0 引言

长白山天池火山位于中朝边境, 是中国最具潜在灾害性喷发危险的活火山(刘若新等, 1992)。2002~2005年, 天池火山经历了一次火山扰动事件。该事件的主要特征为火山锥体加速抬升膨胀, 火山气体各项指标异常, 火山地震活动急剧上升, 最大一次地震事件为天池火山口内部的M_L3.8构造型地震(刘国明等, 2011；Wei et al, 2013；Xu et al, 2012；Zhang et al, 2018；吴建平等, 2005)。

吕政等(2007)研究了长白山天池火山地震与西太平洋板块俯冲带中源(60~300km)地震和深源(>300km)地震的关系, 通过比较俯冲带中、深源地震的发生时间和火山地震的年发生率, 认为长白山火山区发生的震群活动可能是由俯冲带中、深源地震触发的。Liu等(2017)研究了长白山火山区微震活动与浅源大地震的触发关系, 发现一些大远震(如2004年苏门答腊M_W9.2地震和2011年日本M_W9.1地震)的大振幅面波动态触发了天池火山区微震活动。

2002~2007年, 吴建平等(2003、2005、2007)在长白山天池火山布设了15个流动地震监测子台监测火山地震活动(图 1(b)), 监测时间段为每年的6~10月。在长白山天池火山扰动期间, 记录并定位了大量的VT型火山地震事件, 同时还记录到38个HS型火山地震, 但在季节性地震观测过程中并未发现LP型火山地震或者火山颤动事件(吴建平等, 2005、2007；明跃红等, 2007)。通过对火山地震进行精定位, 吴建平等(2005、2007)推测在长白山火山锥体下方5km左右处可能存在浅部岩浆房, 该结论与层析成像和大地电磁测深等观测结果基本一致(Chen et al, 2019；仇根根等, 2014；Tian et al, 2016；Zhao et al, 2009)。

本文基于模板匹配技术获得了更完整和准确的火山地震目录(Shelly et al, 2007；Peng et al, 2009), 并试图回答与火山扰动有关的2个重要问题, 一是2002年汪清深源地震与火山扰动之间是否存在触发关系；二是2002~2005年火山扰动期间数千次VT地震中是否存在LP信号(LP事件或火山震颤)及其可能的机制。

1 数据和方法

长白山天池火山监测站(CHVO)于1999年7月建成并投入监测, 1999年7月~2007年7月, CHVO共有6个地震台开展连续地震监测(图 1(b))。其中长白山站地震台(CBS台)位于距离火山口3km的观测山洞内, 使用宽频带地震记录仪, 是观测记录连续率最好、数据质量最高的1个地震台, 完整记录了火山扰动的全过程。其他5个地震台由于观测条件欠佳等原因, 记录并不完整。吴建平等(2005、2007)利用流动观测获得的波形数据, 对2002~2007年夏季长白山天池火山附近的地震进行了系统的定位, 但由于流动观测时间仅为每年的夏季, 其观测结果并不能代表扰动期间完整的地震活动过程。由于CBS台记录到了完整连续的火山扰动过程, 且距离火山口最近, 可以记录到发生在火山口内的微震信号, 因此认为以CBS单台火山地震记录为参考获得的火山地震目录, 能更加真实地反映扰动期间的地震活动, 缺点是单台定位的结果误差较大。为了更好地认识扰动事件期间的地震活动性, 以吴建平等(2005)流动观测资料获得的部分地震定位结果为模板, 同时收集了吉林省地震目录中部分火山地震定位结果, 应用匹配滤波技术, 对CBS台的单台地震连续记录开展了检测和定位工作, 结合其他台站的资料对部分地震进行了定位(图 1(b))。然后, 以检测和定位结果为依据, 分析长白山天池火山岩浆扰动期间的地震活动特征, 并对这些火山地震的形成机制进行讨论。

本文地震检测使用的软件为M&L地震检测和定位软件(Zhang et al, 2015a)。与传统的匹配滤波方法类似, M&L方法对多个台站分量记录到的模板波形与连续波形进行互相关叠加, 并进行微震检测。在互相关叠加前, 对模板周围的三维空间进行搜索, 计算模板与微震的每个可能位置之间的走时差；然后按照走时差对互相关波形进行走时矫正和叠加；最后, 在每个台站分量上, 将模板事件的参考震相与连续数据进行滑动互相关。当平均相关系数和信噪比超过阈值时, 认为检测到1个微震, 并且将位置确定在最大相关系数的格点位置。一旦检测到地震事件, 根据所有台站分量中参考震相的振幅比中位数确定其震级(Zhang et al, 2015a)。与传统的匹配滤波技术(Matched-filter technique)相比, 该方法综合了震源扫描叠加和匹配滤波等2种方法的优点, 地震检测结果不完全依赖于模板事件, 具有较高的地震检测效率和地震定位精度。近年来, 该方法在地震前震探寻、火山区微地震检测、小当量非天然地震事件检测等方面获得了广泛的应用(Zhang et al, 2013、2015a、2015b)。

在本次研究中, 我们仅使用CBS单台三分量的波形数据, 不需要执行M&L软件的格点搜索。为了放大火山地震的信号, 对模板波形和连续波形均进行了2~8Hz带通滤波。在连续扫描过程中, 使用互相关系数和信噪比2个阀值, 当一段连续波形和模板波形之间的互相关系数大于7.8且其信噪比大于10时, 则认为检测到了1个火山地震。相关系数和信噪比的阀值选定对于检测结果影响较大, 阀值过高有可能导致漏掉一些地震信号；反之, 则有可能误检到一些干扰信号。因此, 要对照原始波形和检出目录, 反复调整阀值参数, 最终确定最优的相关系数和信噪比阀值。对于新检出的事件, 用模板事件的位置代表检出事件的位置。

本次检测使用自动与手动识别相结合的方式, 首先选择50个P波清晰的事件作为初始检测模板。在连续波形扫描过程中, 对比长白山火山站提供的火山地震目录(以下简称旧目录)和检出事件目录, 如果检出目录中未包含某个旧目录中的事件, 则立即停止扫描程序, 人工开始检查该时间的连续波形数据, 如果确认其为1个火山地震事件, 则将其添加至模板目录, 并通过新的模板数据集重新开始扫描连续波形；如果其非1个火山地震事件, 则在人工识别目录中做误识别事件的标记, 并继续进行扫描。不断重复上述过程, 直到完成全部检测。

2 观测结果

1999~2007年, 长白山天池火山监测站提供的人工识别火山地震目录(旧目录)共包含3427个火山地震事件。本次研究共获得了3763个火山地震事件(以下简称新目录)。在制作模板的过程中, 我们对旧目录中的地震事件全部进行了重新检查, 发现旧目录中存在1661个误识别的非火山地震事件。这些被误识别的事件主要由2类信号组成：爆破信号和干扰信号(图 2(a)、2(b))。

2.1 2002年汪清深震对长白山天池火山的影响

北京时间2002年6月29日01时19分25秒吉林省汪清市发生M7.2深源地震, 震源深度566km, 震中距离长白山天池火山口仅289km。在地震发生前, 旧火山地震目录存在多个误识别的地震信号, 本次研究对这些识别的信号进行了剔除, 并在地震后检测出多个旧目录中并不包含的清晰的地震信号(图 3)。2002年7月5日, 即地震发生7天后, 长白山火山区地震活动明显增加。

2.2 长周期事件和谐频事件

我们用CBS台连续地震波形重新检查了明跃红等(2007)在长白山火山扰动期间记录到的谐频事件(HS), 并将记录清晰的HS事件制作成模板, 进一步在CBS台连续波形上扫描检测HS事件。与明跃红等(2007)的检测结果相比, CBS台记录的连续波形覆盖了全部火山扰动时间段, 检测结果更具有代表性。本次工作共检测到125个谐频事件(图 4), 约为明跃红等(2007)检测出的HS事件数量(38个)的3倍。

在制作模板前, 对旧目录中的全部事件进行了重新核实, 并发现具有明显低频特征的事件, 这些主频处于2~3Hz的事件为长周期火山地震(LP)。之后, 将发现的LP事件制作成模板, 并重新在连续波形上进行扫描检测, 最终得到20个LP事件(图 5)。

3 讨论 3.1 汪清深源地震对长白山火山区微震活动可能的触发机制

俯冲带强震触发火山活动的事件已被逐渐接受(Harris et al, 2007；Farías et al, 2014)。在本次研究时间段内(1999年7月~2007年7月), 天池周边500km范围内共发生深源地震12次。对于每个深源地震, 我们首先对Z分量波形去除了仪器响应, 然后进行1Hz低通滤波, 以去除台站附近高频信号和体波信号的干扰, 参照Liu等(2017)和Peng等(2010)中计算峰值地动速度(PGV)的方法, 计算了每个深源地震的峰值地动速度(表 1, 图 6)。2002年6月29日汪清M7.2深源地震的PGV高达14751μm/s, 是其他深源地震的2~3倍。

近年来, β统计值被广泛用于研究1个地震事件对另一地区地震活动的触发关系。通常情况下, 如果β统计值大于1.96, 则认为触发关系具有明显的统计意义, β统计值越大, 触发关系越明显(Matthews et al, 1988；Gomberg et al, 2001；Hill et al, 2007；Peng et al, 2010；Aron et al, 2009；Liu et al, 2017)。计算统计值β的公式如下

$ \beta=\frac{N_{a}-N\left(T_{a}-T\right)}{\sqrt{N\left(\frac{T_{a}}{T}\right)\left(1-\frac{T_{a}}{T}\right)}} $

(1)

式中, T_a为触发时间窗的长度, T为全部时间长度, N_a和N分别为触发时间窗内和全部时间段内地震的数量。

通过旧目录和新目录, 分别计算了2002年6月29日汪清M7.2深源地震在长白山天池火山的β统计值, 全部时间段选择2个月, 触发时间窗选择主震发生后1个月。旧目录计算的β统计值为2.36, 新目录计算的β统计值为7.39(图 7)。新、旧目录计算出的β统计值均大于2, 表明2002年6月29日汪清M7.2深源地震对长白山火山区微震活动存在明显的触发关系。而新目录计算出的β统计值是旧目录的3倍以上, 表明本次扫描获得的新目录更全面可靠。新目录计算出的β统计值表明, 此次深源地震对长白山天池火山活动具有明显的触发作用。

2002~2005年长白山火山区应力状态高度集中, 对外部应力波动敏感(Liu et al, 2017)。通过上述对β统计值的分析, 认为在2002年6月29日M7.2汪清深源地震发生后的第7天, 长白山火山区地震活动性明显加强, 即汪清深源地震延迟7天触发了长白山火山区地震活动。

3.2 LP事件和HS事件可能的岩浆房位置

典型的VT型火山震具有明显的P波和S波, 主频介于5~15Hz, 而LP事件通常主频介于0.5~5Hz, 没有明显的S波(Chouet, 1996；McNutt, 2002)。HS型地震的主要特征是频谱中有2个以上明显的简谐波, 同样没有明显的S波(Hough et al, 2000)。LP事件和HS事件的发震机制均与流体运移活动相关, 一些学者也将二者视为同一种类型的火山事件(Hough et al, 2000；Kumagai et al, 2002；Molina et al, 2008)。

火山扰动期间发生的LP和HS型地震的震级较小, 且地震监测台网的密度稀疏, 因而难以对这些事件实现定位。在20个检测到的LP型事件中, 仅有2个LP型地震被多台地震仪同时记录到。对地震进行定位后发现(图 1(b)), 这2个LP型地震均发生于天池北侧长白山峡谷附近, 震源深度仅0.5km。以明跃红等(2007)检测到的38个HS事件为模板, 对火山扰动期间CBS台的连续记录进行扫描, 最终获得了125个HS事件。检测到事件的震源位置使用模板事件的震源位置, 这些HS事件全部发生在天池火山口内部, 震源深度均小于5km。

LP和HS型火山地震通常与流体(岩浆或水)运移过程有关, 是火山喷发前的重要前兆指示信号。长白山天池火山扰动期间记录到的LP、HS及VT型地震的震源均发生在距离地表 5km之内的深度范围, 据此推测长白山天池火山上地壳岩浆房顶部深度可能在5km左右, 这与吴建平等(2005、2007)和明跃红等(2007)等得到的结论一致。

3.3 长白山天池火山扰动机制模型

本研究提出“深震-火山能量传递模型”, 解释长白山天池火山2002~2005年火山扰动事件的动力学机制：2002年6月29日汪清M7.2深源地震导致地幔岩浆房升压, 深部岩浆沿着岩浆通道上升到地壳岩浆房(10km左右深度)。岩浆混合脱气作用释放的火山气体使岩浆房顶部围岩产生压力波动并发生微破裂, 随着火山气体的释放, 地壳岩浆房中压力逐渐降低, 而随着岩浆中微气泡的重新发育, 岩浆房的压力会逐渐恢复(Nishimura, 2004)。LP和HS事件可能是火山气体和浅层地下水填充岩浆房顶部裂隙并产生共振时激发的信号。这种岩浆注入(升压)—释放气泡产生微破裂(减压)—新气泡发育(升压)的过程往复循环, 直至浅部岩浆房达到平衡态, 深部岩浆不再有新鲜岩浆注入, 火山扰动逐渐结束。

4 结论

(1) 2002~2005年, 长白山天池火山经历了1次火山扰动过程。通过匹配滤波技术, 对1999~2007年扰动事件前后长白山台单台三分量地震观测数据进行模板扫描, 获得3763个清晰的火山地震事件, 其中HS事件125个, VT事件3618个, 并首次发现LP事件20个。

(2) 2002年6月29日汪清M7.2深源地震对长白山天池火山扰动事件有明显的触发作用。强震导致区域应力场发生变化, 地幔岩浆房受到应力干扰, 其岩浆侵入至地壳岩浆房, 岩浆混合脱气作用造成岩浆房内部及顶部岩层发生应力波动, 并引发多种类型的火山地震。提出“深震-火山能量传递模型”解释深源地震引发火山扰动的动力学机制。