长白山天池火山形变监测与模拟研究

【摘要】： 本文结合差分合成孔径雷达干涉测量技术(D-InSAR)和计算机数值模拟技术对长白山地区的形变监测进行了研究。采用成熟的D-InSAR技术，获取了位于长白山东南侧的间白山火山1995～1998年间的干涉形变场；在长白山地区架设角反射器，开展CR-InSAR技术在长白山地区的试验研究；利用2002～2003年的GPS和水准获取的形变数据采用Mogi点源模型和Okada拉张位错源模型进行反演，获取了长白山地区岩浆囊的最佳参数；最后利用反演结果正演了D-InSAR获取的形变场；分析了研究区火山活动的规律及其与断裂、地震活动等的关系，对研究区火山活动的态势和危险性作了简单评估。在吸收和借鉴前人工作成果的基础上，本论文取得了如下的结果和认识： ●调研分析火山地区形变监测的手段和研究现状 地形变是监测岩浆活动和预测火山喷发的主要手段之一，虽然一些地体活动和形变在喷发前并没有处于峰值点，但多数火山在喷发前确有很明显的地表形变。精确的地表形变监测可用于火山活动和火山爆发预测等方面的研究。地形变数据的数值模拟可以提供关于火山岩浆囊(规模、压力、形态和深度等)及其相关的水热系统的地下构造方面的重要信息。 本论文详细介绍和讨论了目前火山形变监测手段的应用现状和不足，提出InSAR技术在火山区形变监测的优势，并由此提出了本文的选题意义和科学目标。 ●调研分析长白山地区的地质构造背景和研究进展 “九五”、“十五”期间国内学者对火山活动开展了比较全面的研究，包括火山地质、地球物理、形变监测、矿物学、岩石学、地球化学、年代测定和火山活动的环境效应、灾害预测与监控等。研究表明：长白山火山正处于由初始扰动状态向动荡状态演化阶段，是我国目前最具喷发危险性的火山。 通过对长白山地区的地质构造背景和研究进展的分析，为我们后续开展工作提供借鉴、参考，并能对本文研究得出的结论进行检验和论证。 ●利用D-InSAR技术获取了1995～1998年长白山地区的形变场 长白山火山地区地形复杂、气候条件恶劣，目前常规的火山形变监测手段(水准测量和GPS形变监测)很难从较大区域来研究火山的形变特征，InSAR技术凭借其独特的优势可以直接获取大范围的、连续空间覆盖的火山形变的定量化基础数据。 本论文分别对2景ENVISAT数据(20041015、20051104)和5景JERS-1数据(19930615、19940829、19950816、19980707、19980820)进行了分析处理。其中ENVISAT数据因为相干性差而未能获得形变场信息。对JERS-1数据进行处理，获取了一系列干涉图、差分干涉图、相干性图像和强度图等产品。其中19950816／19980820这对JERS数据的计算结果比较理想，其差分干涉图显示在1995～1998年期间长白山天池火山东南角位于朝鲜境内的间白山火山大约有6～12cm左右的隆起。尽管没有其他可以进行相互对比验证的资料和数据，但间白山地区较为频繁的地震活动，可从一定程度上证实这一区域的活动性。 ●在长白山地区进行了CR—InSAR技术试验研究 虽然InSAR技术弥补了以往各种测量手段(如常规水准测量，GPS测量)的不足，能够对地表进行大面积形变监测，具有很大的优势，但其局限性却也不容忽略，如时间去相干、空间去相干和大气扰动造成的延迟等问题，都会给干涉形变测量带来误差。CRInSAR和PSInSAR技术的出现有效地提高了重轨图像系列的时间相干性和空间相干性，实现了植被茂密地区的微量形变观测，测量精度也较常规InSAR测量精度有所提高。 在进行了一系列前期准备工作(包括相关地质背景资料的分析、光学影像的解译、地形地貌的分析等)后，于2006年8月在长白山天池火山周围布设了10个角反射器点，并于2007年4月13日获取了架设角反射器后的第一景ENVISAT数据，通过影像特征分析发现了7个角反射点位，没发现的三个点位海拔都在1600m以上，可能是因为影像获取时长白山积雪尚未融化所致。 ●利用Mogi点源模型和Okada拉张位错源模型进行反演 为了研究不同时段地下岩浆活动特点，笔者便利用1995-1998年InSAR资料，以及2002～2003年的水准和GPS观测数据进行模拟研究。 尝试了不同模型和不同模型组合，分别利用Mogi单源、Mogi双源、Okada三轴拉张模型、Mogi双源和Okada拉张模型的联合等进行反演计算。最终通过误差分析发现，Mogi双源模型拟合效果最佳，两个点源一个位于长白山天池老火山口下方7.9km处，另一个位于间白山火山下方5.5km处。Mogi双源模型还跟InSAR结果具有一定的一致性，利用双源模型正演InSAR形变场也取得了比较好的效果。创造性地利用Okada三轴拉张模型进行了反演计算，计算结果表明：三轴拉张源位于天池火山口偏北处，NNE和NWW方向拉张明显，跟深部探测资料结果对应较好，被认为是天池下方压力源更详细的状态描述。天池火山和间白山火山岩浆囊位置的连线方向与该地区一条地震活动性很强隐伏断裂的走向基本一致，推测两岩浆囊之间可能存在岩浆通道，岩浆的活动和运移可能是造成该断裂和地震活动的原因。长白山地区火山活动在时间上具有间歇性，在空间上存在迁移性。该火山区活动可能正在从初始扰动期开始向动荡期过渡，应加强火山地震、形变、水化活动性监测尤其是固定站连续观测，以预测其喷发的危险性。