馬晗瑞，盛 儉，楊清福

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京210009；3.吉林省地震局，吉林 長春 130117)

深部構(gòu)造對吉林省東部火山與深震活動影響*

馬晗瑞1，盛 儉2，楊清福3

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京210009；3.吉林省地震局，吉林 長春 130117)

通過巖石化學(xué)分析手段及地球物理數(shù)值模擬方法，分析深部構(gòu)造對長白山火山巖漿起源和深源地震發(fā)震機(jī)制的影響，認(rèn)為長白山火山巖漿起源于地幔源區(qū)，并與太平洋板塊深部俯沖有關(guān)；西太平洋板塊深部脫水，產(chǎn)生陸內(nèi)火山巖漿；俯沖板塊的深部脫水產(chǎn)生的裂隙(斷裂)可能是長白山區(qū)深源地震發(fā)震原因，且深源地震與火山作用有一定關(guān)聯(lián)性。

吉林省東部；火山；深源地震；深部構(gòu)造

吉林省東部位于西太平洋板塊俯沖帶前緣，華北克拉通的東北緣。特殊的構(gòu)造位置造就了該地區(qū)地球構(gòu)造上的鮮明特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為兩方面，一是發(fā)育有遠(yuǎn)離海溝(約1 000 km)的陸內(nèi)火山(如長白山等)，另一個是存在著深源地震區(qū)(琿春深震區(qū))(圖1)?；鹕皆斐傻臑?zāi)害眾所周知，可對人類賴以生存的環(huán)境造成不可估量的破壞和影響，是危害嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。吉林省東部火山以長白山火山為代表，是一個陸內(nèi)層狀復(fù)式活火山群，全新世以來，經(jīng)歷過多次爆炸式噴發(fā)，其中噴發(fā)規(guī)模最大的千年大噴發(fā)(938-946 AD)產(chǎn)生的火山灰、浮巖、灰塵覆蓋了中朝邊界約33 000 km2地區(qū)[1-2]，此外火山噴發(fā)柱坍塌產(chǎn)生的火山碎屑流、火山泥石流覆蓋半徑50 km的區(qū)域，其內(nèi)原始森林及生物盡毀，造成了巨大的地質(zhì)災(zāi)害。長白山火山現(xiàn)今處于千年大噴發(fā)和世紀(jì)小噴發(fā)循環(huán)的節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的噴發(fā)危險(xiǎn)和潛在爆發(fā)災(zāi)害性[3-6]。深源地震由于其震源深度很深(>300 km)往往不被人們所感知，且一般不會造成嚴(yán)重災(zāi)害，但很多學(xué)者對吉林省東部深源地震進(jìn)行了研究，認(rèn)為NNW向的東北深震區(qū)與長白山火山帶分布大致平行對應(yīng)，且其活動可能與長白山火山活動[7-8]、火山地震活動[9-10]等存在著某種聯(lián)系。觀測資料也證實(shí)了這一現(xiàn)象，例如：高山泰等[11]認(rèn)為1597年10月6日中國東部7省記載的地震事件，是一次深、強(qiáng)震事件，其后3 d內(nèi)長白山附近發(fā)生兩次火山噴發(fā)，并伴有強(qiáng)烈地震，且火山噴發(fā)和地震位置在深震有感范圍內(nèi)。1902年7月3日在吉林汪清發(fā)生6.6級地震，1903年5月天池火山噴發(fā)。2002年6月29日琿春發(fā)生7.3級深震后，長白山火山出現(xiàn)火山型地震活躍期，發(fā)生有地震記錄以來最強(qiáng)烈的火山地震活動，相繼記錄到震群活動38次，最高震級達(dá)ML4.4級，火山地震活動一直持續(xù)到2005年下半年才逐漸開始減弱。

關(guān)于深部構(gòu)造對長白山火山影響，有學(xué)者認(rèn)為是與東北亞大陸裂谷作用有緊密聯(lián)系[12]，以松遼-冀中為中心的裂谷擴(kuò)張作用和日本海盆為中心的弧后擴(kuò)張(另一種形式的裂谷擴(kuò)張作用)作用控制著長白山火山活動和地質(zhì)的發(fā)展[13]，板塊后撤，在陸內(nèi)形成弧后擴(kuò)展，地幔熱物質(zhì)上涌，在陸內(nèi)擴(kuò)展區(qū)引發(fā)減壓熔融，進(jìn)而產(chǎn)生巖漿作用；有學(xué)者認(rèn)為，在深部地幔熱對流過程中，上升的熱地幔物質(zhì)從軟流圈或下地幔上涌并穿透巖石圈，在地表或洋底出露，形成火山作用[14]；另外由于長白山天池火山位于華北克拉通東北緣，也有學(xué)者認(rèn)為華北克拉通拆沉可能導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)的板內(nèi)火山作用[15]；除此之外，越來越多學(xué)者認(rèn)為與西太平洋板塊向歐亞大陸俯沖有關(guān)，深部俯沖板塊于相變界面平臥滯留，并發(fā)生深部脫水，水分以及含水地幔物質(zhì)向巖石圈底部聚集，在巖石圈底部發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生陸內(nèi)火山作用[16-17]。

關(guān)于東北深震與太平洋板塊的關(guān)系存在如下爭議：深源地震與西太平洋板塊不一定直接相關(guān)，是西太平洋板塊俯沖到東北下方，前端裂解多個斷塊，并與歐亞大陸地幔物質(zhì)相互碰撞磨擦生熱，發(fā)生塑性剪切，使冷的斷塊發(fā)生破裂產(chǎn)生地震[18]；由地震層析資料可知，西太平洋板塊確已俯沖至大陸地幔中[19]，東北深震震源深度南北向上分布與其大致相同，東西向上逐漸加深，震源等深線幾乎與海溝軸平行，深源地震的震中位置分布與西太平洋板塊俯沖角度相似[20]，同時(shí)震源機(jī)制解顯示，西太平洋板塊俯沖方向與深源地震主要應(yīng)力軸優(yōu)勢方向相似[21]，所以深源地震是西太平洋俯沖板塊直接與地幔間的相互作用所致；另外還有觀點(diǎn)認(rèn)為歐亞板塊下方熾熱的高溫環(huán)境會使西太平洋板塊熔融，使其不能俯沖到遠(yuǎn)離海溝1 200 km，深大于600 km的位置引發(fā)地震，推測深源地震可能與錫霍特阿林大斷裂處的俯沖帶有關(guān)[22]。除此之外，對于深源地震的發(fā)震機(jī)理研究也存在分歧：包括脫水致裂[23]、剪切不穩(wěn)定性和熔融[24]以及亞穩(wěn)態(tài)的橄欖石相變致裂[25-26]。

表1 數(shù)值模擬模型設(shè)置參數(shù)表

圖1 研究區(qū)域地球構(gòu)造示意圖

火山活動是深部構(gòu)造巖漿活動的反映，深源地震也可以傳遞地球深部構(gòu)造的活動狀況和物質(zhì)信息，由于吉林省東部地區(qū)既是陸內(nèi)火山活動區(qū)，又位于我國唯一的深源地震區(qū)內(nèi)，故其是一處難得的深部地質(zhì)和地球物理場研究的天然窗口。本文旨在通過巖石地球化學(xué)分析及地球物理數(shù)值模擬結(jié)果，討論吉林省東部地區(qū)深部構(gòu)造對陸內(nèi)火山及深源地震活動的影響，進(jìn)而探討兩者之間可能存在的聯(lián)系。

1 研究方法

本文對研究區(qū)火山巖進(jìn)行巖石地球化學(xué)分析，以判斷火山巖漿來源位置及性質(zhì)，開展了野外地質(zhì)調(diào)查，分析研究區(qū)巖性分布及沉積序列，選取7個代表性地質(zhì)點(diǎn)，采集12個新鮮、未風(fēng)化、未受后期改造和充填影響的巖石樣品進(jìn)行詳細(xì)的巖相分析，并將樣品在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所進(jìn)行系統(tǒng)的巖石化學(xué)分析。同時(shí)，本文應(yīng)用I2ELVIS[27]計(jì)算程序來模擬西太平洋板塊俯沖過程，以觀察深部構(gòu)造對長白山地區(qū)火山巖漿及深源地震動力源起因影響。模型設(shè)置主要參數(shù)見表1。

2 研究結(jié)果

在剖面上，樣品自下而上分別為粗面玄武巖、玄武質(zhì)粗面安山巖、粗面玄武巖和玄武巖。樣品主量元素含量見表2。對于熔巖微量元素含量，三類巖石均為右傾的REE配分模式，且含量上玄武巖低于粗面玄武巖和玄武質(zhì)粗面安山巖(表3)。同位素含量在總體上自玄武巖至粗面玄武巖再至玄武質(zhì)粗面安山巖，87Sr/86Sr值和143Nd/144Nd相近(表4)，Sm/Nd全部低于原始地幔的Sm/Nd值(0.325)[28]。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，我們看到西太平洋板塊板塊俯沖全過程(圖2)。俯沖早期大洋板塊在海溝處水化，逐漸俯沖到地幔深處并開始平臥，平臥板塊將水分傳送到遠(yuǎn)離海溝的地幔深處，深部脫水產(chǎn)生，使地幔物質(zhì)濕潤發(fā)生部分熔融，冷的平臥板塊被地幔逐漸加熱，使更多水分脫出，更多周邊地幔被水化和部分熔融，部分熔融產(chǎn)物上升，在遠(yuǎn)離海溝的陸內(nèi)板塊下方形成了巖漿房。

3 分析與討論

將研究區(qū)火山巖與中國東部已知新生代原始巖漿相比較(含超鎂鐵質(zhì)包體，Mg#=60～68，Ni=200～300μg/g和MgO=10%～13%)[28]，得出研究區(qū)玄武質(zhì)熔巖Mg#偏低，且相容元素的金屬過渡元素Ni、Cr、Cu、V對MgO表現(xiàn)出了正相關(guān)性，認(rèn)為研究區(qū)玄武質(zhì)熔巖雖在演化過程中發(fā)生了橄欖石、輝石和基性斜長石結(jié)晶分離作用，但其是起源于地幔條件的原始巖漿。

根據(jù)火山巖可以反映火山源區(qū)特征和構(gòu)造環(huán)境的Sr/Nd、Sm/Nd比值，及Sr、Nd同位素比值的投點(diǎn)位置(圖3)，判斷火山巖源區(qū)的物質(zhì)成分來源于同一地幔源區(qū)，具有似原始地幔的特征，且地幔巖漿源區(qū)具有一定程度的“富集化”。另外圖4中Pb同位素投點(diǎn)落在MORB與EM1之間，與中國東北新生代玄武巖的同位素組成主要由MORB源區(qū)組分和EM1組分混合的假說[29-31]相一致。

根據(jù)特定的前沿化模式，可以計(jì)算得到鉛增長線[32]，將樣品206Pb/204Pb、207Pb/204Pb投影在圖中，投點(diǎn)落地幔和上地殼兩曲線中間，也說明巖漿可能受到上地殼物質(zhì)的混染，但來源于地幔(圖5)。

Nb/Ta比值能反應(yīng)原始巖漿特征。研究區(qū)巖石Nb/Ta之比為14.8～15.8，將其與一些典型環(huán)境的Nb/Ta比值相比較(球粒隕石為18，大陸殼為12～14，大洋中脊玄武巖為16.88，圣海倫斯火山(地幔柱火山)為17.3±2.4，堪察加半島火山(深俯沖帶火山)14.7～18.9和15.4～18.4)[33-36]，認(rèn)為長白山火山類似于勘察加半島深俯沖帶火山，起源可能與太平洋板塊的深俯沖有關(guān)。

表4 玄武質(zhì)熔巖Sr、Nd、Pb同位素分析結(jié)果

圖5 研究區(qū)玄武質(zhì)巖石206Pb/204Pb-207Pb/204Pb圖圖注：圖中曲線上的數(shù)值為距今的時(shí)間(100 Ma)。

動力學(xué)的數(shù)值模擬結(jié)果顯示(圖2)，俯沖的早期板塊在海溝附近彎曲形成張性斷裂或裂縫，海水淋濾或滲透使其水化；俯沖板塊繼續(xù)往下到達(dá)地幔深處660 km相變面附近并開始彎曲，形成了平臥板塊繼續(xù)向前移動，將水分傳送到遠(yuǎn)離海溝(約1 000 km)的深處，平臥板塊開始釋放水分，產(chǎn)生了深部部分熔融，熔融物質(zhì)由于密度小于周邊地幔物質(zhì)而開始上升，在遠(yuǎn)離海溝的大陸板塊下方形成了巖漿房。因此從模擬結(jié)果來看，在遠(yuǎn)離海溝約1 000 km，深660 km位置俯沖板塊是有能力釋放水分，產(chǎn)生部分熔融，形成陸內(nèi)火山作用。

另外，從模型模擬結(jié)果可以觀察到，俯沖板塊在地幔轉(zhuǎn)換帶深度有裂隙或斷裂存在，我們認(rèn)為，以結(jié)構(gòu)水形式存在于無水礦物(NAMs)中的水，在俯沖到達(dá)一定深度時(shí)礦物中水不穩(wěn)定脫出，使板塊脫水致裂(斷層)，能量釋放產(chǎn)生深源地震，同時(shí)脫出的水降低了巖石熔融溫度，增加熔融的程度，逐漸產(chǎn)生巖漿作用和陸內(nèi)火山，這可能也是研究區(qū)內(nèi)深源地震與火山活動表現(xiàn)出相關(guān)性的原因。

4 結(jié)論

本文通過巖石化學(xué)分析手段及地球物理數(shù)值模擬方法，分析了吉林省東部地區(qū)長白山火山巖漿起源和深源地震發(fā)震機(jī)制，得到以下觀點(diǎn)。

(1)長白山火山巖漿在演化過程中可能發(fā)生礦物的結(jié)晶分異，但起源于地幔源區(qū)，并與太平洋板塊深部俯沖有關(guān)。

(2)在遠(yuǎn)離海溝約1 000 km，深600 km位置俯沖的西太平洋板塊有能力發(fā)生深部脫水，產(chǎn)生部分熔融，進(jìn)而形成陸內(nèi)火山巖漿。

(3)俯沖板塊深部脫水產(chǎn)生的裂隙(斷裂)可能是長白山區(qū)深源地震發(fā)震原因，且深源地震與火山作用有一定關(guān)聯(lián)性。

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Influence of the Deep Geological Tectonics on the Volcano and Deep Earthquakes in the East Area of Jilin Province

MA Hanrui1, SHENG Jian2and YANG Qingfu3

(1.InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China; 2.CollegeofTransportationScience&Engineering,NanjingTechUniversity,Nanjing180009,China; 3.EarthquakeAdministrationofJilinProvince,Changchun130117,China)

The east area of Jilin Province has a special tectonic position, in which there are Changbai Mountain volcano and deep-focus earthquakes. The Changbai Mountain volcanoes with a high potential eruption possibility, are one of the most dangerous volcano in China, and the deep earthquake region is one and only in China. So, we investigate the influence of deep geological tectonics on the volcano and deep earthquakes, which has important scientific and practical significances of disaster prevention and reduction. The rock lithological analysis and geodynamics numerical simulation were combined to discuss the origin and formation mechanism of volcano and deep earthquakes. The results show that the magma source is mostly close to primitive mantle and the volcanism is related to the slab deep subduction. The Pacific slab deep dehydration is proposed to be the dynamic source of the intra-plate volcanoes. Dehydration faulting formed during the subduction are considered as the feasible formation mechanisms of the deep earthquakes. Besides, we infer that there is a correlation between volcanism and deep earthquakes in the region.

east area of Jilin province; volcano; deep earthquake; deep geological tectonics

馬晗瑞，盛儉，楊清福.深部構(gòu)造對吉林省東部火山與深震活動影響[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33(1)：44-48.[MA Hanrui, SHENG Jian and YANG Qingfu.Influence of the Deep Geological Tectonics on the Volcano and Deep Earthquakesin the East Area of Jilin Province[J].Journal of Catastrophology，2018，33(1)：44-48.

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.009.]

2017-05-17

2017-07-25

國家自然基金(41404071)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(DQJB17B01)

馬晗瑞(1987-)女，漢族，河南商丘人，博士后，主要從事巖石化學(xué)及地球物理等方面的研究.

E-mail:mahanrui111@163.com

盛儉(1979-)，男，漢族，江蘇吳江人，博士，副教授，主要從事地球動力學(xué)、地震地質(zhì)等方面研究.

E-mail: sj2984@sina.com

X43；P315

A

1000-811X(2018)01-0044-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2018.01.009