云南省地震局:姜金钟-中国大陆的强震与火山相互作用

文摘   2024-10-29 08:55   福建  

强震活动和火山喷发都是地球内部圈层能量交换的显著表现.新近观测研究表明:强震与火山活动存在密切的相互作用,但人类对强震与火山的孕育环境和发生过程了解还十分有限,对火山内部岩浆系统的认识还远远达不到预测强震触发火山喷发或岩浆扰动及火山流体引发强震活动的需求.

中国大陆的长白山和腾冲火山区存在强震-火山相互作用的迹象,腾冲这一潜在的强震和火山活动危险区是开展强震-火山相互作用研究的理想场所.立足于中国地震科学实验场的跨学科基础观测设施和相关科研项目,有望在腾冲火山区取得强震-火山关联性研究的新突破,为有效预防强震和火山灾害及热能开发提供科技支撑.

结论与展望

国内外的新近研究进展表明:强震与火山活动存在密切的相互作用,强震引发火山活动相对而言是更为普遍的现象.如Grapenthin等新近报道的2021年7月29日阿拉斯加Chignik 8.2级强震导致相隔160km的Aniakchak火山在2022年10月至2023年9月间的岩浆活动.Ozawa等利用InSAR和GNSS数据分析发现2016年日本熊本7.3级地震引起阿苏火山口西侧复杂的地表形变和断层滑动,并通过有限元计算阿苏火山周围的位移和应力场以评估熊本7.3级强震对阿苏火山岩浆系统的影响,结果表明岩浆系统发生变形且体积略微增大(约1%),且岩浆系统上部的差应力高达3.5MPa,这足以导致火山机构的先存裂隙张开并产生岩浆迁移. 火山模型实验和基于数值模拟的静态应力变化表明,强震引起火山共振导致火山内部岩浆或其他流体的重新分布,以及岩浆不同应力变化机制可能会导致岩浆上涌或停滞,进而引发或抑制火山的不稳定性和喷发活动.

火山喷发或岩浆扰动引起周边区域的中强地震活动的现象也被普遍观测到. 基于全球地震和火山活动目录数据的统计结果显示:约20%的火山喷发会伴随着中强地震的发生,在火山喷发开始后的约0.3年内,距离火山50km范围内的区域存在MW5~6中强地震活动,且在这0.3年的时间段内每0.1年发生地震的可能性约为正常情况下的5倍;在位于意大利的Mt.Etna火山区,约30%的侧向喷发后30天以内会发生1次显著地震(最大破坏烈度为Ⅴ—Ⅵ度),相应的地震发生概率增加5~10倍. 此外,火山喷发前的岩浆扰动也可能会引起附近地区M4以上的喷发前兆性地震发生,这类地震的监测与识别可能为火山喷发活动的预测预警提供重要指标.
大量实际观测和有限的模拟实验研究均表明强震导致的应力变化可能会触发火山活动或喷发,但人类对强震与火山的孕育环境和发生过程了解得还很不够,我们对火山内部岩浆系统的了解还难以准确预测强震触发火山喷发或岩浆扰动以及火山流体引发强震活动,对强震和火山相互作用的机制认识也相当有限.
有关强震触发火山活动的机制,已经提出了影响火山围岩、岩浆房和/或热液系统、导致固态应力变化、流体和多相系统的动态变化等多种机制,见Seropian等的综述.综述中提到:强震触发火山活动涉及到火山的岩浆黏度、火山系统的开放或封闭、是否存在活跃的热液系统等,在火山和强震发生的组合条件恰当时才可能触发火山活动,除非火山岩浆–热液系统处于待喷发状态,否则强震触发火山喷发是不可能的,而强震导致火山的岩浆扰动则更为常见.地震破裂引起的静态或动态应力扰动变化如何影响岩浆–热液系统并导致火山活动或喷发,是有待深入研究的关键科学问题.

关于火山流体引发强震活动的机制,普遍采用流体运移改变孔隙压力和/或减小有效摩擦系数致使累积应变达到破裂失稳准则而引发强震活动的模式来解释,这些机制已被广泛用于解释水力压裂和废水注入诱发地震活动,并被野外的断层注水实验所证实.但图4所示的这些机制是否可解释中国大陆的强震与火山相互作用,如2002年汪清7.3级深震导致的应力变化如何能够持续影响约3年之久的长白山火山岩浆活动问题,都有待具体的分析研究.

尽管中国大陆的活火山深部结构探测工作已取得了显著的进展,但对火山内部岩浆-热液系统的成像分辨率还远远达不到研究强震触发火山喷发或岩浆扰动的需求. 长白山和腾冲火山区的强震-火山相互作用研究的进展充分展示了中国的强震-火山关联性研究的可喜前景.位于印度—欧亚板块碰撞俯冲带和青藏高原显著变形前缘的腾冲地区,面临着潜在的强震和火山活动威胁,其已展现的强震触发火山热液活动和火山流体引发强震活动的迹象,为深入开展强震-火山相互作用研究提供了理想的场所. 中国大陆6级左右地震造成人员伤亡和严重经济损失的惨痛事例,警醒我们不能忽视过去500年来多次发生M ≥ 6.0强震且断层广布的腾冲地区的强震危害性,以及强震可能引发腾冲火山活动的危险性.

针对中国大陆高发的强震活动和潜在的火山喷发危险,对比我国与美国存在强震与火山相互作用且面临喷发危险的黄石火山和夏威夷火山及1980年发生过大喷发的美国圣海伦斯(St. Helens)火山的精细探测研究的差距,作者呼吁大力加强中国大陆的强震与火山的相互作用研究,大力推进包括长白山和腾冲在内的不同构造背景和不同特征的典型火山区的深入研究.

在作为国家重大科技基础设施的中国地震科学实验场建设之际,立足于中国地震科学实验场的跨学科基础观测设施和其他综合性项目在腾冲地区的实施,依托工业流体注入诱发/触发地震的研究进展,以腾冲这一强震-火山关联性研究的理想场所作为重点突破区,针对前述的腾冲火山的岩浆-热液系统争议、腾冲火山流体运移与其周边强震的关联性、腾冲火山水热活动是否为强震触发等科学问题,开展密集的地震学、电磁测深、大地测量学、地球化学等多学科探测分析,确定腾冲火山区断裂带的深、浅部精细几何学特征及其力学属性,构建分辨率达百米量级甚至米级的腾冲火山区岩浆-热液系统;结合应力计算和统计分析来厘清腾冲水热活动与强震触发的关系,综合火山学、岩石物理学、地球化学及高温高压实验和动力学等研究成果,基于火山区物性参数和周边应力场及地震精定位等分析,获取地下流体运移与地震活动和/或火山内部通道开闭的关联性依据;探索岩浆黏度在其中的作用,揭示火山流体引发强震活动与强震触发火山活动的成因机理,增进对火山过程和强震成因机理的理解,为有效预防强震和火山灾害及热能开发提供科技支撑.

引用本文

姜金钟, 王新, 范兴利, 李永华, 陈棋福. 2024. 中国大陆的强震与火山相互作用. 地球物理学报, 67(10): 4005-4013, doi: 10.6038/cjg2024S0084

JIANG JinZhong, WANG Xin, FAN XingLi, LI YongHua, CHEN QiFu. 2024. Interaction of strong earthquakes and volcanoes in Chinese Mainland. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 67(10): 4005-4013, doi: 10.6038/cjg2024S0084

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