管彥武 崔承贊 楊國東 劉嘉麒 李允秀 吳昌桓 金旭 吳燕岡

1. 吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 1300262. 自然資源部應(yīng)用地球物理重點實驗室，長春 1300263. 基爾大學(xué)，基爾 241184. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 1000295. 浦項科學(xué)技術(shù)大學(xué)，浦項 376736. 全北國立大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系，地球與環(huán)境科學(xué)系統(tǒng)研究中心，全州 548961.

長白山天池火山是一座多成因的復(fù)式休眠火山，其地理位置在中朝邊界上，地質(zhì)上位于中朝克拉通，玄武巖熔巖地臺，該處分布有敦化-密山斷裂、鴨綠江-圖們江斷裂、寬甸-敦化斷裂、白山-金策斷裂等(金伯祿和張希友, 1994; 劉若新, 1995; 劉嘉麒, 1999; 李春鋒等, 2000(1)李春鋒, 王瑜, 鄭雅琴等. 2000. 長白山地區(qū)火山作用的地質(zhì)構(gòu)造背景. 吉林省地震局, 中國地震局地質(zhì)研究所, 2006; 魏海泉, 2014)(圖1)。關(guān)于長白山天池火山巖漿囊的研究一直是地學(xué)界的熱點和難點。因為長白山天池火山是休眠火山，具有再次噴發(fā)的潛在危險，長白山天池蓄水量達(dá)到20.1×108m3。如果再次噴發(fā)，將是爆炸式的，這不僅關(guān)系到環(huán)境問題，還和當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)息息相關(guān)。故需要進(jìn)行火山的勘探和監(jiān)測工作，其核心問題避免不了研究巖漿囊的位置和規(guī)模，然而，長白山天池火山的最近一次大規(guī)模噴發(fā)已經(jīng)有“千年”之久，對于火山深部構(gòu)造的研究，地球物理方法是一類行之有效的方法。多年來，盡管地學(xué)工作者對長白山天池火山的研究沒有中斷過，但是，對于其巖漿囊的位置、規(guī)模等信息一直存在較大的爭議，如果能夠梳理這些研究成果，并結(jié)合新采集的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，這對長白山天池火山可能有一個較新的認(rèn)識。

從物理屬性來看，巖漿囊應(yīng)該是低速、低阻、高溫、低密度的糊狀物質(zhì)(洪漢凈, 2013)，所以，需要從不同的物理性質(zhì)來綜合研究它。本文亮點是數(shù)據(jù)新，并且是高精度的重力實測數(shù)據(jù)，結(jié)合多學(xué)科研究成果的綜合性剖面地殼巖漿囊建模。使用的方法是將前人的速度結(jié)構(gòu)、電阻率結(jié)構(gòu)作為本次研究的初始模型和約束條件(有不一致的地方，根據(jù)重力異常特征進(jìn)行選擇)，逐步進(jìn)行建模工作，地下的構(gòu)造劃分和密度賦值后，軟件會自動計算出相應(yīng)的重力響應(yīng)，當(dāng)計算的重力值和實測的重力異常值非常接近時，或者說兩者的差值足夠小的時候，終止建模。這其中還需要考慮火山地質(zhì)方面的特點，并且該模型還可以根據(jù)將來信息的增加、火山認(rèn)識的提高進(jìn)行修改，特別是有深孔信息的時候，可以根據(jù)實際情況對模型進(jìn)行修訂。甚至隨著區(qū)域資料的增加，可以進(jìn)行三維精細(xì)模型的建立。本文將首先對長白山天池火山地球物理研究情況進(jìn)行梳理，然后對新獲取的高精度重力數(shù)據(jù)進(jìn)行介紹，接著結(jié)合現(xiàn)有資料逐步進(jìn)行建模，最后對該模型進(jìn)行討論和總結(jié)。

1 長白山天池火山研究概況

要對長白山天池火山地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，就必須先整理總結(jié)現(xiàn)有的研究成果，再結(jié)合新的高精度重力數(shù)據(jù)展開工作。所以，這里主要歸納一下地球物理方面的研究進(jìn)展，其中也穿插一些其他地學(xué)成果作為佐證。

到目前為止，對于長白山天池火山巖漿囊的研究工作，總結(jié)起來分為以下幾大類。

1.1 天然地震

圖1 長白山地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)李春鋒等, 2000, 2006修改)Fig.1 Changbaishan region generalized geological map (modified after Li et al., 2006)

通過地震臺(流動臺站或固定臺站)，監(jiān)測到天然地震信號，用來研究地下深部構(gòu)造。雖然天然地震帶有隨機性，能量強弱不一，臺站分布不均勻，但是，監(jiān)測到的天然地震往往能量都較強，長期監(jiān)測，有比較多的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站，該方法能獲得下地殼甚至地幔的深部信息，是研究地球深部信息的主要手段。當(dāng)然，該方法也可用于火山巖漿囊和深部構(gòu)造的研究。長白山天池火山這方面的工作其實還蠻多的，比如，郭履燦等(1996)采用地震層析成像技術(shù)對地震臺數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究了長白山天池的巖漿囊問題，結(jié)果顯示在長白山天池火山下面存在低速帶，深度在38～65km，橫向范圍100～200km，并且推測可能就是巖漿囊。段永紅等(2003)利用深地震測深數(shù)據(jù)反演獲得了長白山地區(qū)的基底結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，該地區(qū)的基底深度大約為2.0～3.0km。趙大鵬等(2004)根據(jù)19個臨時地震臺數(shù)據(jù)和3個固定地震臺數(shù)據(jù)，利用地震層析成像技術(shù)反演得到的P波速度顯示，存在一個長400km，寬200km從地殼到地幔的低速帶，并認(rèn)為長白山火山是一個弧后板內(nèi)火山。Hetlandetal. (2004)展示了一個根據(jù)遠(yuǎn)震接收函數(shù)建立的長白山地殼結(jié)構(gòu)，并且對比了張先康等(2000, 2002)的速度結(jié)構(gòu)以及湯吉等(2001)的視電阻率結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在長白山天池火山下3.7～7.0km深度處存在半熔融體。吳建平等(2007)分析了2002～2003年間長白山地區(qū)的天然地震事件和1999～2003年間的地震資料，認(rèn)為在長白山天池火山下5km深處存在活動的巖漿囊，并且壓力在增加。Kyong-Songetal. (2016)根據(jù)深反射地震獲取了長白山天池火山地下存在半熔融體的證據(jù)，并認(rèn)為在5～10km深處可能是地殼巖漿囊的頂部位置。李紅昊等(2018)通過背景噪聲瑞雷波群速度與相速度頻散聯(lián)合反演長白山S波速，長白山天池火山地殼內(nèi)存在低速異常，異常深度范圍為7～35km，并存在向下延伸的趨勢。在7～17km深度低速異常較為明顯，推測可能為巖漿囊。雷建設(shè)等(2018)結(jié)合地震層析成像、高溫高壓實驗、數(shù)值模擬與巖石地球化學(xué)研究結(jié)果，否認(rèn)長白山天池火山以西的地幔轉(zhuǎn)換帶存在低波速異常指示的板塊“空缺”和地幔轉(zhuǎn)換帶“減薄”，認(rèn)為長白山天池火山的深部起源于太平洋板塊深俯沖至我國東北松遼盆地與大興安嶺交界處形成的“大地幔楔”結(jié)構(gòu)。李天覺和陳棋福(2019)，利用中國東北地震臺固定臺站和流動臺站的觀測記錄和提取到的接收函數(shù)，推測長白山天池火山下方其殼內(nèi)巖漿囊很可能存在于火山口東北隅至少10km的范圍內(nèi)。Yangetal. (2020)通過數(shù)值模擬，并且結(jié)合地震層析成像和板塊構(gòu)造理論，大尺度上解釋了長白山天池火山及其周邊火山的形成過程，長白山天池火山是太平洋板塊俯沖脫水形成的。

1.2 人工地震勘探

人工地震勘探主要用于油氣勘探，并且取得了非常好的應(yīng)用效果。和天然地震相比，人工地震勘探震源可控，能量較弱，往往用于淺部構(gòu)造研究。長白山天池火山這方面的工作僅開展過一次，是一條十字剖面：張先康等(2000，2002)和王夫運等(2002)根據(jù)地震勘探數(shù)據(jù)反演了長白山2D和3D速度結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，低速帶存在于9～15km深度處，并認(rèn)為這是上地殼小規(guī)模的活動巖漿囊。但是，Songetal. (2007)將張先康等(2000，2002)的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行處理解釋，認(rèn)為地殼巖漿囊應(yīng)該在距離天池20km以北區(qū)域的地下。人工地震勘探是地球物理勘探中發(fā)展最完善的方法，然而該方法在層狀或者近似層狀地層非常好，在火山地區(qū)效果就會受到影響，所以這里存在多解性也是正常的。

1.3 大地電磁測深(MT)

從國內(nèi)外來看，大地電磁測深在火山深部研究中都取得了很好的效果，在長白山地區(qū)開展的MT工作一共有兩次：湯吉等(2001)在長白山天池火山口附近做了5條剖面，共計61個MT測點。視電阻率反演結(jié)果顯示，在天池以北的地下，約12km深處存在低阻帶，認(rèn)為這就是長白山天池火山的地殼巖漿囊。仇根根等(2014)在長白山天池火山做了一條長103km，41個長周期MT測點。視電阻率剖面反演結(jié)果和湯吉的很相似，不過比湯吉等(2001)的剖面長，并且多出了不少細(xì)節(jié)信息，總體結(jié)果顯示，在北坡山門附近地下存在兩個比較明顯的低阻帶，大約深度在7～17km；南坡距離天池約20km的地下，深度在13～30km處存在低阻帶，認(rèn)為低阻帶應(yīng)該是活動的巖漿囊。

1.4 重力

1.5 航磁

磁法勘探也是研究火山的有效方法，但是該方法容易受到近地表磁性物質(zhì)的干擾，特別是人文設(shè)施，比如變電站和發(fā)電站等。不過，航磁發(fā)展比較完善，并且受到近地表人為干擾相對較弱一些，所以有人根據(jù)航磁資料進(jìn)行過研究：蘇曉軼等(2019)通過航磁異常計算了長白山地區(qū)居里面深度，其深度在12.5～15.8km之間，并圈定了長白山地區(qū)地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。

1.6 其他地學(xué)方法

對于火山的研究還有其他很多地學(xué)方法，比如巖石學(xué)、流體地球化學(xué)、數(shù)值建模、放射性定年和遙感等，這里不一一列舉，僅僅列舉幾個可以用于佐證長白山天池火山存在巖漿囊的可能性的內(nèi)容：比如，季靈運等(2009)、季靈運(2012)利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)，基于Landsat TM/ETM影像和ASTER影像反演獲取了1999～2008間長白山地區(qū)溫度場數(shù)據(jù)，去除地表環(huán)境和氣象等影響因素，結(jié)果顯示，2001～2005年間由于火山活動造成溫度熱異常，2005～2008趨于穩(wěn)定，該結(jié)果和地震、GPS變形和He同位素比值變化趨勢保持一致。并認(rèn)為該地溫?zé)岙惓Ｊ怯捎趲r漿囊膨脹、上涌造成的。

綜上可見，前人主要從溫度熱異常、地震波速度、電阻率、光譜屬性、磁性和密度的差異上做工作。對于長白山天池火山巖漿囊的研究工作主要有：利用地震層析成像研究深部地?；鹕狡鹪?；利用地震勘探反演地殼速度結(jié)構(gòu)；利用大地電磁測深反演地殼電阻率結(jié)構(gòu)等，各方法都各自得到了關(guān)于長白山天池火山地區(qū)的結(jié)構(gòu)特點。形成的共識是，長白山天池火山存在巖漿囊，是太平洋板塊俯沖脫水形成的。但是，對于和我們息息相關(guān)的地殼巖漿囊的空間分布位置和幾何形態(tài)都存在較大的分歧，缺乏一個在多條件約束下，對長白山天池火山地殼巖漿囊進(jìn)行相對精細(xì)的建模工作。因此，本文搜集相關(guān)信息，結(jié)合新觀測的高精度重力數(shù)據(jù)，對長白山地殼進(jìn)行一個綜合性的建模工作，以為進(jìn)一步刻畫長白山天池火山巖漿囊提供一個重要的參考。這對于長白山天池火山監(jiān)測工作也有一定的參考價值。

2 數(shù)據(jù)采集

因為該地區(qū)屬于自然保護(hù)區(qū)，森林茂密，存在分布較廣泛，落差較大的陡坎，以及容易坍塌的火山灰，在這樣的地區(qū)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)直線地面剖面勘探不太可能，所以，本次勘探我們沿著南北坡登山路進(jìn)行。北坡從天池邊，距離水面約20m開始，向北直達(dá)兩江鎮(zhèn)附近，野外工作是在2011年10～11月進(jìn)行的。南坡從長白朝鮮族自治縣，沿著公路直達(dá)天池邊，野外工作是在2012年6～7月進(jìn)行的。野外觀測點距的設(shè)計是，從距離天池分別是0～5km，5～20km，20km以外，點距分別是50m，100m和200m。如圖2所示，其中間隔約4km的間斷是天池水，無法進(jìn)行勘探。剖面總長度約146km，共計1014個測點的高精度重力剖面，由于特殊的地理位置，這是第一次在該地區(qū)獲取的高精度地面重力數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)位置及地形 左圖中黑實線為剖面位置Fig.2 The topography and location of the profile The bold black line is the profile in the left map

重力數(shù)據(jù)采用加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的CG-5型高精度重力儀采集的，實際觀測精度為0.024×10-5m/s2。南北坡兩個重力基點都和國家重力基點網(wǎng)進(jìn)行了聯(lián)測，采用三重小循環(huán)，兩臺CG-5儀器同時聯(lián)測獲得。測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)采用美國天寶(Trimble)公司的R8 GPS系統(tǒng)，應(yīng)用DGPS工作模式，測量高程誤差低于0.169m。沿著測線，采集了30塊巖石標(biāo)本，使用中國臺灣地區(qū)群隆興業(yè)有限公司產(chǎn)的瑪芝哈克電子密度儀測試標(biāo)本密度值，密度最大值2.823×103kg/m3(粗安巖)，最小值0.637×103kg/m3(浮巖)，平均值2.435×103kg/m3，可見，近地表巖石密度變化范圍較大。

3 數(shù)據(jù)處理

重力數(shù)據(jù)處理使用加拿大Geosoft公司開發(fā)的Oasis montaj軟件進(jìn)行的。地形改正最大半徑是20km，區(qū)域地形數(shù)據(jù)采用SRTM的數(shù)字地形圖。經(jīng)過各項改正后，得到自由空氣重力異常和布格重力異常，布格重力異常的精度為：0.075×10-5m/s2，地形改正和布格改正都統(tǒng)一采用了地殼平均密度2.67×103kg/m3。結(jié)果如圖3所示。

為了推進(jìn)農(nóng)墾“聯(lián)合聯(lián)盟聯(lián)營”，建設(shè)“農(nóng)墾國際大糧商”，廣東農(nóng)墾聯(lián)合黑龍江、天津、廣西、湖北、安徽及山東等7個墾區(qū)共同發(fā)起成立中墾國際農(nóng)產(chǎn)品物流投資股份有限公司，旨在打造一個開放共享、自主可控的全國性安全農(nóng)產(chǎn)品流通平臺，建設(shè)“立足華南、輻射全國、面向全球”的農(nóng)產(chǎn)品流通骨干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品線上線下交易為一體、信息服務(wù)和金融服務(wù)為兩翼的業(yè)務(wù)布局，服務(wù)于國家糧食安全、食品安全戰(zhàn)略，努力開創(chuàng)我國農(nóng)產(chǎn)品“大生產(chǎn)+大流通”新格局。

圖3 重力異常和高程圖 (a)自由空氣重力異常；(b)高程；(c)布格重力異常Fig.3 Gravity anomaly and elevation (a) Free Air gravity anomaly; (b) Elevation; (c) Bouguer gravity anomaly

從布格重力異常圖上可見，在天池口及其以北的地方，存在明顯的重力低值區(qū)，這可能在北坡深部或者上地殼存在局部質(zhì)量虧損。從整體上看，以天池為中心，向南，向北重力異常呈現(xiàn)出上下起伏，這可能是火山不同期次噴發(fā)形成的巖漿巖造成的重力響應(yīng)。

長白山天池火山區(qū)的斷裂構(gòu)造基于歐拉反褶積和人工識別相結(jié)合進(jìn)行劃分。長白山天池火山的密度結(jié)構(gòu)模型基于前人的P波速度結(jié)構(gòu)(張先康等, 2002; 王夫運等, 2002)和視電阻率結(jié)構(gòu)(湯吉等, 2001; 仇根根等, 2014)，以及已知地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上逐步建立，具體過程下面將詳細(xì)介紹。

4 歐拉反褶積法

歐拉反褶積法是一種自動、半自動的解釋方法，由于重力場滿足歐拉齊次方程，將其變形，可得到理論方程(1)(Reidetal., 1990; Durrheim and Cooper, 1998; 焦新華和吳燕岡, 2009; Melo and Barbosa, 2018)。歐拉反褶積常用來快速解釋重磁場源問題(Barbosaetal., 2000; Beyhan and Keskinsezer, 2016; Golshadietal., 2016; Singh and Singh, 2017; Kumaretal., 2019)。方程(1)中，(x0，y0，z0)是地面重力異常g的場源位置，也就是勘探的對象。這樣，求解場源位置的問題，就變成了解方程(1)中的未知數(shù)x0，y0，z0。該方法通常用來求解斷裂或者接觸帶的位置。采用滑動窗口(用最小二乘法求解，這里取10個測點為窗口大小)，每個窗口解出一個點坐標(biāo)，移動窗口，覆蓋整個工作區(qū)域就可以得到一系列的場源的點坐標(biāo)，這些點連接起來就構(gòu)成了斷裂或者是接觸帶的分布(如圖4所示)。

(1)

對于剖面情況，方程(1)變?yōu)?

(2)

采用歐拉反褶積方法也可以求解出場源的基底，結(jié)果是2～5km(如圖5中的L1和L2層的分界面)，這個結(jié)果和段永紅等(2003)的結(jié)果很接近。通常來說，不連續(xù)界面可以認(rèn)為是斷裂或者不同巖層的分界面，有些不連續(xù)界面可能是隱伏斷層，如圖4所示，將這些求解出來的解(坐標(biāo)點)畫在圖中，線性比較明顯的連接起來，就獲得了斷裂的位置，在一些部位出現(xiàn)比較亂的點的匯集地段，往往是破碎帶或者是巖體比較雜亂的體現(xiàn)。比如，F(xiàn)4很可能就是火山頸的位置，并且，在地表面，該處正好是聚龍泉溫泉群位置所在，該溫泉群的地表最高溫度達(dá)82℃。張杰等(2015(2)張杰, 仇根根, 王興春等. 2015. 長白山火山巖區(qū)大地電磁測深與地溫監(jiān)測. 中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所)在長白山天池火山北坡奶頭山觀測到了淺層地溫偏高，正好對應(yīng)著F6。這里解釋的斷裂構(gòu)造圖和李春鋒等(2000, 2006)、金伯祿和張希友(1994)的研究結(jié)果相比，新解譯的斷裂或者接觸帶為F1、F7、F8和F9。

5 人機交互建模

通常，若要獲取較好的解釋，就需要融合更多的約束信息，比如地震勘探數(shù)據(jù)、MT數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料等。在該區(qū)我們收集到了地震勘探和MT結(jié)果，加上本次的重力實測數(shù)據(jù)，以及其它相關(guān)信息。這為我們建立研究區(qū)模型提供了更多的約束條件。

人機交互建模，就是在現(xiàn)有先驗信息的條件下(初始模型)，通過人工干預(yù)的方式，加入約束信息，在研究區(qū)建立地質(zhì)地球物理模型，計算機根據(jù)任意形體重力正演公式，計算出對應(yīng)的重力場值，將計算出來的結(jié)果和實測的結(jié)果做對比，不斷調(diào)整模型幾何參數(shù)和物性測參數(shù)，以使其滿足一定誤差條件下，便完成人機交互建模。該方法在實際資料的解釋上，也是比較常用的，其基本思想是根據(jù)地質(zhì)、電法、鉆井、地震和重磁數(shù)據(jù)等進(jìn)行建模和推斷解釋(D?ringetal., 1997; Chaubeyetal., 2002; Zhangetal., 2017)。

模型的建立是一個逐步遞進(jìn)的過程。詳細(xì)建模過程如下：首先，采用Oasis montaj的二維人機交互反演模塊GM-SYS，參考地震波速和密度的經(jīng)驗關(guān)系式(孫建國, 2006)，在已有的地震速度模型(張先康等, 2002; 王夫運等, 2002; Songetal., 2007)上建立一個初始模型，考慮到重力異常曲線的特點，更偏重于前者(張先康等(2000, 2002)的速度結(jié)構(gòu))建模，如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，實測值和模型計算值差別較大，特別是在北坡。從圖中可見，布格重力異常可以大致分為四個部分，分別是南坡的S1和S2，北坡的N1和N2。本次計算及文獻(xiàn)結(jié)果顯示，該區(qū)的基底大致在3km附近，因此，我們在南坡和北坡各增加了兩個塊體，分別是BK1、BK2、BK3和BK4，這四個塊體密度初始值的給定，主要參考地面巖石標(biāo)本密度測試結(jié)果(如上文介紹)，并結(jié)合重力異常的基本形態(tài)，四個塊體的密度分別是2850kg/m3、2900kg/m3、2500kg/m3和2310kg/m3。這樣，模型計算值和實測值誤差減少很多，如圖6所示，實地考察中發(fā)現(xiàn)，南坡露頭比較多，而且基本是密度較大的流紋巖和玄武巖，北坡露頭較少，所以平均密度取值南坡大于北坡；而北坡地層中發(fā)現(xiàn)大量密度小于水的浮石層，也有地方有密度較大的流紋巖分布。上地殼由L2和L3地層組成，下地殼由L4和L5地層組成。把歐拉反褶積反演的斷裂構(gòu)造信息疊加到改善后的模型中，得到如圖7的效果。從疊加的圖上(圖7)看，幾個地方和我們改善后的模型比較吻合，如BK1和BK2的邊界，BK3和BK4的邊界，L3和L4層的分界面。天池下方的一系列的不連續(xù)界面(即圖4中的F4)應(yīng)該就是塌陷了的火山頸位置所在。其它地方的不連續(xù)界面，可能是斷裂構(gòu)造。

圖4 歐拉反褶積法解譯的斷裂或接觸帶

圖5 初始模型建立 L1是覆蓋層；L2，L3為上地殼地層；L4，L5為下地殼地層；Mantle為地幔；D表示地層密度(kg/m3)，比如D=2300為該地層的密度是2300kg/m3；mag1為下地殼巖漿囊；mag2、mag3為L3地層內(nèi)的巖漿囊；mag4、mag5為L2地層內(nèi)的巖漿囊Fig.5 The original model L1 is covering layer; L2, L3 are upper crustal strata; L4, L5 are lower crustal strata; Mantle is mantle material; D means the density of the block, such as D=2300 means the density is 2300kg/m3; mag1 is magma chamber in the lower crustal stratum; mag2, mag3 are magma chambers in L3; mag4, mag5 are magma chambers in L2

圖6 改善后的模型 BK1、BK2、BK3和BK4是四個可能的巖漿巖塊體;其余塊體的說明見圖5Fig.6 Improved model BK1, BK2, BK3 and BK4 are feasible four magmatic rock blocks; the remaining blocks are shown in Fig.5

圖7 改善后的模型和斷裂構(gòu)造 BK1、BK2、BK3和BK4是四個可能的巖漿巖塊體;其余塊體的說明見圖5;紅線為斷裂Fig.7 Improved model with fault structure BK1, BK2, BK3 and BK4 are four magmatic rock blockst the remaining blocks are shown in Fg.5. Red lines are faults

為了再次改善模型，我們需要將斷裂構(gòu)造、MT結(jié)果(湯吉等, 2001; 仇根根等, 2014) 和其他一些地質(zhì)信息增加進(jìn)去：根據(jù)MT結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，同時要注意模型計算值和實測值的差別，對近地表的四個塊體進(jìn)行了局部調(diào)整，有部分區(qū)域能出露于地表，比如南坡火山口附近，北坡有幾處接近于地表的部位，密度的取值也是基于地表露頭標(biāo)本測試結(jié)果作為參考定的，得到如圖8所示的結(jié)果。這樣實測布格重力異常和模型正演計算的異常的差別就非常小了，這就得到最后的密度模型(如圖8)。

圖8 最后的密度模型 BK1、BK2、BK3和BK4是四個可能的巖漿巖塊體；plug是火山頸；其余塊體說明見圖5Fig.8 The final density model BK1, BK2, BK3 and BK4 are four magmatic rock blocks; plug means volcanic neck; the remaining blocks are shown in Fig.5

實際的地質(zhì)構(gòu)造可能和圖8的結(jié)果有出入，但是，這個模型的建立參考了已知的地震、MT和重力勘探結(jié)果，以及其他一些地質(zhì)信息，相對來說是一個比較綜合的模型(并非卡通圖)，在物理上作了彈性、電阻率和密度的約束。從圖8中可見，長白山天池火山地殼大致分5層，L1是覆蓋層，L2和L3是上地殼，L4和L5是下地殼。莫霍面深度接近40km，并且南坡深，北坡淺。其中mag1至mag5很可能是地殼巖漿囊，這個部位正好對應(yīng)著重力異常的低值區(qū)域。

6 討論和結(jié)論

目前，人們對于長白山天池火山巖漿房的認(rèn)識一般有兩種，一種是以劉若新等(1998)、樊祺誠等(2007)和郭文峰等(2015)等人為代表的地殼巖漿房和地幔巖漿房的雙巖漿房模式；另一種是以魏海泉(2010)為代表的串珠狀巖漿房模式。本文建立的巖漿囊模式鑒于兩者之間，初步劃分屬于地殼巖漿房部分，符合第一種認(rèn)識；雖然這里僅僅是地殼部分巖漿囊建模，但是仔細(xì)劃分，仍然滿足串珠狀的模式。

通過本次建模研究，發(fā)現(xiàn)在長白山天池火山北坡距離天池口2～10km部位，可能存在埋藏較淺的巖漿囊，有潛在的火山災(zāi)害危險，建議相關(guān)部門開展進(jìn)一步的勘探或者監(jiān)測工作。

由于地球物理固有的多解性局限，本次研究雖然綜合了多學(xué)科研究結(jié)果，但是，并不代表地下結(jié)構(gòu)就一定是這樣的，僅僅說明，這是一個很可能的結(jié)構(gòu)。隨著新的勘探和監(jiān)測工作的不斷深入，特別是區(qū)域性資料的增加，新的數(shù)據(jù)處理和反演方法的出現(xiàn)，必然會有新的認(rèn)識，該模型還可以綜合新的資料和認(rèn)識，進(jìn)行不斷的修訂完善。

在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上建立一個綜合模型，這將對火山的監(jiān)測和勘探工作提供有益的參考。當(dāng)然，本文建立的模型肯定不是最完美的模型，和實際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)也不一定十分吻合，獲取的布格重力異?？隙ù嬖谝欢ǖ恼`差，這個誤差可能來自于各種因素(這里不展開討論)，不過總體異常趨勢沒問題。模型的建立參考了很多已知的信息，綜合性較強。如果有新的有價值的資料出現(xiàn)，還可以對該模型進(jìn)行驗證或改進(jìn)，逐步完善模型。

前人研究中，衛(wèi)星熱紅外遙感、He同位素異常和GPS變形測量結(jié)果表明有淺層巖漿囊存在的可能性，并且如前文所述，Kyong-Songetal. (2016)根據(jù)臨時地震臺地震觀測資料獲取了長白山天池火山存在地殼半熔融體的證據(jù)；關(guān)于深部巖漿囊的賦存位置的探測主要還是來自地震和MT的結(jié)果。本文的模型參考了地震速度結(jié)構(gòu)和MT的視電阻率結(jié)構(gòu)，是一個比較綜合的模型。如前文所說，同樣的地震資料，有兩個反演結(jié)果(張先康等, 2000, 2002; Songetal., 2007)，本文在建立初始模型的時候，考慮到重力異常曲線的特點，更偏重于前者(張先康等(2000, 2002)的速度結(jié)構(gòu))建模。關(guān)于MT資料的約束，因為湯吉(2001)和仇根根等(2014)的結(jié)果基本一致，只是對初始模型做了細(xì)微的調(diào)節(jié)，即可達(dá)到擬合較好的結(jié)果。

從本文建模結(jié)果看，得到如下幾點認(rèn)識：

(1)在長白山天池火山下存在幾個地殼巖漿囊，如mag1到mag5；如果長白山天池火山真如樊祺誠等(2007)所說的雙層巖漿房，那么本文所研究的巖漿囊是就是淺部的“地殼巖漿房”，其母巖來自地幔的鉀質(zhì)粗面玄武巖，千年噴發(fā)后，部分巖漿在地殼滯留、冷卻和結(jié)晶分異作用，形成現(xiàn)今的巖漿房，并且在不斷的分異演化；

(2)在北坡上地殼，存在一個埋藏比較淺的高阻、低密度體，距離天池2～10km，深度在7～15km，可能是巖漿不斷的冷卻收縮留下的空洞或者是富含氣體的巖漿囊。因為隨著巖漿上升，不斷冷卻和減壓，溶在巖漿中的揮發(fā)分和氣體將釋放出，這些氣體逐步在淺部匯集，形成這么一個富含高揮發(fā)組分的密度相對較低的區(qū)域，所以在這里存在一個高阻的巖漿囊是合理的，這點和仇根根等(2014)的電阻率結(jié)構(gòu)不同；

(3)在火山的南坡和北坡，深度大約3km處普遍存在一個巖漿巖層。巖層在一些地方有出露，實地考察發(fā)現(xiàn)，南坡較為突出，在天池口附近有大范圍的露頭，并且整體性較好，規(guī)模較大。這點和仇根根等(2014)研究結(jié)果相近。根據(jù)巖漿結(jié)晶演化規(guī)律，天池火山粗面巖和堿流巖屬鉀質(zhì)粗面玄武巖漿演化的晚階段或最終端員，如此巨量的酸性粗面質(zhì)-堿流質(zhì)巖漿不可能由巖漿混合形成，只能是巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物(樊祺誠等, 2007)，樊祺誠等(2007)的這個觀點也間接地支持了本條結(jié)論；

(4)在長白山天池正下方存在一個坍塌阻塞了的火山頸，即圖8中的plug塊體。長白山天池火山千年大噴發(fā)后，深部的壓力和物質(zhì)被瞬間釋放，到達(dá)一定程度后，火山頸必然失穩(wěn)而坍塌，堵塞火山口，積水成湖，形成了現(xiàn)今的長白山天池。在塌陷的火山頸周邊必然存在裂隙，淺部的水下滲，受到深部熱源加熱，必然返回到地表，形成了現(xiàn)今火山口附近的溫泉群，比如，聚龍泉溫泉、湖濱溫泉和錦江溫泉等。

致謝非常感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所郭正府研究員、吉林大學(xué)劉祥教授和意大利國家地球物理和火山學(xué)研究所(INGV)和海洋和海岸環(huán)境研究所(CNR)Guido Ventura教授對本文提出的寶貴意見。感謝三位匿名審稿專家的寶貴建議。