Volcano 火山沉降原因分析

• 火山区域地表沉降虽然危险性有限，但可作为区分火山是 否活动的一个重要标志，应给予更多的关注。
Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• Medicine Lake Volcano 火山位于 California 东北部，岩 浆覆盖面积2200 km2 ， 3 岩浆体积为600 km， 主火山口距地表1200 米，海拔2376米，东 西方向长12公里，南 北宽7公里。
MLV 沉降原因分析（volume loss at depth）
• 深部体积减少主要表现在两方面： 2. 无岩浆参与：主要指英安岩和其他含水岩石脱水，导 致体积变小，此种情况可用收缩岩床模型模拟。 局限： 无岩浆参与的体积减小，会造成火山区域沉降和抬升的交替 进行，间隔周期为几年或十几年，但MLV火山稳定沉降达50 年；此外水准数据反演的模型正演在水平形变与GPS观测不 符，GPS数据水平位移反演的模型正演在垂直形变与水准观 测差异大。
新沉降模型的提出
• 综合上面的分析，前面任何一种单一的模型都无法解释 MLV地区的沉降，作者认为MLV地区的沉降是多种因素共 同作用的结果，表面自加载、地壳扩张和火山下的岩石冷 凝共同作用，引起了地表的沉降。 • 对于目前的高速异常，认为是由13000 y前铁镁质岩浆作用 加热岩石，为岩石冷凝提供前提条件，同时加热也使地壳 变脆，杨氏模量下降，随后岩石的冷凝造成现在的岩腔体 积收缩，引发沉降。 • 未来工作：引入不定期的重力测量，更多的GPS观测
Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• MLV在过去11,000 yr 内，共喷发17次，主要喷发物为玄武 岩和流纹岩。最近一次喷发是在900yr BP • MLV火山区内，火山口和地裂缝呈线性分布，可作为地下 岩脉支流存在的证据。 • 通过地球化学手段，推断MLV下方存在一个岩腔，其形成 过程与铁镁质岩石的底侵作用加热有关。
监测数据采集 （GPS部分）
• GPS 观测主要以会战式观测为主，共5期，34个站，以连 续观测站数据为辅。 • 利用GIPSY/OASIS 软件，得到相对于北美板块的速度， 大部分测站垂直方向的误差与所得速度值相当，故在本文 中不予采用。 • 值得注意的是位于MLV火山口的测站给出的速率在垂直方 向上分量为11.9 3.2 mm/y，与之前水准给出的8.6 0.9 mm/y 相当。
MLV 沉降原因分析（cooling and crystallization）
MLV 沉降原因分析（surface loading）
• 沉降原因：由于火山体自身或其内部侵入岩在重力作用下， 下沉而带动地表发生沉降。
MLV 沉降原因分析（surface loading）
• 自加载模型的局限; 1. 模型只能反映沉降的最后效果，不能计算沉降的速率。 文中做出了估算：Hawaill 岛质量大于MLV，其自加载模型 引发的沉降速率~4.8 mm/y, 故MLV的沉降速率<4.8mm/y，比 水准结果小 2. 自加载模型在引起沉降的同时，会在远场引起抬升，但 在MLV主火山口120公里范围内，未发现抬升。但也可能是 太升量太小而未被发现。
3. 大地电磁学：高速、高电阻
Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• 钻孔资料： 1. 钻孔深度：火山口下方2.5 公里。 2. 通过元素衰变测定，岩体为320 ka 前侵入。
3. 岩石密度2.7-2.8 g / cm ，比周围岩石大0.4 g / cm ，与重 力观测数据吻合。故推测，该岩体即为锥形体。
• 目前对于火山沉降已有的解释模型： 1. volume loss at depth模型 eg: Hawaii Kilauea 火山，Iceland Askja 火山
2. cooling/crystallization of magma 模型
eg: Iceland Krafla 火山 ，Iceland Askja 火山 3. surfing loading 模型 4. Crustal extension 模型 eg: 海底及地外火山
监测数据采集 （水准部分）
• 1954、1989年，进行两次水准测量，得到193公里长的水 准路线，结果显示在MLV顶端衰减。 • 1999年对MLV北侧中横穿MLV火山口的25公里长进行复测， 发现最大沉降为3.9 1.0 mm / yr 。
• 三次测量（1954-1989-1999）说明沉降在过去50年内，在 空间域和时间域上一直存在。
监测数据采集 （水准部分）
• 对于沉降原因，Dzurisin利用水准数据提出了两种体积收 缩模型： 1. 点源模型：在火山口下方10公里存在一个点源岩腔，体 积以0.0031 0.0001 km3 / yr 减小。 2. 收缩岩床模型：在火山口下方11公里处，存在一个倾角 为0的岩床。体积以0.0020 0.0001 km3 / yr 减小。 • 两种模型给出的垂直形变都能与观测数据吻合，但水平形 变有较大差异，因此引入GPS观测结果，以验证体积收缩 模型的有效性和正确性
利用GPS、水准、InSAR数据约束 California 北部 Medicine Lake Volcano 火 山长期稳定沉降机制
肖卓辉 2014年5月27日
目录
• 区域及局部地壳运动监测简介 • 火山沉降简介及研究意义 • Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景 • 监测数据采集
Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• MLV毗邻Cascadia 俯冲带，该俯冲带存在闭锁段且慢地震 频发。 • Cascadia 的闭锁和慢地震，不对观测结果产生影响： 1. 由板块闭锁产生形变的范围至多达内陆150 km 处，而 MLV地区监测范围中最西端距离海岸线200 km. 2. 在 MLV 西侧80公里的GPS站点为发现反映构造形变的 速度值。 3. MLV地区存在慢地震，但GPS测量的时间区域内未有 发生，且理论上该地区慢地震导致的形变近似为4 mm，转化 为年平均速度，会更小。
MLV 沉降原因分析（volume loss at depth）
MLV 沉降原因分析（volume loss at depth）
MLV 沉降原因分析（cooling and crystallization）
• 由于岩石的冷却与重结晶而引起的体积减小，可分为两阶 段： 1. 加热阶段：火山运动使岩浆受热，部分矿物变成气态逸 出，液态矿物逐渐达到饱和，析出晶体，体积下降。 2. 冷却部分：加热部分析出的晶体不断冷却，变致密，体 积下降。 • Dzurisin讨论了MLV地区岩石冷却与重结晶引起沉降的可 能性，认为引发与观测相符沉降的两个条件：岩浆的冷却 体积远大于10 km3，或者冷却速度大。
MLV 沉降原因分析（Crustal Extension）
• 沉降原因：地壳拉张变薄，引发地表沉降。 • 局限： 1. GPS观测速度在去除刚体运动后，速度剩余不显著，区 域应变值很小，表明区域构造运动不明显。 2. 如前所述，目前沉降速率高于历史平均水平，若沉降单 纯由地壳扩张引发。则沉降速率的较大改变意味着地质背景 的改变，这是不太现实的。 • 结论：地壳扩张在MLV地区确实存在，也会引起地表的沉 降，但不会是主要因素。
• MLV 沉降原因分析
• 新沉降模型的提出及总结
区域及局部地壳运动监测简介
• 刚性板块的假设是近似的，板块内部可能存在形变，而这 种形变既可能是构造形变，也可能是人为形变。
• 区域及局部地壳运动监测主要包含两个方面：断层形变监 测，陆地表层沉降监测。 • 现有监测手段：GNSS，水准，InSAR，重力。
MLV 沉降原因分析
• 结合MLV具体情况，给出了任何沉降解释需满足的约束条 件： 1. 目前相对于历史平均值较高的沉降速率。
2. 广阔的沉降区域及较小的水平形变。
3. 沉降至少50年内在空间和时间上稳定 4. 在过去900年内，无明显的质量或热量迁入 5. 地下结构符合地物反演结果
MLV 沉降原因分析
4. 在全新世岩浆孔中发现有未变质的花岗岩捕掳体，元素 测定为25000 yr，但该类岩石未出现在钻孔中，故可能 在3-6 公里深或者在锥形体中。该发现支撑了岩石系统 的猜测。
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Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• 液态熔融物： 利用地震波数据，发现在深 度为 3-5 公里，锥形体下方处存 在一个低速，高衰减区域。该区 域可能是一个含硅岩石在MLV下 的唯一熔融区，是最近一次火山 喷发的岩浆源，岩浆体积大概为 10 km3。 地震层析成像：1-10公里存在凝 固侵入杂岩。
• 通过重力观测，发现存在一个密度较周边区域大0.41 g / cm 的锥形体。上直径9 公里，下直径20 --36公里，位于MLV 火山口下方1.5 -- 4公里
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Medicine Lake Volcano (MLV) 地质背景
• 锥形体存在证据： 1. 重力：存在密度比周围岩石 3 大0.41g / cm 的稠密区域，深 度1.5 ~ 4 公里 2. 地震波数据：在火山口下方 1~2公里发现高速区。
• 剔除刚体运动后，大部分站点的水平速率位于95% 的置信 区间内。
监测数据采集 （GPS部分）
监测数据采集 （InSAR部分）
• 数据源：ERS -1/2 卫星，在MLV火山口及东侧的影像。
• 处理遇到的问题： 直接处理得到干涉图的时间跨度<1~2 y，沉降量大约为8 mm/y，1~2年沉降量为0.8~1.6 cm，在图中无法分辨。故要获 得可分辨的沉降干涉图时间跨度应在4y 左右。
• 沉降监测的难点：形变信息中混有构造形变信息，需要筛 选出沉降信息。
火山沉降简介及研究意义
• 火山区域地表发生沉降是普遍存在，与火山活动危险性无 关，且尚未完全认知的自然现象，目前关于火山区域地表 沉降的研究并不常见。 • 对于近期喷发的火山，其沉降原因可大致分为：岩浆喷发、 岩石冷凝及重结晶、岩石脱水等原因. • 对于近期未喷发的火山，其沉降原因的细节尚不明确。
MLV 沉降原因分析（volume loss at depth）
• 深部体积减少主要表现在两方面： 1.有岩浆参与：岩浆从岩腔平移到他处或由浅处岩腔流至 深部岩腔，或火山喷发造成空腔，此种情况可用点源模型模 拟。 局限： 水准数据反演的模型正演结果在火山口40km内，水平位移应 辐射状火山口，而实际只有10 km内的位移满足此条件。且 利用GPS水平形变反演的模型正演结果在垂直方向形变与水 准差异较大。
MLV 沉降原因分析（cooling and crystallization）
• MLV 地区实际熔融岩浆体积只有10km3 • Dzurisin推测：上述岩浆只是一部分冷却源，另一个更大更 实际的冷却源是火山下的热柱侵入物（Hot, Cylindrical Volume， HCV）
MLV 沉降原因分析（cooling and crystallization）
监测数据采集 （GPS部分）
监测数据采集 （GPS部分）
• 由于大部分观测点速度方向表现为北西向，推测此区域受 刚体旋转运动影响较大。利用观测的34个站点，去除距 MLV 150 公里内的14个站点，及两个特殊站SHAS & SOLD , 计算得到刚体运动的欧拉极参量：43.557°N± 0.708 , 119.355°W±0.842，旋转速率为1.323°/ Ma，方 向为顺时针方向。
• 处理方法：
将三期（1993.4.28~2000.6.19）连续干涉图中的相位变化 量叠加处理，得到两条不连续的条纹。
监测数据采集 （InSAR部分）
MLV 沉降原因分析
• 结合MLV具体情况，给出了任何沉降解释需满足的约束条 件： 1. 目前相对于历史平均值较高的沉降速率： 火山沉降在短时间内沉降有限，但其沉降时间较长，以 MLV火山为例，火山活动时间大概为50W yr ,沉降大概发生 18W yr，以当前每年~8mm/y沉降计算，共1440米。 利用钻孔和地面露出岩分析，火山口相对火山边缘沉降 240-440 m, 因此平均沉降速率为1.3-2.4 mm/s, 而目前相对值 为4.9 mm/y,目前的沉降活动不能代表平均沉降，只是一个沉 降活跃期。