引用本文
孙翔宇, 詹艳, 赵国泽, 赵凌强, 邓琰, 胡亚轩, 胡久常, 向小娟. 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区深部岩浆系统大地电磁三维探测[J]. 地震地质, 2020,42(3): 640-653.
SUN Xiang-yu, ZHAN Yan, ZHAO Guo-ze, ZHAO Ling-qiang, DENG Yan, HU Ya-xuan, HU Jiu-chang, XIANG Xiao-juan. MAGNETOTELLURIC IMAGING OF MAGMA DISTRIBUTION BENEATH MA'ANLING AND LEIHULING VOLCANOES OF NORTHEASTERN HAINAN, CHINA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(3): 640-653.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.03.007
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琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区深部岩浆系统大地电磁三维探测
孙翔宇1, 詹艳1,*, 赵国泽1, 赵凌强1,2, 邓琰1, 胡亚轩2, 胡久常3, 向小娟3
1)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029
2)中国地震局第二监测中心, 西安 710043
3)海南省地震局, 海口 570203
*通讯作者: 詹艳, 女, 研究员, E-mail: zhanyan66@vip.sina.com。

作者简介：孙翔宇, 男, 1993年生, 中国地震局地质研究所固体地球物理学专业在读博士研究生, 研究方向为大地电磁数据处理与解释, E-mail: sunxiangyucsu@hotmail.com。

收稿日期: 2019-10-22
基金项目: 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1608, IGCEA1706)和国家自然科学基金(41372345)共同资助
摘要

海南琼东北地区是中国新生代以来火山活动最强烈、 持续时间最长的地区之一, 历史上曾发生1605年琼山7.5级大地震。 最新的水准、 形变测量以及InSAR资料揭示在琼山7.5级大地震震中以南的地区存在1条SN向展布的沉陷区, 沿该区小地震活动频发, 即铺前湾-冯家湾小地震密集条带, 有研究推测该小地震密集条带与深部岩浆系统的发育有关。 为了进一步探测研究琼东北火山区火山岩浆系统的深部结构、 地下介质属性、 小地震活动和形变变化与火山深部岩浆系统分布的深层关系, 2017年初在琼东北地区以雷虎岭-马鞍岭火山区为中心针对2条剖面开展了大地电磁探测, 使用相位张量分解技术对其电性结构进行分析, 并使用大地电磁三维反演技术获得了沿剖面的三维深部电性结构图像。 探测结果进一步确定了琼东北火山区下方的介质属性和低阻体的赋存范围, 并发现琼东北地区的电性结构存在明显的东西差异, 电阻率值东高西低。 此外, 在琼东北地区地壳中存在2个低阻体, 分别为海南岛西北部澄迈县区域(即雷虎岭和马鞍岭火山口西侧)下方中地壳碗状向W倾斜的低阻体和龙泉下方的低阻体; 而在海南岛东北部的铺前湾-冯家湾小地震密集条带与地面沉陷区的深部并没有低阻介质赋存, 排除了小地震是由于壳内火山岩浆活动引起的可能。

关键词: 马鞍岭-雷虎岭火山区; 大地电磁三维成像; 电阻率结构; 小地震密集条带
中图分类号:P319 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0640-14
MAGNETOTELLURIC IMAGING OF MAGMA DISTRIBUTION BENEATH MA'ANLING AND LEIHULING VOLCANOES OF NORTHEASTERN HAINAN, CHINA
SUN Xiang-yu1, ZHAN Yan1, ZHAO Guo-ze1, ZHAO Ling-qiang1,2, DENG Yan1, HU Ya-xuan2, HU Jiu-chang3, XIANG Xiao-juan3
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)The Second Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi'an 710043, China
3)Hainan Earthquake Agency, China Earthquake Administration, Haikou 570203, China
Abstract

The northeastern Hainan Province is one of the areas subjected to the strongest, most frequent and longest-lasting volcanic activities in China since the Cenozoic era. Under the influence of magma and fault activities, northeastern Hainan Island has experienced many moderate and strong earthquakes in history. The Qiongshan M7.5 earthquake occurred in this region in 1605. The deformation measurement and InSAR data found a subsidence area in the south of the Qiongshan M7.5 earthquake. Small earthquakes frequently occur in this area. It has been inferred by some studies on this subsidence area, namely the Puqianwan-Fengjiawan seismic belt, that the subsidence and frequent seismic activity are related to the development of deep magma systems. Magnetotelluric methods are very sensitive to subsurface fluid, different temperature conditions, and resistivity property of the medium in the molten state. With the development of magnetotelluric three-dimensional inversion technique, using dense array magnetotelluric data in three-dimensional inversion can image the medium resistivity occurrence state and position in the volcanic area. To study the deep structure of the magma system and its relationship with seismic activity, we conducted MT observations on two profiles that cross Leihuling and Ma'anling volcanoes. Phase tensor decomposition was used to analyze the electrical structure. This paper investigates the two MT profiles using three-dimensional electromagnetic imaging technology and obtains the electrical structure of the two profiles. The result reveals the media properties and high conductivity bodies' occurrence range beneath the volcanic area in the northeastern Hainan. There are obvious differences in the electrical structure of the northeastern Hainan. The resistivity values are high in the east and low in the west. In addition, there are two high conductivity bodies in the northeast of Hainan. The high conductivity body C1 inclines to the west and locates beneath the Chengmai County area in the northwestern Hainan Island(west of the Leihuling-Ma'anling volcanoes). Its resistivity value is less than several Ωm. This low resistive body is 40km long in WE direction and 30km wide in SN direction. Its burial depth is about 2km near the HNL1 profile and 6km near the NHNL1 profile. Its bottom reaches the depth of about 25~30km, which may be close to or through the Moho surface depth of 25~26km in this area. It is speculated that the magma eruption of Leihuling-Ma'anling volcanoes did not migrate vertically from its deep part to the surface. The high conductivity body C2 locates beneath Longquan. The buried depth of C2 tends to be shallower from north to south, but there is no exposed surface in the study area, nor is it connected with the shallow low-resistivity layer. It is speculated that the C2 may be a magmatic sac trapped in the crust, but may have nothing to do with the eruption of Ma'anling-Leihuling volcanoes. The recent volcanic magma in this area comes from the lower crust and upper mantle of the ocean area to the west of Hainan Island. As magma enters the upper and middle crust, it continues to move shallowly and eastward. In this process, it should be blocked by the high resistance structure on the east side of the Changliu-Xiangou Fault and then erupt around this fault, thus forming numerous craters in this area. After the repeated eruption, deep magma channels gradually closed and volcanic activity weakened. The magma in the mid-upper crust cooled consolidated gradually, but the speed was uneven in different areas, resulting in the channels having closed down gradually in some places, and some are in the process of closing. Our results show an uneven rise and fall depth of the low resistivity body in the middle and lower crust. There is no high conductivity body in the deep part of the Puqianwan-Fengjiawan seismic belt and the subsidence area in the northeastern Hainan, which rules out the possibility that the small earthquakes are related to deep magma systems.

Keyword: Ma'anling-Leihuling volcanos;; magnetotellurics 3-D inversion; electrical structure; seismic belt
0 引言

雷琼火山区横跨琼州海峡, 是中国新生代以来火山活动最强烈、 最频繁且持续时间最长的地区之一, 拥有中国南方最大的火山岩(樊祺诚等, 2004)。 海南岛北部及雷州半岛所在的雷琼断陷区, 火山和地震活动剧烈而频繁(张虎男等, 1984)。 海南岛东北部的新生代火山表现为多期次活动, 并一直持续到全新世。 其中, 永兴附近的马鞍岭-雷虎岭火山区距省会海口市约l5km, 是典型的具有潜在喷发危险的城市火山(白志达等, 2003; 洪汉净, 2006)。

海南省是中国政府着力打造的国际旅游中心, 又紧邻南海, 故琼东北地区的火山活动和地震危险性一直以来是人们关注和研究的重点内容(白志达, 2003)。 现今的地震精确定位结果显示, 在海南岛东北部的铺前湾-冯家湾一带分布着1条SN向的地震条带, 震源深度为5~15km(徐晓枫等, 2014)。 环海南岛的水准和形变测量结果显示, 海南岛东北部东寨港-清澜港一带存在明显的地面沉降区, 与SN向小地震密集条带区基本重合(胡亚轩等, 2018)。 有研究认为, 地下岩浆向上隆起作用使上部地壳被拉张, 从而导致了铺前湾-冯家湾小地震密集条带的发育并出现地面沉降效应。 2015年11月22日, 在距离琼山7.5级地震震中以北约50km的广东徐闻发生了1次3.8级地震, 海口地区震感强烈, 该地震处于雷琼火山区内和琼东北SN向地震带的北缘, 震源机制解显示其为走滑拉张性质。 此次地震的发生无疑增加了该区域火山活动以及地震活动危险性研究的紧迫性。

海南岛地质地貌的形成和地震活动等与火山岩浆活动密不可分。 火山地区高温熔融状态下的介质往往表现为低阻、 低速性质。 Lei等(2013)得到的地震层析成像结果表明在琼东北地区深度超过25km处存在SN向的低速体; 胡久常等(2009)以马鞍岭-雷虎岭火山区为中心, 布置了SN、 EW向 2条大地电磁探测剖面, 结果表明, 在1605年琼山地震震中的西侧自15km深处一直至上地幔的区域发育了1条东西宽、 南北窄的低阻体。 以上探测结果在一定程度上佐证了琼东北地区存在低阻、 低速的火山“ 岩浆囊” , 其可能制约了地表小地震的分布和地表形变场的变化。 但胡亚轩等(2018)给出的详细三维形变场结果显示东北部的SN向小地震活动是由断裂活动所引起的。 因此, 针对琼东北火山区中上地壳的岩浆系统、 介质属性的分布仍然需要更进一步的精细探测。

图 1 海南岛的地形及区域构造简图Fig. 1 Topographic and tectonic map of Hainan Island.

从海南岛的地形和构造分布(图 1)来看, 该区分布近NW和近EW的2组断裂, 早期在该区开展的大地电磁二维探测结果(胡久常等, 2007)难以全面地揭示出火山区复杂的深部电性结构图像。 为了进一步探测和研究琼东北火山区火山岩浆地下介质属性的三维分布情况、 小地震活动和形变变化与火山深部岩浆系统分布的深层关系, 我们在胡久常等(2007)已观测的大地电磁数据的基础上, 于2017年初在琼东北地区以雷虎岭-马鞍岭火山区为中心, 针对2条测线开展了密集大地电磁探测, 使用大地电磁三维反演技术获得了沿剖面的三维深部电性结构图像。 所得结果进一步确定了火山区下方的介质电阻率属性和赋存范围, 为研究火山结构、 机制等问题提供了详实的深部结构资料。

1 区域构造、 火山分布和大地电磁剖面

海南岛发育有近EW、 NE、 NEE、 NW及SN等多个方向的活动断裂(张虎男等, 1984)。 受岩浆和断层活动的影响, 历史上海南岛曾发生多次中强地震, 最大为1605年发生在琼山的7.5级大地震。 该地震造成陆陷成海, 推测可能是壳下地幔或地幔柱上涌隆起导致壳拉张, 表部呈地堑型正断层破裂、 下陷, 从而发生地震(徐起浩, 2006)。

琼东北地区发育多组近EW向和NW向断裂(图 2)。 其中, 近EW向分布的断裂有马袅-铺前断裂(F1)和王五-文教断裂(F2), NW向的断裂有马袅-龙门断裂(F3)、 长流-仙沟断裂(F4)、 海口-云龙断裂(F5)和铺前-清澜断裂(F6)。 这些断裂控制了区内新生代次级断块的发育和发展以及第四纪火山的喷发。 马袅-铺前断裂(F1)的活动性较强, 1605年琼山地震发生在其与NW向铺前-清澜断裂(F6)的交会处(张虎男等, 1984)。 马鞍岭-雷虎岭火山区则基本分布在NW向的长流-仙沟断裂(F4)附近。 海南岛内发育的各组断裂具有不同程度的活动性, 区内可分为多个次级地块, 本研究涉及由长流-仙沟断裂(F4)所分割的福山坳陷和云龙凸起(谢振福等, 2010)。

本文中给出的2条大地电磁剖面(HNL1和NHNL1剖面)主要位于王五-文教断裂(F2)与马袅-铺前断裂(F1)所围限的区域内(图 2)。 2条剖面基本平行, 相距约10km, 走向约为N75° E。 HNL1剖面西起多文东侧, 经福山、 永兴、 美兰, 止于锦山附近, 剖面长约103km, 沿剖面共有24个测点, 其中17个测点来自前人的工作(胡久常等, 2007)。 NHNL1剖面位于HNL1剖面南侧, 西起澄迈以西约20km处, 向E经龙泉、 云龙, 止于冯坡, 剖面长约100km, 沿剖面共有26个测点。 2条剖面均跨过长流-仙沟(F4)、 海口-云龙(F5)和铺前-清澜(F6)等断裂, HNL1剖面经过了马鞍岭和雷虎岭火山口之间的区域。

图 2 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区大地电磁测点位置Fig. 2 Map of Ma'anling-Leihuling volcanoes and MT stations in northeastern Hainan.

2 野外观测和数据分析
2.1 数据采集和处理

本研究于2017年1-2月开展了大地电磁野外测量, 测量中使用加拿大凤凰公司MTU-5A型大地电磁观测系统进行数据采集。 各测点布极为正SN和正EW, 记录了五分量大地电磁数据, 包括2个水平向的电场分量、 2个水平向的磁场分量及1个垂直向的磁场分量。 除在琼东北地区采集的33个新的大地电磁测点的观测数据外, 还收集了该地区已有的17个大地电磁测点(胡久常等, 2007)的观测资料。

琼东北的大地电磁测区位于海南岛东北部, 紧邻海口市区, 该区人口稠密, 交通、 电力设施密布, 且海口-三亚的高铁贯穿了整个测区, 故噪音水平较高。 为了压制噪音以及增强数据质量, 在野外数据采集时使用远参考技术(Gamble et al., 1979)和Robust技术。 远参考站位于海南省定安县黄竹镇NE约5km处。 此外, 每个测点的数据采集时间均超过40h, 部分测点的记录时间可达50h。 图 3 给出了2条剖面上14个测点经远参考技术处理前、 后的视电阻率和相位曲线图。 可见, 经远参考技术处理后, 测点的资料质量得到改善, 曲线的连续性得到提升, 低频的误差和中频干扰都得到一定程度的消减。

从图 3 可见, 琼东北地区大地电磁测点的高频视电阻率值基本一致, 大多为10~100Ω m, 且XY和YX 2个方向的视电阻率值在高频基本一致, 说明琼东北地区的地表结构较为简单, 一维性较强。 这种特征与琼东北地区表面均匀覆盖的第四纪地层有关。 在中低频段, 大部分曲线则出现差异, YX向的视电阻率值普遍大于XY向, 且琼东北地区的中低频视电阻率值存在东高西低的特征: 东部云龙凸起内测点的视电阻率在低频普遍能达到1i000Ω m以上, 而西部的福山坳陷内的视电阻率值普遍不超过100Ω m。 此外, 在铺前湾-冯家湾小地震密集条带内, 测点的视电阻率值与周边测点基本一致, 具有较高的视电阻率值。

图 3 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区HNL1和NHNL1剖面上14个典型测点经远参考处理前(L)、 后(R)的视电阻率和阻抗相位曲线图
红色为XY向; 蓝色为YX向Fig. 3 Apparent resistivity and impedance phase curve of typical MT stations before (with suffix-L) and after(with suffix-R)remote magnetic reference in northeastern Hainan.

2.2 区域维性分析

相位张量二维偏离度(β )是分析区域维性的有效工具(Caldwell et al., 2004; Bibby et al., 2005)。 考虑到研究区的噪音水平和数据的误差情况, 当β > 5时可认为研究区的深部结构为三维(Booker, 2014; Cai et al., 2017)。 图 4 给出了2条剖面各测点的β 值随周期的变化情况。 可以看出, 周期在1s以内的高频段对应的β 值均< 5, 而在周期约为1s到更长的低频段, 大部分区域的β 值随周期的增大而逐渐增大, 直至> 5, 说明琼东北地区的深部具有明显的三维性, 这与该区发育NW-SE向和EW向2组不同方向的断裂有关。 为了获得可信的电性结构, 需要使用三维反演技术对数据进行反演。

图 4 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区HNL1(a)和NHNL1(b)剖面随周期变化的相位张量二维偏离度β 分布图Fig. 4 Phase tensor skewness β of MT profiles HNL1(a)and NHNL1(b)in northeastern Hainan.

3 三维反演

使用电磁三维反演程序ModEM(Kelbert et al., 2014), 基于视电阻率和相位、 副对角阻抗、 全阻抗等不同类型的数据进行反演计算。 经对比发现, 使用副对角视电阻率和相位数据进行反演的拟合效果更好。 此外, 由于挑选副对角视电阻率和相位数据的方式比较成熟, 在剔除“ 飞点” 时能保留更多数据, 因此本研究选择对副对角视电阻率和相位数据进行下一步反演。 反演共涉及50个测点, 选择320Hz~7i300s的35个频点的数据进行计算, 并对视电阻率和相位数据分别添加5%和2.846(约5%)的门槛误差。

沿正N向和正E向进行网格剖分。 正N向有42个网格, 其中包含24个宽2km的核心区网格和两侧各9个以1.5为扩展因子增加宽度的边界网格。 正E向有76个网格, 其中包含58个宽2km的核心区网格和两侧各9个以1.5为扩展因子增加宽度的边界网格。 核心区的大小为48km× 116km, 覆盖2条测线。 模型水平方向的尺寸为497km× 563km; 在深度方向共有76层网格(含7层空气层), 其中首层网格厚10m, 随着深度的增加使用不同的扩展因子增加厚度: 在2km内增长因子为1.2; 2~60km的增长因子为1.1; 60~80km的增长因子为1.2; 80~150km的增长因子为1.3; 150~800km的增长因子为1.4。 同时对层厚设置上限, 当层厚达50km时不再增加厚度。 初始模型为100Ω m的均匀半空间。 引入自适应的正则化因子, 其初始值为5i000, 当反演不再收敛时更新正则化因子为原有值的十分之一。 经过102次迭代, 最终获得的RMS为1.70。 图 5 给出了琼东北火山区2条大地电磁剖面的观测数据与模型响应伪断面图, 从图中可见模型较好地拟合了观测数据。

图 5 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区HNL1和NHNL1剖面的原始数据和三维响应伪断面图
下标obs为原始观测数据, resp为三维反演模型响应的数据Fig. 5 Pseudo-cross sections of measured and calculated XY mode and YX mode apparent resistivity and impedance phase based on 3D model for profiles HNL1 and NHNL1.

4 深部电性结构和火山结构讨论

大地电磁测深方法可十分灵敏地探测地下流体、 不同温度状态、 熔融状态下介质的电阻率属性。 此前, 在中国云南腾冲和吉林长白山火山区开展的大地电磁探测结果揭示这2座火山深部约10km处附近赋存低阻体, 推测为地壳中的岩浆囊(汤吉等, 1999; Bai et al., 2001); 而在黑龙江五大连池火山区的大地电磁探测结果则揭示其中地壳介质为高阻特性, 推测为正在固结过程中的岩浆(詹艳等, 2006)。 近年来, 大地电磁三维反演技术日益成熟, 在火山区开展密集阵列大地电磁三维探测能更精确地获取和圈闭火山区下方介质的电阻率赋存状态和位置。 例如, 在新西兰Tongariro火山获得的阵列三维大地电磁探测结果揭示了火山区下方的低阻岩浆囊的范围(Hill et al., 2015); 在南美Lagunadel Maule和Altiplano-Puma火山区开展的密集大地电磁探测不仅揭示了火山口斜下方存在低阻岩浆囊, 也揭示出其深部岩浆通道(Comeau et al., 2015; Cordell et al., 2018); 对日本Hakone火山进行的大地电磁探测研究发现其下方存在高导体, 高导体的底界面与火山下方小地震分布区的上界面吻合(Yoshimura et al., 2018); 在北美的黄石火山进行的三维大地电磁探测发现熔融体未出现在火山口下方的下地壳和上地幔中, 而是从火山口下方斜向下延伸至SW 200km处的上地幔中(Zhdanov et al., 2011; Kelbert et al., 2012)。

为了能在更多角度展示测区三维电性结构特征, 我们基于反演获得的三维电性结构图绘制了沿2条测线的垂向切片图(图6a, c), 从图中可以看出琼东北火山区分布的断裂深部延展情况、 地壳电阻率结构特征以及马鞍岭-雷虎岭火山区深部介质的电阻率属性特征。

图 6 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区HNL1和NHNL1剖面三维反演获得深部电性结构图(a、 c)和相位张量分解获得的相位旋转不变量φ 2随周期的变化分布图(b、 d)Fig. 6 Electrical structure(a and c)and phase tensor invariant(b and d)of profiles HNL1 and NHNL1.

4.1 火山区主要断裂带的深部延展状况和深部电阻率结构特征

断裂延展特征: 测区主要分布NW-SE走向的马袅-龙门断裂(F3)、 长流-仙沟断裂(F4)、 海口-云龙断裂(F5)和铺前-清澜断裂(F6)。 从图 6 可见, 在HNL1剖面中, 马袅-龙门断裂(F3)下方存在明显的电性边界带, 电性边界带向W倾斜深达20km以上。 此外, 海口-云龙断裂(F5)下方也有明显的低阻边界带。 测区其它断裂两侧介质的电性差异不大, 断裂的延伸深度较浅。 在NHNL1剖面中, 马袅-龙门断裂(F3)下方不再有明显的电性边界带结构。

深部电性结构特征: 从图 6 中可以看出, 琼东北地区的深部结构存在明显的东西差异。 NW向的长流-仙沟断裂(F4)以西自浅部到约3km深的范围呈现约几Ω m的低阻层, 这与福山坳陷里的新生代沉积对应。 在HNL1剖面中, 低阻层下方为电阻率值约10Ω m的低阻体C1。 在NHNL1剖面中, 浅表的低阻层和深部的低阻体C1之间还存在厚约2km的几十Ω m的次低阻层。 低阻体的深度达到30km, 在浅部10~15km深处分为2支并分别向上延伸。 同时, 低阻体C1在HNL1剖面中的埋深大于在NHNL1剖面中的埋深, 即在测区西部的地壳中存在碗状低阻体, 该低阻体南深北浅, 并向W倾斜。

在长流-仙沟断裂(F4)与海口-云龙断裂(F5)之间存在另一个低阻体C2。 海口-云龙断裂(F5)以东深约2km处, 电阻率值有高、 低电阻混杂发育的情况, 但在约2km深处向下至几十km深处的区域表现为完整的高阻结构(HRB), 电阻率值> 1i000Ω m, 即低阻体在琼东北地区仅出现在海口-云龙断裂(F5)以西的位置。

深部电性结构图揭示的特征在相位张量旋转不变量随周期的变化分布图(图6b, d)中也清楚地展示出来。 旋转不变量可指示地下介质的电阻率随周期的变化趋势(Heise et al., 2008), 经常用于定性分析地下介质的高、 低阻特征。 当旋转不变量> 45° 时, 电阻率值随深度的增加而降低; 当旋转不变量< 45° 时, 电阻率值随深度的增加而增加。 由图6b、 d可见旋转不变量明显存在东西差异, 西侧不同频段内的旋转不变量值普遍为高相位值, 而在东侧则为低相位值, 说明测区西侧的地下介质电阻率值明显低于东侧。

4.2 琼东北火山区岩浆系统介质的电阻率属性和可能的岩浆囊赋存形态

琼东北地区第四纪的火山活动可分为6个喷发活动期, 其中雷虎岭-马鞍岭期于全新世喷发, 是海南岛最新的火山活动期(白志达等, 2003)。 目前海南岛的火山口以及火山熔岩的分布调查表明, 琼东北地区的火山多为单次喷发火山, 火山活动存在空间迁移特征, 在时间上有减弱的趋势。

HNL1和NHNL1剖面穿过了火山口分布最密集的雷虎岭-马鞍岭火山区。 图 7 为这2条剖面及跨过雷虎岭-马鞍岭火山区的深部电性结构立体展示图。

图 7 琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区壳内低阻体结构分布Fig. 7 Distribution of high conductivity body in northeastern Hainan.

从图 2 可知, 马袅-龙门断裂(F3)与长流-仙沟断裂(F4)之间地表的火山口分布最为密集。 但从深部电性结构图像来看, 地壳中明显呈碗状向W倾斜的低阻体则出现在马袅-龙门断裂(F3)西侧的澄迈县辖区的深部区域, 其电阻率值小于几Ω m, 低阻体东西长约40km、 南北宽约30km, 其埋深在北侧靠近琼中海峡的HNL1剖面附近约为2km, 向S至NHNL1剖面逐渐加深为6km, 其底部埋深可约至25~30km, 可能靠近或穿过了该区25~26km深的莫霍面(嘉世旭等, 2006)。 琼东北火山区的大地电磁探测结果揭示中下地壳赋存的低阻岩浆囊位于雷虎岭和马鞍岭火山口西侧斜下方, 推测雷虎岭和马鞍岭火山喷发时岩浆并非从其深部垂直向上运移到地表。 近期在南美Lagunadel Maule火山区获得的大地电磁探测结果也揭示出火山口斜下方存在低阻岩浆囊, 火山口在地表的位置与深部的岩浆囊系统并不总是垂直对应的(Cordell et al., 2018), 在北美的黄石火山也发现了类似的现象(Kelbert et al., 2012)。

提取了马鞍岭和雷虎岭火山口东侧的壳内低阻体C2的结构图(图 7), 可见低阻体C2主要出现在HNL1剖面上, 在NHNL1剖面中仅出现低阻体C2的部分边界。 低阻体C2的埋深有自北向南逐渐变浅的趋势, 但在研究区的范围内均未出露地表, 也未与浅层的低阻层连通, 推测低阻体C2可能为被阻隔于壳内的岩浆囊, 但与马鞍岭和雷虎岭火山的喷发无关。

根据琼东北地区深部电性结构结果推测, 该区近期的火山岩浆来自海南岛西侧海洋区域的下地壳-上地幔中, 当岩浆进入中上地壳后继续向浅部及E向运移, 在此过程中受到长流-仙沟断裂(F4)东侧的高阻结构阻挡, 而后在长流-仙沟断裂(F4)附近喷发, 故在这个区域形成众多火山口。 在经历多次喷发后, 深部的岩浆通道逐渐关闭, 火山活动逐渐减弱, 中上地壳的岩浆逐渐冷却固结, 但不同区域的固结速度不均匀, 导致一些地段的通道已逐渐关闭, 而另一些地段的岩浆通道还在闭合过程中, 由此在现今的大地电磁结果中呈现出埋深起伏不均匀的中下地壳低阻体。

4.3 琼东北火山区岩浆系统介质的电阻率属性和小地震、 其它地球物理场分布的关系

现今的地震精确定位结果显示, 在海南岛东北部的铺前湾-冯家湾一带分布着1条SN向地震条带, 震源深度为5~15km(徐晓枫等, 2014)。 环海南岛水准和形变测量结果研究显示, 海南岛东北部的东寨港-清澜港一带存在明显地面沉降区, 与SN向小地震密集条带区域基本重合(胡亚轩等, 2018)。 胡久常等(2009)认为震群北端是1605年大地震的震中区, 推测深部可能存在正处于上升状态的岩浆囊, 岩浆活动引起了区域小地震活动, 但也不排除该区的小地震由地壳深部构造活动所引起。 洪汉净(2006)从深5~20km处的波速异常情况推测可能整个中下地壳还存在着比较活跃的热运动, 慢速上升的岩浆引发了小地震。 刘辉等(2008)认为琼北地区可能存在岩墙侵入或张性断裂膨胀。

深部电性结构图像(图 7)揭示, 在铺前-清澜断裂(F6)一带仅地表至约2km深处的地下介质的电阻率较低, 在深度2km以下到中下地壳的深部介质均为高阻性质, 中下地壳范围内没有明显的低电阻异常体。 胡亚轩等(2018)的研究认为目前铺前-清澜断裂(F6)附近的井水温、 水位变化表现平稳, 表明深部热物质没有上涌迹象, 大地电磁探测结果进一步佐证了海南岛东北部铺前湾-冯家湾小地震密集条带与地面沉陷区并非由于中下地壳存在热物质而形成(胡亚轩等, 2018)。

5 结论

本研究利用琼东北地区2条宽频带大地电磁剖面, 对该地区的断裂结构、 火山深部结构等进行探测。 研究中使用了2017年采集的33个大地电磁测点和17个该地区已有的大地电磁测点(胡久常等, 2007)数据, 在资料处理和分析过程中使用了远参考技术、 Robust技术、 相位张量分解技术等, 基于三维反演技术对2条大地电磁剖面进行成像, 获得了琼东北地区的深部电性结构。 之后, 结合深部电性结构、 相位不变量以及地表地质调查结果对琼东北地区深部结构进行了讨论。 探测结果进一步确定了琼东北火山区下方的介质属性和低阻体的赋存范围, 发现琼东北地区的电性结构存在明显的东西差异, 电阻率值东高西低。 此外, 发现在琼东北地区的地壳中存在2个低阻体, 分别为海南岛西北部澄迈县区域(即雷虎岭和马鞍岭火山口西侧)中地壳中存在的碗状向W倾斜的低阻体C1和龙泉下方的低阻体C2; 而海南岛东北部的铺前湾-冯家湾小地震密集条带与地面沉陷区的深部并没有低阻介质赋存, 排除了由于壳内火山岩浆活动造成小地震密集与地面沉陷的可能。

致谢 在野外数据采集过程中得到了海南省地震局科技处、 海南火山监测中心等单位和人员的大力支持; 杨飞、 李丰权等在野外数据采集过程给予了大力协助; 文中的电磁三维成像反演计算在中国地震局地质研究所信息中心超算平台上进行; 部分图件使用GMT绘制(Wessel et al., 2013)。 在此一并表示感谢!

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