0 引言

根据地震学研究(王伟涛等，2011；Machacca et al，2023；Wellik et al，2021)，重复地震(Repeating Earthquakes)是指在震源位置与震源机制相近的条件下，波形特征具有显著相似性的系列地震事件。这类地震序列通常构成一个地震家族(Earthquake Family)，其成因与断层活动、岩浆侵入等地质过程密切相关。重复地震的识别与监测为研究地震孕育过程及火山喷发机制提供了重要手段，已成为地球科学领域的研究热点之一。

火山区家族地震的发生机制有很多，包括深部升压或岩浆通道打开过程中产生的脆性破裂，即构造型火山地震(VT)，浅部流体运移过程中产生的长周期(LP)事件，浅部岩浆与水交互作用及火山气体释放过程均可产生火山地震事件。

火山喷发前通常伴随以地震活动显著增强为特征的火山扰动，因此地震监测始终是火山喷发预测的核心技术手段。当前，火山地震学方法主要基于以下参数实现喷发预测：地震活动性参数(频次、持续时间等)的动态变化，地震波能量释放率的时序演化特征，火山地震类型(VT型/LP型/混合型)的转换规律，震源空间分布的三维迁移模式，实时振幅-频率特性分析。这些方法在全球多个火山系统的喷发预测中取得了显著成效。值得注意的是，火山喷发的物理机制具有高度复杂性，部分火山事件表现出非常规地震活动模式。典型案例为2017年阿贡火山喷发(Wellik et al，2021)，其喷发前30天出现火山地震活动水平异常衰减现象，导致监测机构误判火山活动趋势并下调预警等级。

在家族地震研究领域中，地震序列的时间演化特征能够有效揭示火山构造应力场的动态变化及岩浆通道的开启过程。该方法通过分析地震事件的能量释放模式、震源机制相似性及空间分布特征，可构建火山系统的应力状态演化模型，为传统地震监测方法提供重要补充，显著提升火山活动状态评估的准确性，有效减少火山活动趋势误判。

近年来，重复地震(Repeating Earthquake)监测技术在火山活动预测领域取得重大突破，其成功案例涵盖多个典型火山系统(Arámbula-Mendoza et al，2011；Thelen et al，2011；Buurman et al，2013；Rodgers et al，2013；Massin et al，2013)。该技术通过识别具有相似波形特征的地震序列，为解析火山内部物理过程提供了高精度时空约束，已成为火山地震学研究的前沿方向。

地震丛集率(Earthquake Clustering Rate)是指研究区重复地震数量在总地震数量中所占的百分比。据统计，火山活动过程中的地震丛集率范围约为20%~60%，构造活动过程中的地震丛集率范围约为70%~90%，既不属于火山活动又不属于构造活动的地震丛集率通常小于20%，因而可根据地震丛集率分析判断研究区地震活动的成因机制(Massin et al，2013)。以黄石火山为例，其震群活动中包含大量的重复地震事件。研究表明，这些重复地震的时空分布模式与火山活动阶段具有强相关性：1985年震群后期的重复地震丛集率异常升高，反映了热液流体系统的局部压力调整；2008—2009年黄石震群在丛集率、地震序列特征以及迁移特性等方面均发生变化，与其他震群存在明显差异，揭示了岩浆房膨胀—收缩过程中区域应力场的动态演化(Massin et al，2013)。

里道特火山于2009年12月和2010年4月发生火山VT型震群活动，通过重复地震研究发现，两次震群事件的地震家族与历史喷发期的VT型地震家族基本相同，表明两次震群活动具有同源性，与岩浆活动有关；丛集率变化曲线与岩浆通道压力波动模型高度吻合；地震家族(Earthquake Families)的能量释放模式显示岩浆系统处于持续活跃状态(Buurman et al，2013)。

家族地震研究为火山活动状态评估提供了新范式，通过建立重复地震序列的时空演化模型，不仅能够识别岩浆活动的阶段性特征，还可预测潜在喷发风险。这一技术突破已成功应用于火山预警决策支持系统，显著提升了灾害预判的科学性与时效性(Buurman et al，2013)。

吉林省长白山天池火山监测站于1999年建成并投入使用，20多年来共记录到两次火山扰动事件。第一次火山扰动发生在2002年7月5日至2005年7月7日(Liu et al，2021)，主要特征为火山地震活动性急剧增强(Liu et al，2021；Xu et al，2012；吴建平等，2005)，火山锥体发生明显加速膨胀和隆升(Xu et al，2012；Pan et al，2021；李克等，2009)以及火山气体释放量增强(Xu et al，2012；高玲等，2006)。火山扰动发生前，2002年6月29日1时19分吉林省汪清县发生M_W7.3地震，震源深度540km，震中距离长白山天池火山口约290km，7月5日长白山天池火山微震活动急剧增加。Liu等(2021)研究认为，2002年汪清深震导致深部岩浆房应力增强并向浅层岩浆房补给，激发了震群活动，从而延迟触发了天池火山扰动。2005年7月，火山扰动结束，长白山天池火山进入平静状态；在经历了15年的平静期后，天池火山再次出现火山扰动现象。2020年12月22日，在一天的时间内发生了38次火山地震事件，最大震级为M_L1.1，火山微震活动一直持续到2021年6月28日。与地震活动相对应，InSAR观测结果也监测到火山锥体的异常上升现象(Trasatti et al，2021；Wei et al，2024)。刘国明等(2022)研究认为，2020年12月22日至2021年6月28日，长白山天池火山发生了一次低水平火山扰动事件，主要表现为超过背景水平的火山微震活动和火山锥体异常变形，但此次低水平火山扰动的机制尚不明确。

本文首次建立了长白山火山家族地震演化与扰动机理的定量关联，提出地震丛集率与震源深度分布可作为判别火山扰动类型的关键指标，为该火山未来活动状态评估提供了新的地震学依据，同时有助于深化对板内火山扰动物理机制的认识。

1 数据与方法 1.1 数据选取

经过二十余年的持续建设，长白山天池火山地震监测台网已形成覆盖火山区及周边区域的高密度观测体系。截至2025年，台网规模扩展至15个地震子台，其中火山口10km核心监测区部署5个关键子台(CBS、QXZ、WDT、JJT、NKH)，如 图 1(a)所示。该布局显著提升了火山地震事件的监测能力。

CBS台使用宽频带地震计开展连续地震监测，是连续监测时间最长、连续率最高、距离火山口最近的一个子台，数据具有较高的观测质量(图 1(b))。本文应用CBS台连续地震观测数据开展长白山天池火山区家族地震检测和分析。

自1999年以来，CBS台运行状态一直非常稳定且保持较高的连续率，仅在2007年7月更换一次地震计。1999年7月24日—2007年6月30日，CBS台使用FBS-3A型宽频带地震计进行观测，2007年7月1日以后使用CTS-1E型甚宽频地震计进行观测。为确保检测结果的稳定性，以更换地震计时间为节点，分成两个时间段开展检测和研究。第一个时段为1999年7月24日—2007年6月30日，包含了2002—2005年的火山扰动；第二个时段为2007年7月1日—2024年8月31日，包含了2020—2021年的低水平扰动。

1.2 分析方法

近年来，家族地震分析方法在火山地震学中占据了越来越重要的位置，多种重复地震检测和分析方法获得了广泛的应用(Matoza et al，2015；Lengliné et al，2016；Hotovec-Ellis et al，2016；Shapiro et al，2017)。本文检测重复地震使用的软件为REDPy(Repeating Earthquake Detector)(Hotovec-Ellis et al，2016)。REDPy软件应用传统的短/长时间窗平均算法(STA/LTA)扫描连续地震波形，并创建地震目录。然后，利用互相关算法对目录中的事件进行相关系数计算，相关系数超过预设阈值的每一组事件被定义为一个地震家族。不能归入任何地震家族的事件(即与任何其他事件的相关系数均小于预设阈值的事件)被标记为孤立事件，并保留在目录中，以备后续与新检测到的事件再进行互相关计算。可以通过settings.cfg配置文件预设软件检测的相关参数，如数据格式、相关系数阈值、滤波频带等。本研究中，家族地震检测使用CBS单台连续地震波形Z分量数据。为了去除噪声和事件震级的影响，对连续地震波形数据进行1~10Hz带通滤波，此频带范围涵盖了长白山天池火山区所有VT和LP事件。通过测试，互相关阈值设置为0.6、0.7或0.8均可以获得较好的检测结果，最终互相关阈值设置为0.7；长白山天池火山地震事件持续时间通常小于1s，因而事件检测短时间窗设置为0.7s，长时间窗设置为8s；事件触发阈值(即短时间窗与长时间窗振幅比值)设置为3，即触发阈值大于3的事件会被标记为地震事件，事件触发阈值设置过低，可能导致误检事件增多，设置过高则可能导致一些震级低的火山事件被漏检，经测试，本研究事件触发阈值设置为3可以实现最佳检测效果。

REDPy重复地震检测软件包含backfill.py和catfill.py等2个检测程序。其中，backfill.py程序对全部连续波形数据进行扫描，并对检测到的事件进行家族分类，该程序不需要提供地震目录，检测效率低，误检率高；catfill.py程序则需要提供地震目录，且只对包含目录事件时间的文件进行扫描，并对检测到的事件进行家族分类，该程序检测效率高，误检率较低。本研究使用catfill.py检测程序，采用吉林省长白山天池火山监测站提供的火山地震目录作为输入目录进行家族地震检测。为提高检测结果的准确性，本研究对检测到的地震家族核心事件波形进行了人工校核，并移除误检的地震家族。

2 重复地震检测结果 2.1 1999年7月24日—2007年6月30日检测结果

2007年7月之前，CBS台使用FBS-3A型宽频带地震计进行观测，仪器频带范围40Hz~20s。此时间段覆盖了2002—2005年长白山天池火山扰动。2002—2005年火山扰动期间，长白山天池火山区共发生2922个地震事件，累计地震释放能量显著增强(图 2(a))，与其对应的是，火山扰动期间地震家族的数量快速增多，扰动结束后，大部分地震家族消亡。重复地震扫描结果表明，扰动开始前地震家族数量为11个，共检测到78个地震家族，其中75个VT型地震家族，3个LP型地震家族，最大的地震家族包含370个重复地震事件，最小的地震家族包含2个地震事件(图 2(b))。图 3给出了部分地震家族的波形曲线(全部重复地震波形叠加)及其核心事件的频谱。

2.2 2007年7月1日—2024年8月31日检测结果

2007年7月份之后，CBS台使用CTS-1E型甚宽频带地震计进行观测，仪器频带范围50Hz~120s。此时间段恰好覆盖了2020—2021年长白山天池火山低水平扰动时期(刘国明等，2023)。2020年12月—2021年6月，长白山天池火山区地震活动性明显增强(图 4(a))，与此同时地震家族数量也明显增多。扰动开始前地震家族数量为10个，扰动开始后，新增3个地震家族，扰动结束后，新增的地震家族全部消亡。共检测到13个地震家族，其中7个VT型地震家族，6个LP型地震家族。最大的地震家族包含23个重复地震事件，最小的地震家族包含2个地震事件(图 3(b))。图 5给出了部分地震家族的波形曲线(全部重复地震波形叠加)及其核心事件的频谱。

3 结果分析

长白山天池火山在2002—2005年扰动期间共发生火山地震事件2922个，其中重复地震事件数量为1545个，地震丛集率为53%，根据上述分析结果，此次长白山天池火山扰动属于一次典型的火山活动，有明显的岩浆补给。2020—2021年扰动期间共发生各类火山地震事件190个，其中重复地震事件数量为110个，地震丛集率为58%，根据地震丛集率判别标准(火山活动过程中地震丛集率范围约为20%~60%)，此次长白山天池火山扰动属于一次典型的火山活动。

2021年以后，长白山天池火山地震监测台网监测能力获得较大提升，很多火山区微震得以进行综合定位。本文地震定位使用当前较流行的VELEST软件包，参考火山区速度结构反演获得的最新研究成果，制作了含低速层的长白山火山区速度模型，定位的走时残差在0.1~0.4s范围内，水平定位精度可达0.1~0.8km，垂直定位精度可达0.3~1.5km，震级检测下限降至M_L0.1。

长白山天池火山壳内浅层岩浆房深度约为5km(吴建平等，2005；Yan et al，2023)，2002—2005年火山扰动期间发生的火山地震主要集中在浅层岩浆房顶部，震源深度分布范围为0~5km(吴建平等，2005；Liu et al，2021；Xu et al，2012)。然而，2021—2024年(含2020—2021年扰动期间的部分火山地震)火山区地震定位结果显示，VT型火山地震的深度分布范围为0~8km(包含部分海平面以上的地震)，LP型火山地震的深度分布范围约为-2.6~2km(图 6)。两次火山扰动的震源深度的分布模式明显不同，2020—2021年火山扰动期间的震源分布范围更广，且LP型火山地震全部发生在近地表，甚至发生在海平面以上的火山锥体和盾体部分，表明这些LP事件与岩浆活动无关，很可能是浅层流体活动增强的结果。

4 结论

通过系统分析长白山天池火山1999—2023年CBS台站连续地震波形数据，结合地震波形互相关技术与REDPy重复地震检测算法，揭示了该火山两次扰动事件中地震家族的演化规律及其物理机制。研究表明：

(1) 家族地震演化模式：两次扰动(2002—2005年显著扰动与2020—2021年低水平扰动)均呈现相似的家族地震动态特征，即扰动前家族数量稳定(背景值约10个)，扰动期家族数量激增(分别新增67个和3个)，扰动结束后快速衰减至背景值。

(2) 扰动机制异同：两次扰动均具有典型的火山活动特征(丛集率分别为53%和58%)，2002—2005年显著扰动的震源集中于0~5km岩浆房顶部，与深部岩浆补给引发的应力场调整密切相关；2020—2021年低水平扰动的震源扩展至0~8km且LP事件集中于浅部-2.6~2km，表明其成因同样根源于岩浆系统，但可能反映了以浅部热-流体活动为主导的、强度较低的扰动过程。

致谢: 审稿专家对论文提出了宝贵意见，在此表示感谢。