2002～2005年长白山火山气体的释放特征与地球化学异常研究——多源高光谱遥感证据

发布时间：2019-11-30 05:31

【摘要】：长白山火山区是我国具有潜在喷发危险的活火山,在2002~2005年火山活动性增强出现了岩浆房扰动。利用卫星遥感技术具有观测范围大、观测时间长且连续的优势。因此,本文利用对流层污染探测仪(MOPITT)和大气红外探测仪(AIRS)高光谱遥感数据提取了2002~2005年长白山天池火山区CO总量、O_3总量、水汽总量和地表温度异常信息,讨论了高光谱遥感气体地球化学异常信息与火山活动性之间的关系,并对2002~2005年长白山天池火山区火山活动性进行了研究。结果表明,高光谱遥感数据观测到的气体地球化学(CO、O_3、水汽)异常与地震、形变监测结果以及地面流体(CO_2、He、H_2)观测结果相一致,表明MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的气体异常变化较好地反映了2002~2005年大规模的深部岩浆局部扰动。在2002~2005年火山活动期间,CO总量、O_3总量、水汽总量和地表温度均出现了显著异常且异常出现时段相应准偏差显著增大,反映了气体逸出量在时间上具有不均一性,可能与火山、地震活动过程中地应力的作用和变化有关。从气体异常持续的时间以及地面观测结果综合分析,2002~2005年岩浆房扰动并没有产生长时间的地幔物质流的上升和迁移。在火山活动性增强的时间段内,地表温度出现异常低值,这可能与太平洋板块俯冲过程中引起的断裂拉张增强有关。此外,火山活动过程中逸出的气体进入大气圈产生大气化学反应也会导致高光谱遥感所观测到的气体地球化学异常。研究结果为2002~2005年长白山火山活动性的研究提供了来自高光谱遥感数据的气体地球化学新证据,也对高光谱分辨率遥感数据在火山活动规律的研究以及火山监测中的应用具有一定意义。
【图文】：

长白山火山区,断裂分布,位置

图1长白山火山区位置及断裂分布图Fig.1SketchmapshowingthelocationofChangbaivolcanoandfaultdistributions对高光谱遥感技术在火山活动性监测中的应用前景进行探寻。2地质背景长白山火山区位于欧亚板块与太平洋板块相互作用的弧后构造环境，华北板块北东缘与中新生代北东向滨太平洋火山造山带交接处(金伯禄和张希友，1994;刘嘉麒，1999)，属鸭绿江-珲春裂谷带(金伯禄和张希友，1994)。长白山火山区在广义上包括我国境内的长白山天池火山、望天鹅火山、图们江火山和龙岗火山，是我国最大的第四纪火山岩分布区(樊祺诚等，2007)。火山区内发育一系列平行于NE-SW向的构造断裂(如敦化-密山断裂、依兰-伊通断裂)以及NW-SE向断裂等(金伯禄和张希友，1994)(图1)。长白山火山的喷发经历了粗面玄武岩造盾、粗面岩、碱流岩造锥和全新世碱流质岩浆喷发等阶段(樊祺诚等，2006)。K-Ar年龄测定以及以往研究结果表明，图们江火山和望天鹅火山活动始于上新世，喷发时代分别为上新世-中更新世(5.5～0.19Ma)和上新世-早更新世(4.77～2.12Ma)(樊祺诚等，2007)。天池火山和龙岗火山均属于第四纪火山，喷发活动从早更新世(约2Ma)持续到全新世(樊祺诚等，2006)。3数据和方法MOPITT和AIRS分别为搭载于极轨卫星EOS-Terra和EOS-Aqua卫星平台上的高光谱分辨率传感器。MOPITT传感器由加拿大欧空局于1999年12月发射升空，2000年3月开始向地面提供观测数据，第一次连续全面地提供了覆盖全球的CO观测数据。MOPITT传感器水平分辨率22km，扫描宽度640km，垂直分辨率3km，共8个波段(Deeter，2011)，可对全球对流层CO和CH4总柱含量进行测量。由于发射后故障，目前只有4个波段进行工作，可对全球对流层CO总柱含量进行观测。AIRS传感器于2002年5月发射升空，数

残差图,年变,长白山天池火山区,残差

图2MOPITT降轨数据观测的长白山天池火山区2002～2005年CO总量年变残差变化(ΔMCO)与(ΔMSST)变化灰色区域表示本次研究的时间段，红色点线表示异常阈值.年变残差的变化超出异常界阈值则视为异常Fig.2ResidualvariationsoftotalCO(ΔMCO)andsurfaceskintemperature(ΔMSST)intheChangbaivolcanofromMOPITTsatellitedataindescendingmodeGreyregionandreddottedlinesshowingthestudiedperiod(2002～2005)andthethresholds，respectively.Theanomalyisidentifiediftheresidualvariationsexceedtheestablishedthreshold及地表温度值作为观测值(S)。将观测值(S)去除气体变化基准场(S)后的残余部分称为年变残差ΔM(t)(公式2)。ΔM(t)=S(xi，j，yi，j，t)－S(xi，j，yi，j，t)(2)数据分析过程中，采用年变残差的平均值加减2倍标准差作为异常阈值，对气体异常进行判断。若年变残差(ΔM(t))的变化超出异常界阈值，，则视为气体异常。4结果4.1MOPITT观测到的气体地球化学异常图2a和图2b分别显示了从MOPITT高光谱遥感数据提取的长白山天池火山区2002～2015年间CO总量年变残差(ΔMCO)(图2a)和地表温度年变残差(ΔMSST)(图2b)的变化情况。2002～2005年，ΔMCO从2002年8月开始升高，在2003年超出异常阈值，出现多年ΔMCO异常高值(4.7×1017mole/cm2)。在多年连续观测时间序列中，ΔMSST在2002年出现异常低值(－8.7K)(图2a)。长时间序列(2002～2015年)残差变化显示，除2002～2005年异常外，ΔMSST在2006～2008年出现异常波动升高，而同时期ΔMCO在异常阈值内也呈升高趋势，但未突破异常阈值(图2a)。在2010年3月，ΔMSST再次突破异常阈值出现低值(－5.4K)(图2b)。4.2AIRS观

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