深度地震震动揭示了中国西南部腾冲火山场下地壳下的流体动力学特征

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Deep seismic tremor reveals trans-crustal fluid dynamics beneath Tengchong Volcano Field, Southwest China

本研究首次发现腾冲火山场深部（40-50公里）持续性地震颤，揭示其与深部岩浆库活动及流体运移相关，为板内火山系统研究提供新视角。

　　

牛洁明|王欣|张明旺|陈启富|姜金忠

中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室，北京100029，中国

摘要

地壳下岩浆系统的结构和动力学决定了它们的地表表现。虽然俯冲带、裂谷和热点地区的岩浆系统已经得到了充分研究，但远离这些构造边界的板内火山仍知之甚少。在这里，我们报告了在板内腾冲火山场发现了持续的深部震颤现象。通过对12年的地震数据进行分析，发现了一种窄带震颤（0.4–2.0 Hz），这种震颤以群集形式出现，持续时间可达24小时。震颤源位于下地壳/上地幔的40–50公里深处，与多学科成像显示的深部岩浆储层位置一致。2014年至2020年间，震源区域向上迁移了约10公里，同时震颤频率也系统性地增加；这些变化与震颤振幅和震源散射的变化相关。我们将这些观测结果解释为来自深部储层的间歇性流体脉冲上升的证据。这种震颤为研究远离构造边界的板内地壳下岩浆系统的活跃能量流动提供了一种新的地震学方法。

引言

岩浆流体从深处输送到地表是一个基本过程，它控制着火山活动并塑造了地壳下岩浆系统的形态（Sigurdsson等人，2015年）。在与活跃板块边界相关的火山（如俯冲带、裂谷或热点地区）中，已经通过地震学（Chouet和Matoza，2013年；Kawakatsu和Yamamoto，2015年；McNutt和Roman，2015年；Magee等人，2018年）、地球化学（Costa等人，2020年）、岩石学（Costa等人，2020年）和大地测量学（Dzurisin，2006年）等多种方法对流体动力学进行了广泛研究（Fee和Matoza，2013年；Girona等人，2021年）。因此，这些地区通常被优先用于灾害评估（Tilling，1989年）。相比之下，远离构造边界的板内火山场受到的关注相对较少。尽管许多板内火山在全新世期间有过喷发、持续的热流、挥发性物质排放以及地下地球物理异常（例如中国的长白山、腾冲、哀思库拉火山（Yu等人，2021a；Yu等人，2021b）），但它们在传统的板块构造理论中的危险性通常被认为较低。

位于中国西南部的腾冲火山场（TVF）就是一个典型的板内火山系统（图1a）。该火山场在构造上位于欧亚板块的东南边缘（Jiang，1998年），距离活跃的印缅弧约300公里。最近一次岩浆喷发的¹⁴C年龄约为7000年前（Nakai等人，1993年），尽管沉积物的¹⁴C年龄被认为在3800–5000年前（Jiang，1998年；Li等人，2017年；Li等人，2020年）。然而，TVF仍显示出活跃的活动，包括广泛的热液系统（Zhao等人，2006年）、地幔来源的CO₂释放（Li等人，2024a，Li等人，2024b）以及火山气体中较高的³He/⁴He比率（Chen等人，2023年）。最近的一项研究在中下地壳异常区发现了深部低频地震（DLFE），表明岩浆通道系统中的某个部分存在与流体相关的不稳定性（Niu等人，2024a）（图1b）。

尽管有这些发现，一个关键问题仍未解决：TVF岩浆系统的深层部分——延伸到下地壳和上地幔——是否正在经历地震生成过程？虽然地球物理模型显示了一个复杂的多层结构，其中可能存在深部储层（Bai等人，2001年；Wang和Huangfu，2004年；J. Huang和Zhao，2006年；Li等人，2008年；Lei等人，2009年；Lei和Zhao，2016年；Wu等人，2016年；Zhang等人，2017年；Xu等人，2018年；Ye等人，2018年；Hua等人，2019年；Z. Huang等人，2019年；Peng等人，2021年；Zhao等人，2021年；Shen等人，2022年；Li等人，2024a，Li等人，2024b；Lin等人，2024年；Tan等人，2024年；Dong和Yang，2025年；Sun等人，2025年；Yang等人，2025年）（图1c），但地震目录仅限于上地壳的构造地震（Liu等人，2024年）和中地壳的DLFE（Niu等人，2024a）（图1b）。从系统最深处持续流体输送的迹象仍然难以捉摸，这在我们对TVF当前动态的理解中留下了一个关键空白。

在这里，我们首次报告了在TVF下方发现的持续深部构造震颤，揭示了其深部活动的一个先前隐藏的组成部分。利用12年的连续地震数据集（2011–2022年）（图1a）（Niu等人，2024a），我们通过网络协方差分析（图S1）（Seydoux等人，2016年）识别出长时程震颤信号，通过迭代匹配滤波技术（Niu等人，2024a）构建了全面的地震目录，分析了震颤频率的变化，并使用反投影方法（Soubestre等人，2019年）定位了震颤源。我们的结果表明，震颤起源于下地壳和上地幔，表现出系统的空间迁移和频谱演化，表明岩浆系统最深层存在持续的地震生成流体不稳定性。

值得注意的是，这种独特的观测现象通常出现在正在喷发或最近有过喷发的火山中（参见McNutt等人，1991年；McNutt，1996年；Konstantinou和Schlindwein，2003年；McNutt，2005年；Nishimura和Iguchi，2011年；Chouet和Matoza，2013年；Kawakatsu和Yamamoto，2015年；McNutt和Roman，2015年）或最近的研究（Carbajal等人，2025年；Carleo等人，2025年；Hirose和Ueda，2025年；Soubestre等人，2025年；Joachim等人，2025年；Kumagai等人，2025年；Reiss等人，2025年）、冰川（R??sli等人，2014年；Helmstetter等人，2025年）、气田（Morabito等人，2024年）和工业场所（Niyogi等人，2023年），但在远离构造边界且已休眠数千年的板内火山中却很少见到。

章节片段

地震数据和预处理

我们分析了由腾冲火山观测站运营的HS网络中12个宽频台站的连续垂直分量地震图（图1a）（Niu等人，2024a）。数据集的时间跨度为2011年1月至2022年12月。所有仪器的响应在0.03至10 Hz范围内幅度和相位都是平坦的（Niu等人，2024a），这使我们能够使用原始电压计数进行初步分析，从而保留了原始信号特征。请注意，YN网络的地震数据（

地震震颤的发现与特征

我们的分析揭示了之前未被识别的信号。该信号在0.4–2 Hz的频率带内具有异常高的空间相干性（图2a）。这种空间相干性通过从网络协方差矩阵中得到的特征值的谱宽（$\sigma$）来量化，是识别广泛存在的、全网络范围内的相干波场的有效指标（Seydoux等人，2016年）。这些震颤信号是间歇性的，2014年和2016年的检测尤为明显，

讨论

持续长时程震颤的发现从根本上扩展了TVF的地震分类。此前，其地震活动被描述为两种极端现象：上地壳内的高频火山构造地震（Liu等人，2024年）和上地壳至中地壳内的DLFE（Niu等人，2024a）。这两种信号类型都是离散的、瞬态事件。相比之下，我们报告的信号缺乏明显的相位起始，并且可以持续数小时到数月，

结论性评论

虽然我们的观测提供了深部动态的引人注目的快照，但也为未来的研究指明了关键方向。需要对候选机制（例如振荡裂纹模型（Chouet，1985年）和两相流不稳定性（Fujita等人，2011年）进行正向建模，以测试它们是否能够再现观察到的窄带谱及其系统演化。更重要的是，最近的假设提出岩浆系统内的异质结构会导致

研究数据

本研究中使用的原始波形、三步迭代的模板以及检测到的震颤目录可在Niu等人（2025年）处获取。区域地震目录可在中国地震网络中心（https://www.ceic.ac.cn/history，注意：访问可能受地区限制）和Liu等人（2024年）的补充材料中找到。DLFE目录可在Niu等人（2024b）处获取。连续地震数据可通过预先授权的账户请求

CRediT作者贡献声明

牛洁明：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。王欣：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目管理、资金获取。张明旺：撰写 – 审稿与编辑、调查。陈启富：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢腾冲火山观测站和云南地震局工作人员的支持。数据由ObsPy（https://doi.org/10.5281/zenodo.6645832处理，图表由Matplotlib（https://doi.org/10.5281/zenodo.3695547生成。这项工作得到了国家重点研发计划（2022YFF0503203/2022YFF0503101）（JN）和国家自然科学基金（42574116（JN）和42104060（JJ）的支持。我们感谢编辑，