻體(圖8)。25 km以上的低阻結(jié)構(gòu)主要分布在水準(zhǔn)資料揭示的隆升區(qū)和現(xiàn)今的小震多發(fā)區(qū)，推測(cè)巖漿從深部向淺部運(yùn)移引起火山區(qū)持續(xù)的相對(duì)隆升及小震活動(dòng)。

圖8 龍崗火山區(qū)電性結(jié)構(gòu)及地震分布

4 結(jié) 語(yǔ)

太平洋板塊向西強(qiáng)烈俯沖，使得日本海溝大震多發(fā)，NWW向主壓應(yīng)力從東至西依次作用于日本列島、日本海及中國(guó)東北地區(qū)。奧羽山脈是日本東北地殼運(yùn)動(dòng)的分界帶，大致為太平洋板塊俯沖作用的影響范圍。3·11大震前，奧羽山脈以西點(diǎn)位以東向位移為主，中部點(diǎn)位位移量較小，西部點(diǎn)位以西向位移為主。3·11大震后，地殼運(yùn)動(dòng)以東向位移為主，但奧羽山脈以西點(diǎn)位東向運(yùn)動(dòng)速率明顯大于東側(cè)點(diǎn)位。中國(guó)東北地區(qū)現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)特征與太平洋板塊的俯沖、太平洋板塊和菲律賓板塊與歐亞板塊的碰撞和擠壓、日本海溝大震、地幔對(duì)流以及斷層調(diào)整等作用有關(guān)；現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)活躍，存在深、淺源地震；受日本3·11大震震后粘滯性松弛效應(yīng)影響，研究區(qū)東部仍以拉張運(yùn)動(dòng)為主。太平洋板塊的深部俯沖引起區(qū)域應(yīng)力變化，2002年在吉林汪清發(fā)生深震。長(zhǎng)白山火山區(qū)由于存在殼幔巖漿，應(yīng)力變化引起天池火山巖漿擾動(dòng)，導(dǎo)致火山區(qū)產(chǎn)生明顯地殼變形。2011年日本3·11地震引起東北地區(qū)應(yīng)力發(fā)生變化和調(diào)整，但并未引起長(zhǎng)白山火山區(qū)淺層巖漿擾動(dòng)。龍崗火山區(qū)地殼的長(zhǎng)期隆升和小震發(fā)生，推測(cè)是由火山區(qū)巖漿運(yùn)移所引起。

致謝：本研究中GEONET數(shù)據(jù)的應(yīng)用及文獻(xiàn)資料的積累得益于與東京大學(xué)地震研究所Akito Araya教授的合作及探討，工作期間也得到研究所有關(guān)師生的協(xié)助和管理人員的支持，在此一并表示感謝。