長(zhǎng)白山天池火山是我國(guó)規(guī)模最大、災(zāi)害性噴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)最高的活火山之一。地震活動(dòng)性數(shù)據(jù)顯示，長(zhǎng)白山天池火山在2002年至2005年間經(jīng)歷了一次火山擾動(dòng)事件，而在2020年底至2021年初又發(fā)生了火山震群事件，表明其仍具有極高的潛在噴發(fā)危險(xiǎn)。
火山的噴發(fā)不僅與地殼內(nèi)部巖漿囊的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)直接相關(guān)，還與巖石圈和軟流圈地幔巖漿的持續(xù)供給密切相關(guān)，這兩者共同構(gòu)成了火山區(qū)的巖漿系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)巖石圈厚度和速度結(jié)構(gòu)的分析研究，可以揭示火山區(qū)巖漿系統(tǒng)的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及賦存狀態(tài)，進(jìn)而探討火山的深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制。盡管前人對(duì)長(zhǎng)白山火山區(qū)下方的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，并發(fā)現(xiàn)60至80公里的范圍內(nèi)存在相對(duì)低速的區(qū)域，推測(cè)該區(qū)域可能對(duì)應(yīng)于巖石圈與軟流圈的邊界位置，但由于現(xiàn)有巖石圈厚度探測(cè)方法的限制，該區(qū)域的具體巖石圈厚度及巖漿系統(tǒng)仍難以評(píng)估。
針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的博士后張周與其合作導(dǎo)師鄧陽(yáng)凡研究員、徐義剛研究員及李鑫副研究員等，基于遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)方法和團(tuán)隊(duì)新近發(fā)展的GC_SRF策略，從研究區(qū)內(nèi)寬頻帶地震臺(tái)站（圖1）所記錄的遠(yuǎn)震事件波形中提取了穩(wěn)健的P波接收函數(shù)和S波接收函數(shù)。借助慢度疊加分析、時(shí)深轉(zhuǎn)換和疊后深度偏移成像等流程，成功揭示了該地區(qū)的地殼厚度和巖石圈厚度（圖2）。研究表明，遠(yuǎn)離長(zhǎng)白山天池火山的區(qū)域地殼較?。?5至35公里），而靠近火山的區(qū)域則地殼較厚（40至45公里）。此外，長(zhǎng)白山火山西側(cè)的巖石圈普遍較厚（約70至90公里），而東側(cè)相對(duì)較?。s60公里）。莫霍面和巖石圈底界面的振幅在火山區(qū)下方均出現(xiàn)一定程度的弱化，弱化寬度分別為80公里和200公里。這些地震學(xué)響應(yīng)特征與全球大型火山區(qū)（如美國(guó)黃石公園、新西蘭陶波火山和印尼托巴火山）的巖漿系統(tǒng)具有顯著的相似性，均表現(xiàn)出地殼增厚、莫霍面和巖石圈底界面振幅減弱的特征。綜合研究結(jié)果顯示，在太平洋板塊持續(xù)俯沖的背景下，高溫和含揮發(fā)份的地幔物質(zhì)上涌導(dǎo)致了巖石圈的局部弱化和地幔熔融，從而形成了長(zhǎng)白山火山下方穿巖石圈地幔的巖漿系統(tǒng)；巖漿向上遷移，在地殼內(nèi)部形成不同深度的巖漿囊；巖漿在地殼淺部的堆積與運(yùn)移則進(jìn)一步引發(fā)了不同程度的巖漿活動(dòng)和火山地震事件（圖3）。
通過(guò)對(duì)比，本研究認(rèn)為長(zhǎng)白山火山區(qū)穿巖石圈的巖漿系統(tǒng)與全球大型火山區(qū)的地震學(xué)特征表現(xiàn)出顯著的相似性，這一認(rèn)識(shí)為理解大型火山的巖漿起源與演化提供了新的視角，同時(shí)也為評(píng)估長(zhǎng)白山天池火山的潛在噴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。受限于本研究所選臺(tái)站覆蓋程度的局限，未來(lái)更密集的臺(tái)陣布設(shè)和觀測(cè)將為進(jìn)一步揭示長(zhǎng)白山天池火山的復(fù)雜巖石圈結(jié)構(gòu)及深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供更精細(xì)的研究資料，并為火山災(zāi)害的預(yù)警和管理提供有力的支持和保障。
該成果發(fā)表在國(guó)際知名SCI期刊Geology上。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2022YFF0801003)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (42322401)，吉林長(zhǎng)白山火山國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站開(kāi)放課題(NORSCBS22-01)和國(guó)家資助博士后項(xiàng)目(GZC20232679)等資助。
論文信息：
Zhang,Z. (張周);Deng,Y.* (鄧陽(yáng)凡);Xu,Y-G. (徐義剛);Li,X. (李鑫) (2024),A translithospheric magmatic system revealed beneath Changbaishan volcano.?Geology,52 (10):742-746.,https://doi.org/10.1130/G52242.1.
圖1 (a) 長(zhǎng)白山火山及其鄰近地區(qū)的地形。紅色等值線表示俯沖的太平洋板塊深度。(b) 地震臺(tái)站分布。遠(yuǎn)震P波在32公里處和遠(yuǎn)震S波在83公里處的穿透點(diǎn)分別用紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)表示。CBV，長(zhǎng)白山火山；LGV，龍崗火山。
圖2 (a-b)慢度疊加和時(shí)間-深度轉(zhuǎn)換得到的地殼厚度和巖石圈厚度。(c-d)沿 AA'剖面的P波接收函數(shù)和S波接收函數(shù)疊后深度偏移成像，成像時(shí)考慮了不同的頻率范圍，其中P波為 0.03-1 Hz，S波為 0.03-0.5 Hz。白色圓點(diǎn)為莫霍面轉(zhuǎn)換震相，白色十字代表巖石圈底界面轉(zhuǎn)換震相。
圖3 長(zhǎng)白山火山區(qū)穿巖石圈的巖漿系統(tǒng)示意圖。高溫的軟流圈物質(zhì)上涌導(dǎo)致巖石圈底界面（LAB）和莫霍面(Moho)發(fā)生不同程度弱化，底侵下地殼并形成地殼內(nèi)部不同尺度的巖漿囊，巖漿在淺部地殼的堆積和運(yùn)移則進(jìn)一步引發(fā)了不同程度的巖漿活動(dòng)和火山地震事件。
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