長白山天池火山是我國規(guī)模最大、災害性噴發(fā)風險最高的活火山之一。地震活動性數據顯示，長白山天池火山在2002年至2005年間經歷了一次火山擾動事件，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。
火山的噴發(fā)不僅與地殼內部巖漿囊的結構和狀態(tài)直接相關，還與巖石圈和軟流圈地幔巖漿的持續(xù)供給密切相關，這兩者共同構成了火山區(qū)的巖漿系統(tǒng)。通過對巖石圈厚度和速度結構的分析研究，可以揭示火山區(qū)巖漿系統(tǒng)的形態(tài)、結構及賦存狀態(tài)，進而探討火山的深部動力學機制。盡管前人對長白山火山區(qū)下方的速度結構進行了大量的研究，并發(fā)現60至80公里的范圍內存在相對低速的區(qū)域，推測該區(qū)域可能對應于巖石圈與軟流圈的邊界位置，但由于現有巖石圈厚度探測方法的限制，該區(qū)域的具體巖石圈厚度及巖漿系統(tǒng)仍難以評估。
針對這一問題，中國科學院廣州地球化學研究所的博士后張周與其合作導師鄧陽凡研究員、徐義剛研究員及李鑫副研究員等，基于遠震P波接收函數方法和團隊新近發(fā)展的GC_SRF策略，從研究區(qū)內寬頻帶地震臺站（圖1）所記錄的遠震事件波形中提取了穩(wěn)健的P波接收函數和S波接收函數。借助慢度疊加分析、時深轉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，遠離長白山天池火山的區(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，長白山火山西側的巖石圈普遍較厚（約70至90公里），而東側相對較?。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。這些地震學響應特征與全球大型火山區(qū)（如美國黃石公園、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)份的地幔物質上涌導致了巖石圈的局部弱化和地幔熔融，從而形成了長白山火山下方穿巖石圈地幔的巖漿系統(tǒng)；巖漿向上遷移，在地殼內部形成不同深度的巖漿囊；巖漿在地殼淺部的堆積與運移則進一步引發(fā)了不同程度的巖漿活動和火山地震事件（圖3）。
通過對比，本研究認為長白山火山區(qū)穿巖石圈的巖漿系統(tǒng)與全球大型火山區(qū)的地震學特征表現出顯著的相似性，這一認識為理解大型火山的巖漿起源與演化提供了新的視角，同時也為評估長白山天池火山的潛在噴發(fā)風險提供了科學依據。受限于本研究所選臺站覆蓋程度的局限，未來更密集的臺陣布設和觀測將為進一步揭示長白山天池火山的復雜巖石圈結構及深部動力學過程提供更精細的研究資料，并為火山災害的預警和管理提供有力的支持和保障。
該成果發(fā)表在國際知名SCI期刊Geology上。本研究得到國家重點研發(fā)項目(2022YFF0801003)，國家自然科學基金項目 (42322401)，吉林長白山火山國家野外科學觀測研究站開放課題(NORSCBS22-01)和國家資助博士后項目(GZC20232679)等資助。
論文信息：
Zhang,Z. (張周);Deng,Y.* (鄧陽凡);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) 地震臺站分布。遠震P波在32公里處和遠震S波在83公里處的穿透點分別用紅點和藍點表示。CBV，長白山火山；LGV，龍崗火山。
圖2 (a-b)慢度疊加和時間-深度轉換得到的地殼厚度和巖石圈厚度。(c-d)沿 AA'剖面的P波接收函數和S波接收函數疊后深度偏移成像，成像時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。白色圓點為莫霍面轉換震相，白色十字代表巖石圈底界面轉換震相。
圖3 長白山火山區(qū)穿巖石圈的巖漿系統(tǒng)示意圖。高溫的軟流圈物質上涌導致巖石圈底界面（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部不同尺度的巖漿囊，巖漿在淺部地殼的堆積和運移則進一步引發(fā)了不同程度的巖漿活動和火山地震事件。
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