基于COMSOL Multiphysics的长白山天池多物理场耦合响应研究

采用COMSOL Multiphysics建立长白山天池2D多物理场模型,模拟长白山天池流场、自然电位分布及其磁场响应.研究结果表明:天池和大气降水入渗补给地下水,地下水在重力作用下向下流动时,产生电位差,形成自然电场,进而产生磁场.在火山通道外侧,电流密度方向由地表指向地下,通道周边地区磁通量密度呈现高值;在火山通道/断层破碎带内,向下运移的地下水遇到致密岩体后向上补给天池或涌出地表成泉,该过程产生向上运移的电流,电流密度方向由地下指向地表,磁通量密度呈现低值.研究长白山天池多物理场响应,有助于进一步理解长白山天池地区地下水循环过程及电磁异常出现的机理,亦可用于指导火山地区勘查、监测与开发.     

长白山天池火山2015—2022年InSAR变形与活动状态分析

地表形变信息可有效反映火山下岩浆房的活动状态,对于理解火山活动演化过程非常重要。文中利用Sentinel-1A/B的升、降轨影像,采用SBAS InSAR与Stacking InSAR技术,获取了长白山天池火山2015—2022年间的地表形变时间序列及速率,并结合Mogi点源模型反演岩浆房的几何参数,得到的主要结论如下：1)火山口及周围区域整体下沉,火山口附近视线向形变速率约为-4～-2mm/a,远离火山口的局部形变速率可达-6mm/a。2)根据Mogi模型反演的火山下浅层岩浆房深约6km,体积变化率为-3.3×10⁵m³/a,岩浆房位于长白山天池火山口下偏西的位置。3)1992—2022年期间,火山经历了从平静到扰动、再到平静的岩浆活动过程,在2002—2005年监测到明显的地表隆升变形,岩浆房体积显著膨胀,之后岩浆的活动性逐渐减弱。     

岩浆活动与构造应力的相互作用及其与火山活动状态的关系

本文考虑一个包含岩浆囊和火山隆起的三维黏弹性地壳有限元模型,通过数值模拟的方法揭示了岩浆活动与构造应力之间的相互作用.首先,在底部岩浆的持续补给作用下,总结了火山地表形变、应力大小和岩浆囊过剩压力在岩浆补给不同状态下的特征和表象;同时本文研究了构造应力场变化对火山岩浆囊应力的影响,发现10 MPa的板块应力作用能够引起岩浆囊内±1.2~1.6 MPa的压力变化,这个量级足以对岩浆囊形成扰动,从而引发各种火山活动.     

采用有限元等效体力方法数值分析火山区岩浆压力变形源——以长白山火山为例

火山区岩浆压力变形源的反演计算采用解析方法存在难以考虑地形的限制,采用传统有限元方法则存在网格依赖和计算量大的问题,反演过程中每一次正演由于岩浆房位置和大小变化都需要重新生成一次网格,耗费巨大的计算量和网格生成时间.为了克服上述问题,首次在长白山火山区使用"有限元等效体力"方法考虑地形影响反演地下岩浆压力变形源,计算岩浆应力扰动对周边断层稳定性的影响.在火山区地下压力变形源引起的地表形变计算中,地表地形影响不可忽略.埋深越浅,地表最大径向位移u_r所在的位置越靠近岩浆囊中心.当坡度达到30°时,最大垂向位移u_z所在位置不再位于岩浆囊正上方.椭球状岩浆囊压力源可以较好地模拟长白山火山地区2002—2003年间的GPS和水准测量.岩浆房扰动应力场和区域构造应力场的叠加有可能造成天池西部近EW向,天池北部以NW-NNW向为主的现今应力方向.岩浆房压力源引起的库仑应力变化有利于天池火山口NW向震群在空间上主要分布于火山口的西南和东北部.     

Mogi模型在长白山天池火山GNSS监测网布设中的应用

长白山天池火山地球物理探测结果显示,天池火山口附近8-10km深度下存在与高温物质或岩浆囊有关的低速结构。根据这一结果,利用Mogi模型对该深度岩浆囊变形产生的地表形变敏感区进行计算,结果表明,垂直变形敏感区主要集中在火山口周缘,水平变形敏感区位于距火山口中心5．6—7km处,这一结果对建立长白山天池火山GNSS监测网具有参考意义。     

基于InSAR、GPS形变场的长白山地区火山岩浆囊参数模拟研究

利用差分合成孔径雷达干涉测量技术（DInSAR）获取长白山地区的形变场.结果显示1995~1998年期间,位于长白山东南侧的间白山火山存在6~12 cm的视线向形变,而长白山天池火山处于平静期,没有明显形变.利用2002~2003年的GPS和水准获取的形变数据,分别采用Mogi单源、双源模型反演了长白山地区火山的岩浆囊参数.其中双源模型拟合效果较为理想,两个点源一个位于长白山天池老火山口下方7.9 km处,另一个位于间白山火山下方5.5 km处.对双源模型反演得到的岩浆囊参数进行适当调整,拟合得到与InSAR形变场基本吻合的结果.上述研究结果表明长白山地区火山活动存在时间上的间歇性和空间上的迁移性,为进一步研究长白山地区火山活动机制提供了参考和依据.     

用形变资料分析腾冲火山区岩浆的活动特征

联合1998~2004年的五期水准测量资料以及2002~2004年的GPS观测成果,分析了腾冲火山区岩浆的活动特征。垂直形变资料显示,火山区南部发生较明显下降,这可能是由岩浆和水的流失及放气等原因引起;水平形变资料显示,以固东—腾冲断裂(F2)的西支为界,断层两盘分别向东、西两个方向运动,断层活动表现出明显的拉张特征;综合分析表明,岩浆可能沿断层从南部向北部运移,并在断层内重新聚集形成岩墙;垂直形变的多个极值区以及水平位移的不规则性表明,火山区岩浆体不很规则或有多个岩浆囊体存在;从形变量大小分析,岩浆的活动量远小于中等程度火山喷发的质量,表明火山近期喷发的危险性较小。     

长白山天池火山的岩浆演化

长白山天池火山是由包括造盾阶段的玄武质岩石、造锥阶段和近代的粗面岩和碱流岩组成的 .REE ,不相容元素和Sr,Nd ,Pb同位素研究认为 ,不同阶段的岩石具有共同的岩浆成因与紧密的演化关系 ,其中结晶分异作用起了关键性作用 .玄武质粗安岩浆与碱流岩浆的共喷发表明天池下面存在地壳岩浆房和地幔岩浆房 .     

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InSAR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.     

空间大地测量技术在火山形变监测中的应用

岩浆活动的不同阶段引起地表变化不同。地表形变受压力源大小、形状、深度及岩浆运移速率等影响;另外火山类型不同,地形不同,形变特征也不同。地表形变幅度范围很大,为1×10-7—1米量级。火山区形变监测可以了解火山活动状态,有助于进行喷发危险性的预测预报。形变监测从20世纪60年代的传统技术逐渐过渡到20世纪90年代发展起来的GNSS和InSAR等大地测量新技术,火山区形变时空监测能力得到提高,同时缩短了预测时间。我国火山形变监测开始较晚,现已在长白山天池、腾冲以及海南等主要火山区开展监测。传统的连续测量以地倾斜观测为主;新技术主要以流动GNSS监测为主,连续观测站少,InSAR技术研究时间密度不够;目前形变监测还不能实现很好的时空覆盖。     

火山活动状态及其机理的初步探讨

根据火山喷发实例总结了火山喷发在不同阶段的活动状态,并探讨了可能的物理机理。火山活动从岩浆补给到岩浆喷发的物理过程可分为3个阶段:1)岩浆补给阶段,岩浆囊压力差或过剩压力的大小决定了火山活动是否休眠或扰动,岩浆补给速率对压力差起了决定性的作用;2)通道形成阶段,当过剩压力超过围岩破裂强度时,围岩开始破裂,之后水热活动起了重要的作用;3)岩浆运移与失稳喷发阶段,主要是岩浆运移与地壳盖层的相互作用与失稳的过程。文中还讨论了火山活动状态与火山喷发危险性等级之间的关系,7个危险性等级分别对应于火山活动的7种状态,即休眠、平静、扰动、动荡、临界、活动、灾变     

铜陵矿集区浅层含矿岩浆输运网络与运移机制

研究证实铜陵矿集区燕山期岩浆浅表侵入导致了大规模成矿作用, 成矿期区域中部-10 km处存在一个隐伏岩浆房, 成矿岩浆由此处产生并向上运移, 然浅层成矿岩浆输运网络与运移机制这个与成矿作用密切相关问题的探索仍有待深入. 构造力学、分形统计和地质事实综合分析表明北东向高角度褶皱相关断层及棋盘格状基底断裂系是岩浆由浅层岩浆房向盖层褶皱系输运的主要通道, 褶皱核部的虚脱部位是岩浆主要就位空间. 因而, 上褶-下断的构造网络为浅层岩浆的导流-定位系统. 多层结构地质体在变形过程中, 上部地层受下部地层顶托更趋于发生褶皱, 下部地层承受上部地层的载荷易发生断裂, 当下部地层岩石力学强度高于上部时, 上褶-下断构造组合的发育概率会更为增加. 由于存在导流网络, 浅部岩浆房顶部的富含挥发份岩浆以“岩脉式”快速向表层输运, 定位于褶皱虚脱空间中, 并快速充填和改造就位空间; 岩浆顶部的挥发份物质因压力骤降而发生隐爆, 引发多相流体不混溶以及大量成矿元素富集. 脉动式岩脉活动可能是导致铜陵矿集区岩浆岩化学成分互有差异且时空上紧密伴生的主要因素.     

地球热平衡机制与地壳运动及地震预报的探讨

震前温度异常升高表明了地球内部热能在震区集聚的事实,这是理解判断地震成因和发震机制的关键所在. 根据地壳中存在局部热能集聚和岩层突然大幅升温的事实,推断火山喷发与地震发生过程的机制原理:①火山喷发过程:地幔物质岩浆上涌,在靠近地表的岩层中形成岩浆包或岩浆房并持续扩大体积融化周围岩层,最终从某一点或几点冲出地表,形成火山喷发.     

长白山火山的历史与演化

长白山火山跨越中朝两国,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,火山活动从上新世持续到近代,是我国最大的第四纪火山分布区。长白山火山的母岩浆是钾质粗面玄武岩,将长白山火山岩区称钾质粗面玄武岩省,岩浆结晶分异作用和混合作用主导了岩浆演化过程。天池火山之下地壳岩浆房和地幔岩浆房具双动式喷发特点,一方面来自地幔的钾质粗厨玄武岩浆直接喷出地表;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,导致双峰式火山岩分布特征和触发千年大喷发。西太平洋板块俯冲-东北亚大陆弧后引张是长白山火山活动的动力学机制。     

2002年夏季长白山天池火山区的地震活动研究

2002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2002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,2002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2002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.     

以垂直形变资料反演腾冲火山区岩浆活动性的初步研究

根据腾冲火山区67个精密水准测点的4期实测垂直形变资料,和对该火山区已有的地质和地球物理工作的分析,参考了由层析成像推测的腾冲火山岩浆系统动力模型,利用Mogi模型对岩浆房的大小和空间位置进行了最小二乘法反演的初步研究。对4期资料分别进行了形变差的反演计算,所得初步结果表明岩浆活动源比较分散,可能存在3个表示岩浆流入引起地面上升的上升源,和2个表示岩浆流出到断层中引起地面下降的下降源。上升源位置大致沿北东走向的断层分布。而下降源位置则在测区东南一侧,等效岩浆源的深度在6～4km之间,与小震震源的深度大致相符。4年来岩浆活动量约为10^6m^3,量级与国外已喷发的火山相比处于较低活动水平．     

利用SBAS-InSAR技术研究印尼Agung火山的形变特征与岩浆房参数

基于ALOS PALSAR影像,利用小基线集合成孔径雷达干涉测量技术,提取了位于印度尼西亚巴厘岛的Agung火山2007 ～ 2009年的地表形变时间序列,并基于Mogi点源模型和竖直椭球体模型反演了岩浆房参数.结果表明:Agung火山地区大气延迟相位干扰较严重,Agung火山在2007～2009年发生了较明显的隆升形变,且与时间呈正相关.竖直椭球体模型能够更好地拟合InSAR形变场,岩浆房位于火山体下方约5 km处.SBAS-InSAR结果表明,应加强跟踪监测Agung火山的潜在喷发危险性.     

基于ArcGis建模分析圈定腾冲火山潜在喷发危险区域

火山是基于充足的岩浆源、通畅的岩浆通道及较高的岩浆温度形成的,同时受地形、岩性及历史火山喷发条件等因素的控制。结合前人的研究成果,以岩浆房、断层和岩浆温度为主要因素,同时以岩性、应力、应变及火山分布为辅助因素,利用Arc Gis中的Modelbuilder工具进行建模分析,并将每种因素按危险程度分9个等级,通过加权叠加,得出腾冲地区火山喷发危险区域等级图,从而圈定了该地区潜在的火山喷发危险区域,并且根据图中颜色的变化直观地显示出各地区的喷发危险程度。建模研究结果表明,目前最危险的地区是荷花—马鞍山—上庄一带的断层附近;其次分别是曲石—焦山—大坡头、腾冲—清水—荷花、五合—团田一带的断层附近。为预测未来火山喷发可能性提供了理论依据。     

三维数值模拟研究俯冲区火山的时空活动性

俯冲板块的深部脱水使得上覆地幔含水, 从而降低含水地幔的熔点, 导致上覆地幔部分熔融。 部分熔融的地幔柱一旦喷发到地表就是俯冲带火山, 也形成新的地壳。 相对于周围的地幔来讲, 具有较小密度和黏度的部分熔融地幔的时空活动性就控制着俯冲带火山的时空分布特征。 本文主要回顾近年来运用三维热力学岩石力学模型数值模拟研究与板片脱水相关的俯冲带火山活动的时空分布特性。 结果表明, 部分熔融地幔的有效黏度和密度是影响俯冲板片之上的三维地幔柱横向分布特征的主要因素。 高黏度的部分熔融地幔(10²⁰~10²¹ Pa·s )易于形成近平行于海沟的、 长波长(70~100 km)的、 薄的波状地幔柱; 低黏度(10¹⁸~10¹⁹ Pa·s )的熔融地幔易于形成平行于海沟的, 短波长(30~50 km)的蘑菇状地幔柱和垂直于海沟的山脊状地幔柱。 当部分熔融地幔和周围地幔的密度相差小于50 kg/m³时, 在俯冲板片之上只能形成长波长低幅度(宽50~100 km, 高10~15 km)的地幔山丘。 岩浆产率随着时间的变化反映了火山活动的生命周期性。 板块俯冲速度会影响地幔柱形成的深度和范围大小。 高效率熔融提取会增加新地壳增长总量。 低的板块俯冲速度和低的熔融提取效率会增加上地壳(花岗岩质)和中地壳(英安岩质)化学成分的比例。 数值模拟结果可以很好地解释如日本东北、 新西兰、 南阿拉斯加俯冲区火山的横向分布特征。