长白山是中国东北和朝鲜边境的界山，火山口当中为天池，水面海拔2150 m，平均水深204 m，为中国最深的湖泊，也是中朝两国的界湖，蓄水量超过20亿m³.长白山天池火山是我国保存最为完整的新生代多成因复合火山(刘若新等，1995)，在地质构造上，长白山天池火山地处在西太平洋深俯冲带上，属于鸭绿江—珲春裂谷带，该区发育一系列由北东向、北西向断裂组成的网状断裂(金柏禄，1994).火山活动经历了造盾(2.77~1.203 Ma早更新世)、造锥(1.12~0.04 Ma中—晚更新世)和全新世喷发三个发展阶段，三个阶段岩浆成分从玄武质→粗面质→碱流质代表其演化过程.历史上长白山地区有过多次喷发的“史料记载”，1668年、1702年和1903年三次天池火山喷发是可信的.通过火山地质学和精细的14C年代学研究，全新世以来天池火山至少有两次(公元1199年和约5000年前)大规模喷发.公元1199—1201年天池火山大喷发是全球近2000年来最大的一次喷发事件，当时喷出的火山灰降落到远至日本海及日本北部.长白山天池是我国第四纪火山活动最强烈的地区之一，也是我国近期喷发危险性最大的火山之一(刘若新等，1995).

汤吉等(1997，2001)在长白山天池火山口及附近地区，共完成5条伞状测线和1条北西向测线，进行了61个大地电磁测深点的观测，其探测结果表明：在长白山天池及其以北和以东地区，约12 km深处存在电阻率很低的地质体，电阻率为10到几十Ωm，可能是地壳岩浆囊.针对外媒体称长白山天池火山近期有可能喷发的言论，2012年度，国土资源部公益性行业科研专项“长白山火山监测与活动性研究”下属课题之一“长白山火山岩区大地电磁测深与地温监测”在长白山地区跨过天池火山口布测了一条大地电磁测深测量剖面，对火山口下方深部电性结构重新进行探测研究.本次探测结果旨在探明火山区地下岩浆囊系统和地壳上地幔电性结构特征，为火山的喷发危险性预测和灾害评价提供地球物理依据. 2 数据采集

随着国家加大对长白山景区的开发与利用，研究区内各种电磁干扰较为严重，因此，采集到质量可靠的电磁数据和后续资料的精细处理成为项目两大主要关键技术难题.根据长白山天池火山区地质构造及深部结构的研究(金柏禄等，1994；刘若新等，1995；汤吉等，1997)和天然地震震中分布(李继泰等，1995)探测结果，研究区在区域上整体表现为北西、北北西向的二维构造特征，区域构造背景上存在着局部三维异常体.由于研究区大多数为原始森林所覆盖，植被茂盛，地形起伏较大，要想布置一条直线型观测剖面基本不可能.根据区域地质构造走向和实际地形条件，同时为了与以往工作成果作对比研究，部署1条长度约100 km北偏东向大地电磁 测深观测剖面(图 1)，设计宽频大地电磁测深点和长周期大地电磁测深点各41个，点距约2.5 km.

图 1

Fig. 1

图 1 长白山火山岩地区MT实测点位分布图 Fig. 1 Distribution of MT station at the volcanic area in Changbaishan Mountain

野外数据采集时间是在2012年6—10月进行的.考虑到研究区内电磁干扰较为严重，尤其是对低频段信息的干扰更为明显，因此，采用当前国内外主流的感应式MTU-5P宽频大地电磁测深仪和磁通门式LEMI417M长周期大地电磁测深仪器进行组合观测，同测量点位长周期仪器采集处理得到的低频数据质量通常要好于宽频测量仪器(叶高峰，2013)，通过该两套仪器组合对比分析，可以获取测点深部较为准确可靠的低频段信息.该两套仪器具有轻便灵活、灵敏度高、性能稳定可靠、频带宽等特点，并能记录原始的时间序列，便于对原始时间序列进行选择和再处理，以提高数据的信噪比及各种资料的质量.野外测量工作采用张量观测方式，即同时观测E_x、E_y、H_x、H_y、H_z五个分量，其中宽频大地电磁测深仪观测频段范围为320~1/1000 Hz，采集时间30 h；长周期大地电磁测深仪观测频段范围为1/500~1/10000 Hz，采集时间4 d.图 2为C03号测点的采用该两套仪器进行组合观测的大地电磁测深曲线，可以看出LEMI417M长周期大地电磁测深仪在低频段的采集信号质量要优于MTU-5P宽频大地电磁测深仪，通过利用该两套仪器在同一测点进行组合观测的测量方式，可以较好地控制测点在低频段的数据质量.

图 2

Fig. 2

图 2 C03号测点大地电磁测深曲线 Fig. 2 Magnetotelluric sounding curve of No.C03 station

野外数据采集过程中，依据相关技术规程，采用仪器一致性试验和测点重复检查两种方式对数据进行质量控制.针对研究区内强电磁干扰，所有测点均 采用了远参考处理技术、“Robust”数据处理、“Rhoplus” 分析和基于层状介质电阻率与相位互算技术等先进处理办法，获取到一批在强干扰区质量较为可靠的电磁数据，为后续开展资料分析和数据反演工作奠定了坚实基础. 3.1 远参考处理技术

远参考MT方法应用了同一时刻的磁场信号在一定范围内变化不太大、而一定距离范围之外测点与参考点间噪声一般满足不相关的特点，使该方法具有一定压制干扰的作用.严良俊(1998)将该方法应用于南方某一人文干扰较强的实测工区，取得了较好的应用效果.本次野外数据采集过程中，在研究区外围40 km之外，选择一地形平坦、电磁数据干净的点位部署一长期远参考站，研究区内所有测点采集的数据均经过该参考站进行远参考处理，对比测点处理前后的视电阻率和相位曲线(图 3)，可以看出远参考处理技术对研究区内的电磁干扰具有较好的压制效果.

图 3

Fig. 3

图 3 C14号测点远参考处理前后对比图 (a)C14号测点单点处理结果;(b)C14号测点经远参考处理之后结果. Fig. 3 Comparison between independent processing results and remote processing results of No. C14 station (a)Independent processing results;(b)Remote processing results.

地表不均匀体周围聚积电荷所产生的附加电场造成了测深曲线整体偏移的“静位移”现象，这种现象不经过处理直接参与反演计算会带来较大的解释误差，易产生虚假的地质异常.静位移校正的各种方法中，用得较多的方法有空间滤波法、首支重合法、相位校正法等，其中尤以空间滤波法得以广泛应用，在地表介质复杂地段，上述各种校正方法均具有一定的局限性.在横向均匀介质情况下，根据测点相似和区域相似原理，同一测点两支视电阻率曲线的高频段在数据值上应趋于一致，相邻测点的视电阻率曲线的高频段在数值上应接近.在横向非均匀性较强的情况下，结合相位数据，采用手动的方式进行校正可以获得相对可靠的静位移校正曲线.陈小斌通过对理论模型的数据模拟，发现静位移对视电阻率曲线影响较大，而对相位影响相对较小，尤其是对低 频段的相位影响基本消失.本文对所有测点结合相位数据进行统一分析，根据静位移对视电阻率影响较大对相位影响较小这一特点，采用手动的方式对视电阻率曲线进行静位移校正. 3.3 基于层状介质电阻率与相位互算技术

在一维介质中，由于大地电磁阻抗是最小相位的响应函数，对于最小相位响应函数来说，幅值和相位角之间的关系可由希尔伯特转换公式给出：

图 4

Fig. 4

图 4 C14号测点处理结果 (a)C14号点实测曲线与理论值对比分析;(b)C14号点编辑之后处理结果. Fig. 4 Processing results of No.C14 station (a)Analysis of sounding curve and theoretical curve；(b)Processing results of NO.C14 staion after edit.

“Robust”数据处理：根据观测误差的剩余功率谱的大小对数据进行加权，注重未被干扰的数据，降低突变点数据的权，使它对大地电磁阻抗估算值的影响最小，从而明显改善受电磁噪声污染的单站大地电磁测深资料(Egbert，1986).Robust处理方法是目前国际公认的最优方法之一，特别是在人文干扰相对较大的地区，通过增加资料的记录长度，使其满足统计规律的标准，如果有足够多的记录，利用该方法可以得到较为可靠的处理结果.

“Rhoplus”分析：研究结果表明，对于任意的一维地电断面，其大地电磁响应可以表示成由一系列δ函数组成的系统对应的响应.对于二维地电断面，TM模式对应的视电阻率和相位资料，也应该严格地满足上述结论.因此，“Rhoplus”分析主要用于对弱信号或强干扰的观测数据进行校正，以及对仪器和数据预处理软件的可靠性进行分析(Weidelt，1994).

复阻抗张量分解是基于阻抗张量概念而发展的一套先进的大地电磁数据处理与分析技术，是构造维性分析、局部畸变校正的主要理论基础.利用矩阵运算，可把实测的张量阻抗矩阵分解成由畸变参数、未畸变张量阻抗矩阵元素和比例因子组成的表达式.用加权最小二乘法求解未知参数，即可得到区域构造走向的方向和畸变参数(McNeice，2001).野外采集数据经过一系列先进技术处理之后，得到较为可靠的视电阻率和相位曲线，再采用GB法对复阻抗张量进行分解，即可对长白山天池火山区二维构造走向和感应矢量进行分析. 4 资料分析及定性解释

通过对研究区内40个测点的介质维数判别，构造走向-倾向计算和实感应矢量分析，得到了长白山天池火山区地下电性结构的定性推断：观测剖面整体近似表现为二维构造特征，构造走向大致主要表现为北西方向，局部及中深部存在三维低阻异常体，由浅至深，分别为长白山天池水体、岩浆通道、天池火山口下方往北方向附近的浅部低阻异常体、C07-C08低阻带、C04-C05低阻带以及从天池火山口南部约20 km位置往北方向埋深在13～30 km之间壳内广泛发育的低阻异常体. 4.1 地下介质的维数特征分析

大地电磁测深阻抗的二维偏离度S(skewness)是反映地下介质电性结构维数特征的参数.由S的取值范围可以判别地下介质的维数特征，对于一维和理想二维构造而言，S=0.一般情况下，S值越小，说明地下介质越趋于二维.通常认为当S值小于0.3～0.4时，可近似认为地下结构为二维特征.当S值大于0.5时，则认为地下相应深度上存在三维介质体.

通过对观测剖面所有测点进行二维偏离度分析，发现少数测点在周期小于1000 s时表现为二维特征，大多数测点在周期小于10 s时显示为较好的二维特征.少数测点在高频段S值较大，表明近地表浅部也存在三维异常体，部分测点在中频段0.1 Hz附近S值较大，表明相应深度上也存在三维异常体.图 5为观测剖面上所有测点计算分析的二维偏离度变化特征图，从图上可以看出，大部分测点浅部表现为较好的二维构造特性，中、深部表现为较强三维构造特性.由于研究区内电磁干扰较为严重，测点低频段S值偏大可能是受电磁干扰所至.

图 5

Fig. 5

图 5 二维偏离度分析 Fig. 5 Analysis of skewness along the observation section

由于西太平洋板块向我国大陆的持续俯冲作用，使我国东北地区现今呈现挤压状态，研究区的最大主压应力为NEE—SWW方向，断层以走滑运动为主，卫星照片及重力场解译结果显示，在天池火山口及其附近分布着互相平行的一组北西西向断裂(李春锋等，2006).通过前期对数据的精细处理得到较为准确可靠的MT测深曲线之后，采用波阻抗张量GB分解法对所有测点的构造走向进行统计分析，图 6为研究区内所有测点的构造走向统计分析图.从图中构造走向可以看出，大部分测点主要表现为北西、北北西方向，与前人探测结果基本一致.

图 6

Fig. 6

图 6 构造走向统计分析图(含90°模糊性) Fig. 6 Statistical analysis of regional structural trend

大地电磁测深的磁场感应矢量是通过磁场传输函数得到的，感应矢量是由倾子资料构建的一种重要矢量，在圈定低阻异常体、分析构造走向和深部维性特征中起到了重要的指示作用，其大小反映了大地电导率的横向变化梯度(汤吉等，1999).其最大优点之一是在一个测点上能获得关于测点下方相应深度上的侧向电性信息，主要用来反映大尺度的构造特征.另外，磁场几乎不受局部畸变的影响，不存在静位移现象.在目前大地电磁测深实测资料解释过程中，感应矢量作为辅助参数之一，主要用于定性分析测区的电性构造方位、测点的二维性情况和粗略地勾画测区高低阻异常带，为反演解释提供感性认识和初始模型的大体轮廓(陈小斌，2004).感应矢量分为实感应矢量和虚感应矢量.实感应矢量由于指向性意义明确，指向稳定而得到了广泛的认同和应用，其方向在本文为指向高电阻的方向，即背离低电阻方向.如果地下电阻率仅随深度变化而无侧向变化(一维介质)，磁感应矢量为零.

根据不同频率的感应矢量剖面分布图，可以确定地下介质不均匀体的大致位置、分布范围和与围岩的电性差异.不同频率的感应矢量指向其反映地下不同深度的电性变化，随着频率的降低，即周期的变大，其探测深度也加大.由于研究区电磁干扰严重，同时直线型测点的感应矢量分析相比三维空间分布测点的感应矢量分析其指向性相对薄弱，因此，感应矢量分析在本文中只能大概分析剖面下方及其旁侧的电性变化特征.图 7为沿测量剖面分布的实感应矢量分析图，为了使感应矢量分析方向与剖面走向方向一致，将向上方向调整为正西方向，则往下为正东方向，往左为正南方向，往右为正北方向.从实感应矢量规律性指向可以看出，从浅至深，测量剖面整体主要表现为5个异常低阻带.异常带1位于天池火山口及其下方，左右两侧的实感应矢量均背离火山口方向，其指向性应该代表电阻率相对较低的天池水体和岩浆通道；异常带2位于天池火山口下方往北方向附近，在火山口往北方向约10 km位置处，存在一局部实感应矢量整体指向为西北方向的异常区域，表明在该指向东南方向存在一局部低阻异常体；异常带3位于C07至C09号测点之间，位于长白山山门附近，异常区域两侧实感应矢量均背离该异常区，从实感应矢量指向形态来看，该异常区域呈近似直立型条带状；异常带4位于C04至C05号测点之间，从实感应矢量指向形态来看，该异常区域也呈近似直立型条带状，该指向说明在C04至C05号测点之间也存在一个近直立型的低阻异常.随着频率的降低，矢量指向开始变化，逐渐变得无明显的规律性.异常带5位于较深部地带，从火山口南部约20 km位置往北方向，实感应矢量指向均背离该异常区域，且长度较短，说明深度低阻异常体范围较大，推断该异常体与深部的活动的岩浆囊相对应.随着频率的继续降低，实感应矢量指向变得杂乱无续，其指向性可能受电磁干扰影响较大.

图 7

Fig. 7

图 7 实感应矢量分析图(上调整为正西方向) Fig. 7 Analysis of solid induction vector(Up direction for west direction)

由实感应矢量剖面分析图可见，从浅部到深部，感应矢量长度较大，在不同深度存在较大差异，反映整个区域电性水平不均匀性较严重，这是典型的三维构造特征.通过实感应矢量剖面分析图，大致认为长白山天池火山区，由浅到深存在多个低阻体，它们分别与天池水体和岩浆通道、浅部低阻异常体和低阻带、地下深部岩浆囊相对应. 5 二维反演计算与对比分析 5.1 二维反演计算

拟断面图通常用来指示测量剖面的宏观电性特征，通过拟断面图可以大致掌握电阻率沿测量剖面的整体变化特征.在剖面方向与垂直主构造方向相差不大的情况下，截取剖面方向，将电性主轴旋转到垂直剖面方向的二维反演结果与垂直主构造方向的反演结果都可以较好地还原正演模型(董浩，2012).考虑到研究区的构造走向主要为北西和北北西方向，测线的展布方向为北偏东方向，因此，按照测线的展布方向，将波阻抗张量旋转-90°，即可以得到相应准确的TE、TM极化模式.图 8为TE极化模式、TM极化模式视电阻率和相位拟断面图，从视电阻率拟断面图可以看出，浅地表均存在一个电阻率相对较低的低电阻率层；低阻层覆盖在下方一个电阻率相对较高的高电阻率层之上，在天池火山口下方高电阻率层被低阻带所隔断，其中TM极化模式表现更为明显；在低频段，二者均在火山口下方及其往北区域广泛发育低阻异常体.从相位拟断面图可以看出，TE极化模式在火山口下方没有发现明显异常，而TM极化模式在火山口下方存在明显的异常间断，间断异常与下方岩浆通道相对应.

图 8

Fig. 8

图 8 TE极化模式、TM极化模式视电阻率和相位拟断面图 Fig. 8 Pseudo-section diagram of apparent resistivity and phase of TE，TM polarization mode

采用当今主流的非线性共轭梯度反演算法对TM极化模式数据进行二维反演计算.大量研究结果表明，采用TM模式进行TM二维反演通常能较好的重建原始模型信息(蔡军涛，2010；董浩，2012)，尤其是在复杂模型条件下，采用TM极化模式反演结果相比其他模式反演结果通常情况下更为可信.非线性共轭梯度反演是一种不求偏导数矩阵的反演方法，只计算偏导数矩阵对特征矢量的作用.除避开了大型线性方程组的完全求解外，还避免了完全计算雅可比矩阵，而只计算雅可比矩阵对指定矢量的作用.因而可运用非线性共轭梯度迭代算法求解该方程组，实现最小构造反演(Rodi，2001).通过非线性共轭梯度反演和正则化因子“L曲线分析”得到长白山火岩地区二维电性结构模型，图 9为二维反演结果色块图，图 10为反演结果的视电阻率和相位的拟合情况，从图中可以看出，模型计算值与观测值拟合情况较好.

图 9

Fig. 9

图 9 长白山天池火山岩地区大地电磁二维反演结果色块图 Fig. 9 Two-dimensional MT inversion result at volcanic area in Changbai Mountain

图 10

Fig. 10

图 10 反演结果拟合情况 Fig. 10 Fittness of the inversion results

从二维反演结果中可以看出，测量剖面下方存在明显的低阻异常体和电性梯度带，它们分别对应于不同深度的低阻异常体和断裂.由于长白山天池火山处在西太平洋深俯冲带上，受西太平洋板块挤压影响，俯冲对弧后区产生拉张效应，研究区浅地表附近发育一系列向北倾斜的断裂构造.根据断裂构造通常具有电阻率值变化梯度大、等值线密集和岩浆活动通常易沿着断裂构造等薄弱环节侵入的特点，沿观测剖面推断了6条断裂构造；研究区浅地表大多数由火山碎屑和第四纪沉积所覆盖，在反演结果中表现为低阻特征，浅地表低阻异常体可能与地下水或温泉分布有关，从浅地表低阻异常体与深部电性结构耦合特征来看，研究区内的地表浅部温泉很可能是地下水经高阻基底隔离直接受深部岩浆烘烤产生；中深部(n～20 km)以天池为中心表现为南北高阻、中间低阻的特征，高阻体对应着研究区内深部电阻率相对较高的结晶基质岩体，中间低阻对应着岩浆通道和低阻异常体.岩浆通道位于天池火山口正下方，呈直立型构造形态，并在下方约5~8 km位置形成关闭；在火山口下方往北方向附近，在埋深位置约7 km深处存在一个明显的低阻异常体，电阻率小于10 Ωm，且与岩浆通道对接，推测其可能是由深部运移上来的浅部岩浆囊；在C07-C09、C04-C05号测点之间，在埋深约7~17 km深处发育明显的近直立型低阻带，低阻带与深部低阻体相连，推测其可能为由深部岩浆沿着薄弱的断裂构造带向上运移所形成的低阻带；随着埋深的增加(15 km以下)，天池火山口往北区域整体呈现低阻特征，南部地区整体表现为中高阻，从天池火山口南部约20 km位置往北方向，在埋深13～30 km之间广泛发育明显的壳内低阻异常体，推测其可能是活动的岩浆囊.从整个电性结构模型看，在火山口往北方向存有一个低阻异常体和二个低阻异常带，分别位于天池火山口下方往北方向附近位置、长白山山门附近C07-C09号测点之间和C04-C05号测点之间，低阻异常体和低阻异常带与深部低阻体直接连通，推测均可能均赋存有活动的岩浆.从反演结果模型可以明显看出，沿测量剖面上可能存在4个火山喷发点，分为原火山口和3个低阻异常区顶端近地表附近位置.对于中国东北地区的火山形成机制，一直存在着分歧和疑义，前人提出了多种观点，汤吉等(2006)认为东北地区的现代火山活动与西太平洋板块俯冲板块脱水有十分密切的关系.从本文的二维反演结果模型可以看出，长白山火山喷发与西太平洋板块有着较为密切的关系. 5.2 对比分析

将二维反演结果与前人探测结果进行对比分析，进一步探讨分析二维反演结果的可靠性和地下岩浆系统的构造特征和变化规律.图 11为本次探测结果与前人探测结果大致对比分析图，其中上图为汤吉等人探测结果，下图为本次探测结果的等值线图，虚线框与前人探测位置大致相对应.经对比分析发现，二者在大致重合部位整体电性特征非常相似：二者整体电性结构特征对应关系较好，浅地表均覆盖一层电阻率相对较低的低阻层；中间存在一个电阻率相对较高的中高阻层，高阻层被电阻率相对较低的岩浆通道所隔断；在剖面13 km深度以下均发育明显的低阻异常体，推测可能为壳内岩浆囊.二者整体电性特征相似但又局部不同，主要表现在有两个局部位置存在一定差别：一是天池往北方向7 km位置下方的低阻异常体结构形态和极值中心不一致；二是位于C09-C13号测点下方的高阻体基岩规模不一致.导致两次探测结果出现差异的原因分析主要有以下四点：一是观测剖面的长度不一致，导致在进行二维反演时，边界效应影响程度及位置不一致；二是两者真实观测剖面测线位置不完全重合，两者只是在大致重合部位进行对比分析，适合进行整体分析，不易进行详细细节分析；三是两者在进行二维反演计算时采用的算法不一致，导致反演结果存在一定的差别；四是距离上次数据观测时间已经超过15年，在这15年期间地下岩浆活动可能发生一定变化，其中在2002—2004年期间就曾发生过岩浆上 涌活动(胡亚轩等，2007)，反演结果不同尤其是低阻异常的极值中心变化可能与地下岩浆系统的运移有关.

图 11

Fig. 11

图 11 反演结果与前人探测结果大致对比分析图 Fig. 11 Comparative analysis between inversion results and previous detection results

长白山天池火山再次喷发可能性的评价是近几年来重要的研究课题，地下电阻率对介质的温度、含水和熔融状态非常敏感，因此，大地电磁测深观测对于评价火山喷发的深部物质—岩浆囊具有独特的优势.本文利用大地电磁测深法对深部电性结构进行探测研究，在长白山天池火山区跨越火山口布置一条北偏东向测量剖面，采用了远参考Robust处理、Rhoplus分析、张量阻抗分解等技术，定性分析了区域结构和通过二维反演计算得到了定量结果模型.其反演结果与前人探测结果整体电性特征相似，局部有新发现，主要取得了以下几点认识：

(1)探测结果显示在浅地表(5 km以上)存在几处低阻异常体，这些低阻异常体可能与温泉和地下水分布有关.

(2)在天池火山口下方存在明显的直立型岩浆通道，岩浆通道在下方约5~8 km位置形成关闭.

(3)在火山口下方往北方向附近，在埋深位置约7 km深处存在一个明显的低阻异常体，电阻率小于10 Ωm，且与岩浆通道对接，推测其可能是岩浆从下方运移上来所形成的浅部岩浆囊，范围有逐步扩大趋势.

(4)在C04-C05、C07-C09号测点之间，在埋深为7~17 km深处发育明显的近直立型低阻带，低阻带与深部低阻体连通，推测其可能是由深部岩浆沿着薄弱的断裂构造带向上运移所形成.

(5)随着埋深的增加，从天池火山口南部约20 km 位置往北方向，在埋深13～30 km之间壳内广泛发育明显的低阻异常体，推测其可能是活动的岩浆囊.

(6)根据二维电性结构图推断了6条断裂.受西太平洋板块挤压影响，研究区发育一系列向北倾斜的断裂构造，剖面穿过多个断层，地下的热量通过断层传送到浅部，地表的多处温泉可能是地下水经高阻基岩隔离由岩浆热源直接烘烤产生.

(7)二维反演结果表明，沿测量剖面之上可能存在4个火山喷发点，分为原火山口和3个低阻异常区顶端近地表附近位置. 致谢 感谢长白山保护开发区管理委员会和国土资源局对本项目的大力支持，感谢参加本项目野外数据采集和资料处理的同事们，在大家的共同努力下本项目才可以顺利完成.感谢审者为本文发表做出的审定.