李俊秀，葉濤，張慧茜，黃清華,3*

1 北京大學地球與空間科學學院地球物理學系，北京 100871 2 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085 3 河北紅山地球物理國家野外科學觀測研究站，北京大學，北京 100871

0 引言

騰沖火山位于青藏高原東南緣南部，地處印度板塊與歐亞大陸碰撞前緣，是中國大陸著名的板內(nèi)火山.騰沖火山區(qū)分布從上新世到全新世68座不同活動時代的火山，火山活動早期主要分布在騰沖盆地西北和東南兩端，早更新世向盆地中心遷移，晚更新世至全新世活動規(guī)模開始收縮，集中于盆地中心的南北線上(韓新民等, 1996; 姜朝松, 1998; 皇甫崗和姜朝松, 2000; 李大明等, 2000; 趙昕煒等, 2020).騰沖火山群屬于高鉀鈣堿性系列, 主要由玄武巖、安山巖、英安巖系列巖石組成，從基性巖到酸性巖都有分布(陳延方, 2003; 徐翠玲等, 2012).關于騰沖火山活動的研究結果和資料表明，騰沖火山群地下巖漿并未停止活動，潛伏著再次噴發(fā)的危險(皇甫崗和姜朝松, 2000).據(jù)《徐霞客游記》記載，騰沖火山在1609年發(fā)生過噴發(fā)，此后一直處于休眠狀態(tài)，現(xiàn)今仍能觀察到其他熱液活動的存在，其未來可能會發(fā)生更大的熱液噴發(fā)(Shangguan et al., 2005).騰沖火山巖漿演化結果(樊祺誠等, 1999)表明，騰沖火山巖漿未來可能向富堿和富硅的酸性巖漿演化，其噴發(fā)將更具爆炸性和災害性.火山活動與其深部的巖漿源區(qū)的幾何結構和分布直接相關.因此，對騰沖火山巖漿源區(qū)的深部結構研究具有重要的科學意義.

騰沖地區(qū)開展的深部結構研究表明，騰沖火山區(qū)地殼厚度約30～40 km(鄧嘉美等, 2014; 張龍等, 2015; 胥頤等, 2017)，巖石圈厚度約78.2～88 km.巖石圈呈現(xiàn)可能由該區(qū)拉張與減薄作用形成的穹隆狀結構(張龍等, 2015).同時，騰沖火山區(qū)表現(xiàn)為負重力異常值和強磁異常(姜枚等, 2016)、高熱流值(周真恒等, 1997)、高3He/4He值(趙慈平等, 2012)、低速(王椿鏞等, 2002; Wang and Gang, 2004; 楊曉濤等, 2011; Xu et al., 2012; Wu et al., 2016; 李雪壘等, 2017; Li et al., 2018; Hua et al., 2019)和低阻(孫潔等, 1989; Bai et al., 2001; 譚捍東等, 2013; Ye et al., 2018)等地球物理特征.這些地球物理參數(shù)特征指示騰沖火山區(qū)下方存在巖漿囊.然而，巖漿囊的分布和幾何結構特征尚不清晰，存在較大爭議.根據(jù)相對地熱梯度，趙慈平等(2006)推測騰沖火山區(qū)在4～12 km地殼深度存在三個橫向尺度在19～28 km的巖漿囊.騰沖火山區(qū)P波和S波速度結構顯示在地殼中存在地震低速異常，并推測這些低速異常為地殼巖漿囊(Wang and Gang, 2004; 楊曉濤等, 2011; 李雪壘等, 2017).該區(qū)地殼中存在三個高VP/VS比值，推測該區(qū)存在三個巖漿囊(Hua et al., 2019).大地電磁測深(MT)研究(Bai et al., 2001; 譚捍東等, 2013)分別在熱海地熱田下方5～15 km和馬站地區(qū)下方12～30 km深度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩個巖漿囊.Ye等(2018)利用騰沖火山區(qū)78個MT臺站獲得了該區(qū)地殼三維電性結構，發(fā)現(xiàn)火山區(qū)由南至北在瑞滇—固東、馬站—曲石以及熱海地區(qū)分別存在三個以低電阻率為特征的地殼巖漿囊，巖漿囊深度10～30 km.但是上述研究關于騰沖火山地殼巖漿囊的分布位置和幾何結構并未形成共識，仍需進一步研究討論.此外，關于騰沖火山下方是否存在巖石圈上地幔巖漿源區(qū)還有待證實，地震學結果(Wu et al., 2016; Li et al., 2018)顯示騰沖火山下方可能存在以地震低速為特征的巖石圈上地幔巖漿囊結構.然而，騰沖地區(qū)迄今開展的深部電性結構研究結果中并未看到存在上地幔巖漿囊的電性結構證據(jù).前人研究中(Bai et al., 2001; 譚捍東等, 2013; Ye et al., 2018)均基于寬頻帶MT數(shù)據(jù)，反演探測深度局限于地殼尺度，未能獲得上地幔尺度的電性結構特征，從而制約了對騰沖火山巖漿源區(qū)結構的全面認識.因此，騰沖火山地殼巖漿囊分布和是否存在巖石圈上地幔巖漿源區(qū)還缺乏較全面認識.

大地電磁測深法是一種基于天然交變電磁場探測地球內(nèi)部電阻率分布的地球物理方法，具有對地球內(nèi)部的溫度、水和熔融流體敏感等優(yōu)勢而廣泛應用于全球范圍火山區(qū)的深部電性結構研究中(如, Aizawa et al., 2014; Zhang et al., 2016; Gao et al., 2020; Abdallah et al., 2020; 李世文等, 2020).2011—2013年和2015—2017年間，中國地震局地質(zhì)研究所和北京大學理論與地球物理研究所，在滇西完成了一個170個MT臺站組成的陣列.與以往的大地電磁測深研究相比，研究區(qū)域更大，對討論騰沖火山區(qū)地下電性結構更完備.之前的三維大地電磁測深結果已經(jīng)揭示在騰沖火山區(qū)中下地殼存在三個巖漿囊(Ye et al., 2018)，但仍可能還存在未知的巖漿囊結構特征.Ye等(2020)利用這170個MT數(shù)據(jù)獲得了滇西地區(qū)精細的電性結構模型，并對盈江地震和龍陵地震的發(fā)震機制進行了討論，但未對該模型中騰沖火山的巖漿系統(tǒng)進行討論.本文將在此基礎上，對騰沖火山區(qū)深部巖漿源區(qū)(巖漿囊)結構進行更全面討論，綜合相關地球物理探測結果，提出騰沖火山區(qū)多地球物理參數(shù)模型.

1 MT方法和數(shù)據(jù)

大地電磁測深法利用含有巨大能量的天然電磁場為場源，具有很強的能量和極寬的頻帶范圍，能夠穿透高阻層，對低阻體的分辨能力強，可探測到地下幾十甚至上百公里深度.通過測量地球電磁場的時變波動，并在頻率域內(nèi)對這些數(shù)據(jù)進行反演，從而對地下電阻率結構進行成像.在頻率域，電場和磁場可以通過復阻抗的二階張量與麥克斯韋方程組聯(lián)系起來：

(1)

其中，ω為角頻率，Z為復阻抗，E為電場強度，H為磁場強度.復阻抗通常表示為視電阻率(ρa)和相位(φ)：

(2)

φij=arctan(Zij).

(3)

本文基于的滇西地區(qū)170個大地電磁測深數(shù)據(jù)如圖1所示，其中62個測點數(shù)據(jù)為2011—2013年間由中國地震局地質(zhì)研究所用加拿大Phoenix V5-2000系統(tǒng)并采用遠參考道技術(Gamble et al., 1976)觀測獲得(圖1中藍色三角形)，其余108個測點數(shù)據(jù)為北京大學理論與地球物理研究所于2015—2017年間采用德國Metronix GMS-07e系統(tǒng)進行采集(圖1中黑色三角形).野外采用標準5分量十字型布站方式，觀測電磁場5分量Ex、Ey、Hx、Hy、Hz的時間序列.每個測點的觀測時間40個小時左右.對兩種儀器所采集的原始時間序列分別進行快速傅里葉變換和人工挑選等一系列處理后得到功率譜文件和MT頻率域響應.研究區(qū)內(nèi)大部分寬頻帶測點有效頻率范圍為0.001～100 Hz.Ye等(2020)利用基于非線性共軛梯度(NLCG)(Newman and Alumbaugh, 2000)的模塊化反演代碼ModEM(Egbert and Kelbert, 2012; Kelbert et al., 2014)獲得了研究區(qū)內(nèi)的三維電性結構模型.

圖1 大地電磁測深臺站、火山分布

2 騰沖火山區(qū)下方的巖漿系統(tǒng)

基于Ye 等(2020)中的三維電性結構模型，本文首先對騰沖地區(qū)地殼巖漿囊的分布和幾何形態(tài)及其物質(zhì)成分進行了進一步討論；之后通過長周期MT合成數(shù)據(jù)探討在該區(qū)地殼中大規(guī)模低阻異常的屏蔽作用下，長周期MT數(shù)據(jù)對巖石圈尺度的電性結構約束程度，以提供騰沖火山深部巖漿源區(qū)結構的進一步研究方案.

2.1 騰沖火山區(qū)中下地殼巖漿囊分布

Ye等(2020)中的三維電性結構的水平切片顯示騰沖火山區(qū)中下地殼存在三個低阻異常體C1、C2、C3.為了更好的觀察三個低阻異常體的形態(tài)，繪制了圖1中粗黑線對應的三個垂直剖面圖的反演結果(圖2a、2b、2c).圖1顯示騰沖地區(qū)的火山分布呈南北走向.剖面1沿著火山分布走向；剖面2沿著檳榔江斷裂和大盈江斷裂；剖面3大致垂直于火山分布走向，過火山區(qū)中心.垂直剖面1(圖2a)顯示，C1異常體位于剖面1的最北端，在瑞滇至馬站一帶下方10～25 km深度范圍內(nèi)，之前的二維MT剖面也顯示在馬站地區(qū)下方12～30 km深度內(nèi)存在巖漿囊(譚捍東等, 2013)，并且在C1附近有大規(guī)模的火山巖出露，C1可能為這些火山巖的來源.C3異常體在剖面1的南端熱海地區(qū)的下方，深度范圍7～20 km，Bai等(2001)在熱海地區(qū)的二維MT剖面也揭示了在中下地殼存在低阻巖漿囊結構.剖面1附近的二維速度結構顯示在地殼中存在大規(guī)模低速異常(Wang and Gang, 2004; 李雪壘等, 2017)，與在剖面1下方發(fā)現(xiàn)的低阻異常體對應.在Ye等(2018)的三維電性結構模型中，騰沖火山區(qū)中下地殼內(nèi)由北至南存在三個導電異常體并解釋為巖漿囊，分別位于瑞滇、馬站南側、熱海下方10～30 km深度范圍內(nèi).與該結果相比，Ye等(2020)的結果中C1、C3與其形態(tài)相似，但規(guī)模更大；另外，在芒章一帶有火山巖分布，并且芒章至盈江一帶相對地熱梯度值較高(趙慈平等, 2006)，騰沖至盈江一帶下方15 km深度范圍內(nèi)也表現(xiàn)為低P波速度(楊曉濤等, 2011)，因此，我們認為Ye等(2018)研究結果中發(fā)現(xiàn)的地殼巖漿囊C2橫向上可能延伸至騰沖以西的盈江地區(qū).

圖2 (a)、(b)、(c)分別為剖面1、2、3的垂直切片圖(剖面的位置見圖1).(d)、(e)分別為剖面2和剖面3對應的測試結果，即在深度范圍9.4～19.7 km，將C2異常體位置處的電阻率值設置為旁側的電阻率值1000 Ωm，并在反演過程中保持該區(qū)域的電阻率值不變的情況下所得的反演結果

由于C2異常體與前人的結果差異最大，為了進一步驗證C2低阻異常體的可靠性，本文使用ModEM程序?qū)ζ溥M行了可靠性測試.首先將異常體C2處的電阻率值設置為周圍塊體的電阻率值1000 Ωm，將修改后的模型作為測試模型，正演得到相應的MT視電阻率和相位的響應曲線，與原始模型的響應曲線一起和實測數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示，C2異常體上方的測點的測試模型響應曲線和實測數(shù)據(jù)存在明顯的偏差，說明數(shù)據(jù)對C2異常體的約束能力強.為了進一步驗證用高阻結構替換C2低阻結構所帶來的影響，將修改后的模型作為初始模型，使用實測數(shù)據(jù)進行反演，異常體C2內(nèi)部的電阻率值在反演迭代過程中保持不變.將原始模型(圖2b、2c)和進行修改后的反演結果(圖2d、2e)進行對比，發(fā)現(xiàn)在C2異常體下方和旁側出現(xiàn)了大規(guī)模的低阻異常，說明擬合數(shù)據(jù)需要下方的C2低阻異常體.上述敏感度測試結果表明，原始模型中的C2低阻異常體是可靠的.

圖3 C2異常體位置處兩個典型測點(測點位置在圖2b、2c中標出)的不同模型響應的視電阻率和相位曲線

C2異常體從騰沖火山區(qū)中部向西沿著檳榔江斷裂和大盈江斷裂分布，檳榔江斷裂和大盈江斷裂為左旋走滑斷層.P波速度結構顯示騰沖火山區(qū)東西方向為非對稱的地殼結構，西側的速度明顯偏低(楊曉濤等, 2011; Xu et al., 2012)，這與西側的高導體對應.晚中新世-早上新世期間，騰沖地塊內(nèi)部以左旋運動為主，比如大盈江斷裂，騰沖地區(qū)由于巖石圈拆沉作用形成東西向伸展構造，但左旋走滑運動制約著火山區(qū)南北走向凹陷展布，為火山噴發(fā)提供了通道(季建清等, 2000).在這一時期，騰沖火山區(qū)的巖漿可能沿著檳榔江斷裂和大盈江斷裂向西延展.因此，我們認為Ye 等(2020)中的C2結構可能是與騰沖火山區(qū)地殼巖漿囊同源的地殼巖漿囊結構.

2.2 地殼巖漿囊熔融流體含量分析

騰沖地區(qū)火山巖為高鉀鈣堿性系列，巖性主要為安山玄武巖、安山巖(徐翠玲等, 2012).騰沖新生代火山巖流體中水含量高(余明等, 2014).從熱泉逸出的氣體的碳同位素分餾結果表明，騰沖火山區(qū)下方巖漿囊中心位置的溫度在700～1200 ℃之間(趙慈平等, 2011).根據(jù)安山巖熔體含水量隨溫度變化與熔體電阻率的關系(Guo et al., 2017; Cordell et al., 2018)可知，安山巖熔體在1000 ℃，含水量為6 wt%和8 wt%時，安山巖熔體的電阻率分別約為0.3 Ωm和0.1 Ωm.騰沖火山區(qū)的巖漿囊的體電阻率的平均值約為10 Ωm，圍巖的電阻率約為1000 Ωm.根據(jù)修正的阿爾奇公式(Glover et al., 2000)：

σb=σmφm+σh(1-φ)p,

(4)

(5)

其中，σb為體電阻率，σm為熔體電阻率，σh為圍巖的電阻率值，φ為熔體百分數(shù)，m為連通系數(shù)，對于大多數(shù)巖石，m的值在1.5(連通良好)到2.5(連通不良)之間.對于巖漿囊，我們認為熔體連通良好，取m=1.5.繪制了熔體電阻率為0.1 Ωm和0.3 Ωm時熔體百分數(shù)和體電阻率的關系圖(圖4)，可以看到體電阻率為10 Ωm時，熔體的百分數(shù)為4.5%～9.4%.需要注意的是，由于我們對地下的溫度、礦物以及熔體的幾何形態(tài)了解有限，是無法做到精確估算的.根據(jù)我們的估算，騰沖火山區(qū)巖漿囊的熔體體積分數(shù)相對較高，在4.5%～9.4%之間.

圖4 不同熔體電阻率值時體電阻率隨熔體百分數(shù)的變化

2.3 騰沖火山區(qū)巖石圈上地幔巖漿囊

地震層析成像結果顯示在騰沖火山15～25 km和50～80 km深度有低速異常分布，認為在上地幔中存在巖漿囊，為地殼中的巖漿囊提供物質(zhì)來源(Wu et al., 2016).但目前三維電性結構模型無法提供騰沖火山區(qū)上地幔巖漿囊的電性結構證據(jù).大地電磁測深對低阻異常體十分敏感，騰沖火山區(qū)地殼中存在大規(guī)模的低阻異常，會造成對其下方異常體的屏蔽作用，根據(jù)大地電磁的趨膚效應，周期越長，探測的深度越深，增加各測點數(shù)據(jù)周期長度，能夠提高深部的分辨率.為了驗證在騰沖火山區(qū)地殼中存在大規(guī)模低阻異常體的情況下，長周期MT數(shù)據(jù)是否能為上地幔中的電性結構提供約束，本文使用了ModEM程序進行了長周期MT理論數(shù)據(jù)反演測試.我們在騰沖火山區(qū)上地幔中設置了不同的異常體進行測試.在最優(yōu)反演模型(圖5)基礎上，在騰沖火山區(qū)下方50～70 km深度范圍設置了兩種規(guī)模的低阻異常體.在本研究的MT臺站位置處，使用了兩種長度周期的數(shù)據(jù)分別對這兩個模型進行測試，第一種為寬頻帶數(shù)據(jù)，周期范圍為0.01～1000 s；第二種為長周期數(shù)據(jù)，周期范圍為0.01～20000 s.使用阻抗張量的非對角元素進行反演，采用電阻率分別為20 Ωm和100 Ωm的均勻半空間初始模型.

圖5 原始模型.分別繪制了50 km深度的水平切片、南北向和東西向垂直剖面

初始模型為100 Ωm的均勻半空間時，兩個模型的測試結果分別如圖6、7所示.上地幔中異常體規(guī)模為90 km(x)×60 km(y)×20 km(z)時，根據(jù)周期為0.01～1000 s的數(shù)據(jù)的反演結果(圖6a)，50 km深度水平切片顯示在設置的異常體位置附近有大范圍的低阻異常出現(xiàn)，南北向剖面顯示上方的低阻異常體呈向下延伸，東西向剖面顯示在50 km深度以下有一個寬度約50 km、電阻率值約15 Ωm的低阻異常；長周期數(shù)據(jù)的反演結果(圖6b)與其相比，南北向剖面中低阻異常向南延伸與剖面中部地殼中的良導體相連.總體來說，上地幔中異常體的規(guī)模很大時，長周期數(shù)據(jù)和寬頻帶數(shù)據(jù)的反演結果對異常體都有所反映.上地幔中設置異常體規(guī)模為60 km(x)×40 km(y)×20 km(z)時(圖7)，寬頻帶數(shù)據(jù)反演結果對添加的異常體反映微弱，長周期數(shù)據(jù)反演結果反映則較為明顯.

圖6 上地幔中設置90 km(x)×60 km(y)×20 km(z)、電阻率值為3 Ωm的低阻異常體的反演結果.分別繪制了50 km深度的水平切片、過異常體的南北向和東西向垂直剖面

圖7 上地幔中設置60 km(x)×40 km(y)×20 km(z)、電阻率值為3 Ωm的低阻異常體的反演結果，分別繪制了50 km深度的水平切片、過異常體的南北向和東西向垂直剖面

為了觀察數(shù)據(jù)對添加的異常體的響應，選取了在設置的異常體中心(3號測點)和邊緣(4號測點)位置處的兩個測點，繪制視電阻率和相位曲線如圖8所示，測點的位置在圖6和圖7中標出，對比兩個測點的響應曲線，位于中心的測點對添加的低阻異常體的反映更為明顯.當異常體規(guī)模較大時(圖8a)，測點的視電阻率曲線顯示數(shù)據(jù)周期達到1000 s，加了異常體的模型及其反演結果比未加異常體的模型響應曲線值更低，表明對添加的低阻異常體有所反映，周期越長，這種偏差越明顯，對上地幔中的低阻異常體的反映也更強，模型在添加異常體的前后產(chǎn)生了3°左右的相位差值.當異常體規(guī)模小一些時(圖8b)，添加低阻異常體前后的視電阻率和相位的曲線的差值更小，視電阻率曲線顯示在1000 s時無法將二者區(qū)分開來，因此需要更長周期的數(shù)據(jù)才能反映出設置在上地幔的低阻異常體.測點的響應曲線與上述的反演結果是一致的.初始模型為20 Ωm均勻半空間時的反演測試結果與初始模型為100 Ωm均勻半空間時的測試結果所得結論基本一致.測試結果中，雖然寬頻帶數(shù)據(jù)對上地幔中較大的低阻異常體有微弱的反映，但考慮到騰沖火山區(qū)地殼中存在較大規(guī)模的低阻異常，信號在到達上地幔前衰減很強，加上實際測量過程中噪聲的干擾，有效信號極易被掩蓋，而長周期數(shù)據(jù)能在一定程度上提高信號在深部的分辨率.因此，未來探討騰沖火山區(qū)巖石圈尺度的電性結構還需要長周期MT數(shù)據(jù)的支持.

圖8 上地幔中設置的高導體位置處的兩個測點的視電阻率和相位曲線

3 討論

基于前文2.1節(jié)中的分析認為騰沖火山區(qū)中下地殼的三個良導體為地殼中的巖漿囊.三個巖漿囊都在高黎貢剪切帶西側，第一個位于瑞滇—固東一帶，第二個位于芒章—盈江一帶，第三個位于熱海一帶.王椿鏞等(2002)的三維S波及P波速度結構以及Wu等(2016)和Li等(2018)的三維S波速度結構均顯示，除了在地殼中存在低速異常外，在上地幔中也有低速異常的存在.巖石學和地球化學的結果表明騰沖火山起源于上地幔(Du et al., 2005; Duan et al., 2019).因此，推測地殼中的巖漿囊來源于上地幔，可能存在上地幔中的巖漿囊.

晚中新世-全新世期間，騰沖火山經(jīng)歷了多期構造變形和火山噴發(fā)，火山噴發(fā)受該區(qū)的扭張變形過程中發(fā)育的構造控制，目前騰沖火山區(qū)的應力狀態(tài)為NNE-NE向擠壓、WNW-NW向拉張(Wang et al., 2007)，騰沖火山區(qū)的拉張變形為巖漿提供了上升通道，這種拉張變形可能和騰沖地區(qū)的巖石圈拆沉有關.三維S波速度結構顯示在騰沖火山上地幔頂部發(fā)現(xiàn)了類似于巖漿管道的低速異常(Wu et al., 2016)，并且騰沖火山區(qū)存在超殼斷層(Wang and Gang, 2004).因此，地幔中的巖漿囊受到高壓可能通過巖漿管道或斷裂系統(tǒng)向上遷移，為地殼中的巖漿囊提供深部來源.

結合前人的研究，基于騰沖火山區(qū)的三維電性結構模型，我們提出的多參數(shù)的騰沖火山模型如圖9所示，在該模型中，在地殼中存在三個巖漿囊，可能存在上地幔巖漿囊，上地幔和地殼中的巖漿囊可能存在殼幔深部動力過程的相互作用.但是，目前還沒有發(fā)現(xiàn)上地幔巖漿囊的電性結構證據(jù)，我們的測試結果表明，長周期MT數(shù)據(jù)能反映騰沖火山區(qū)巖石圈尺度電性結構.因此，在騰沖火山區(qū)布設更多的長周期MT臺站能幫助我們更好地認識火山區(qū)上地幔中的巖漿系統(tǒng).

圖9 多地球物理參數(shù)的騰沖火山巖石圈尺度的巖漿系統(tǒng)模型

4 結論

在本文研究中，由大地電磁測深得到的三維電阻率模型結合其他地球物理資料提出了騰沖火山區(qū)巖石圈尺度的巖漿系統(tǒng)模型.在中下地殼內(nèi)存在三個巖漿囊，第一個位于瑞滇—馬站一帶下方10～25 km深度；第二個從騰沖火山中部沿檳榔江斷裂和大盈江斷裂向西延展，深度范圍5～20 km；第三個位于熱海一帶下方7～20 km.地殼中的巖漿囊成分為含水的熔融體，根據(jù)修正的阿奇公式計算得到熔體百分數(shù)在4.5%～9.4%之間.騰沖火山區(qū)可能存在上地幔巖漿囊，但目前的寬頻帶MT結果無法給出直接的證據(jù)，我們在騰沖火山區(qū)上地幔中設置低阻異常體，并利用寬頻帶MT和長周期MT數(shù)據(jù)進行測試，測試結果顯示長周期MT數(shù)據(jù)能為騰沖火山區(qū)巖石圈尺度的電性結構提供可靠的約束.因此，對于騰沖火山區(qū)地殼中巖漿囊的來源以及殼幔物質(zhì)相互作用的研究需要長周期MT觀測的支持.