长白山天池火山位于我国吉林省与朝鲜接壤的国境线上，是一座处于休眠状态的巨型活火山，全新世曾发生过多次规模巨大的火山喷发，是我国第四纪火山活动最强烈地区之一(刘若新等, 1992; 樊祺诚等, 2005, 2006, 2007; 刘嘉麒, 1999; Xu et al., 2012; Wei et al., 2013)。对长白山天池火山岩浆演化、火山岩分布特征、地球物理深部探测以及大地电磁观测证实，长白山天池火山之下存在双层岩浆房(金伯禄和张希友, 1994; 樊祺诚等, 2005; 汤吉等, 2006; Zhao et al., 2009; 仇根根等, 2014)。热红外遥感研究结果也显示，长白山天池火山区地表具有明显的岩浆扰动导致的温度热异常(季灵运等, 2009)。大量地震、形变以及温泉水化学等监测结果显示，2002年7月以来，长白山火山区火山活动明显增强(吕政等, 2007; 刘国明, 2011; Xu et al., 2012)，认为在2002~2005年期间，火山活动性增强，进入了岩浆房的“扰动”阶段(吕政等, 2007; 刘国明, 2011; Xu et al., 2012)。长白山及其周边地区人口稠密，有水电站、水库、工厂等重要基础设施。一旦长白山火山在未来喷发，其所造成的经济损失和灾难性后果将不堪设想(刘嘉麒等, 1999; Wei et al., 2003; Bao et al., 2011)。因此，加强对长白山火山活动性的监测具有十分重要的科学和现实意义。

大量研究表明，在火山活动过程中，火山气体能够快速地从上升的岩浆中出溶并到达地表，可以近乎实时地指示火山地下深部的岩浆扰动过程(Baubron et al., 1991; Allard et al., 1991; Granieri et al., 2006; Lewicki et al., 2007)。对火山气体的成分和释放量变化的连续监测也成为国际火山学界公认的监测火山区下部岩浆活动状态和预测火山未来喷发的有效方法之一(Hernández et al., 2001; Frondini et al., 2004; Chiodini et al., 2010; 郭正府等, 2014, 2015)。与常规地面监测相比，利用卫星遥感技术对火山活动的前兆信息研究具有覆盖范围广、效率高和不受地面观测条件限制等优点，可以对火山活动状况进行全天候观测，以弥补地面观测在时间和空间上的限制，因此这一方法在国际火山研究中已经取得显著成效，并越来越引起国内外火山学界的广泛关注(Dean et al., 2002, 2004; Wright et al., 2002, 2004; 屈春燕等, 2006; 季灵运等, 2009; 李辉等, 2011; Clarisse et al., 2012; Carboni et al., 2012; McCormick et al., 2015; Telling et al., 2015)。然而，由于大气成分探测对光谱分辨率的要求较高，目前应用卫星遥感技术进行火山活动的监测和预测多集中在利用多光谱遥感数据对火山活动有关的热异常研究(Dean et al., 2002, 2004; Wright et al., 2002, 2004; 屈春燕等, 2006; 季灵运等, 2009; 李辉等, 2011)。20世纪90年代开始，随着遥感光谱分辨率的进一步提高，星载高光谱红外传感器具有光谱通道数多且连续、光谱分辨率高的优势，在红外光谱区富含有丰富的大气成分(如CO、O₃、CH₄、水汽等)诊断性光谱特征，近年来被逐步应用到地震有关的气体地球化学研究(Dey et al., 2004; 姚清林等, 2005; 郭广猛等, 2006; Singh et al., 2007; 孙玉涛等, 2014)以及与火山活动有关的气体(主要是SO₂)释放研究中(Wright et al., 2005; Prata and Bernardo, 2007; Clarisse et al., 2012; McCormick et al., 2015; Telling et al., 2015)。如，Wright et al. (2005)、Prata and Bernardo (2007)、McCormick et al. (2015)、Telling et al. (2015)利用大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)、TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer)、OMI (Ozone Monitoring Instrument)、GOME (Global Ozone Monitoring Experiment)、SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography)、OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite)等高光谱卫星传感器对马里亚纳群岛2003年5~6月喷发的Anatahan火山以及勘察加半岛2012~2013年喷发的Plosky Tolbachik火山SO₂喷发量以及火山烟羽形态等进行了反演，结果表明，Anatahan火山约有85%的SO₂以火山喷发的形式释放并进入大气(McCormick et al., 2015)。Telling et al. (2015)对高光谱遥感数据还利用快速傅里叶变换(FFT)多锥度法(MTM)分析出Plosky Tolbachik火山的周期喷发特征。然而，除SO₂外，火山活动所释放的气体还包括H₂、CO、CO₂、水汽、H₂S等成分，这些气体成分在一定

程度上对火山活动性也具有一定的指示作用(上官志冠和武成智, 2008)。火山活动所释放的这些气体向上逸散并进入大气，从而可以被高光谱遥感卫星所观测。因此，本文选择具有CO、O₃、水汽等多种痕量气体成分观测种类的对流层污染探测仪(Measurement of Pollution In The Troposphere, MOPITT)和大气红外探测仪(AIRS)两种高光谱遥感存档数据，对长白山火山区2002~2005年火山活动有关的气体地球化学异常(CO、O₃和水汽)等进行研究，为2002~2005年长白山火山活动性提供来自高光谱遥感数据的气体地球化学新证据，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。

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)。

图 1

Fig. 1

图 1 长白山火山区位置及断裂分布图 Fig. 1 Sketch map showing the location of Changbai volcano and fault distributions

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，数据起始于2002年9月。AIRS拥有2378个连续的红外光谱通道以及4个可见光/近红外通道，扫描带宽1650km，天底点空间分辨率13.5km，可对大气CO、CH₄、O₃、水汽等气体成分以及地表温度、射出长波辐射(Outgoing Longwave Radiation, OLR)等进行连续系统观测(Won, 2008)。由此可见，MOIPTT高光谱遥感数据和AIRS高光谱遥感数据在观测时间和观测种类上具有互补性，因此两种数据相结合可以对气体地球化学异常信息进行多指标综合研究。

MOPITT和AIRS数据可从NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心(GES DISC, http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/data-holdings)获取。研究中所用的数据为MOPITT和AIRS的三级产品数据，由对应的MOPITT和AIRS二级产品数据经格网化得到，是对应个点日平均产品数据的简单算术平均值(Won, 2008)。MOPITT三级产品数据文件包括一氧化碳总柱含量、地表温度白天数据(Day)和夜间数据(Night)、地表温度等。与MOPITT三级标准产品数据相似，AIRS三级标准产品数据文件包括升轨数据(ascending)、降轨数据(descending)、微波波段升轨数据(ascending_MW_only)和微波波段降轨数据(descending_MW_only)以及地理位置(location)五部分。主要参数包括臭氧柱总量、一氧化碳柱总量、一氧化碳混合比等以及这些参数平均值、标准偏差等统计参数(Won, 2008)。为了减小白天太阳辐射等因素的影响，研究中均采用夜间降轨数据进行异常信息提取，所使用的数据为MOPITT夜间三级月平均标准产品数据(MOP03JM)和AIRS降轨数据中三级月平均标准产品数据(AIRX3STM)。两种数据空间分辨率均为1°×1°，采用HDF (Hierarchical Data Format)格式(NASA采用的用于EOS数据存储的标准文件格式)存储。数据可通过MATLAB软件直接读取。

本文采用差值的方法从MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星数据中对异常信息进行提取。首先，用同一月多年气体含量的算术平均值(公式1)建立气体变化基准场(s)：

(1)

其中，N为可用数据年数，代表各格点位年度或月度气体含量值，为研究区位置(x, y)处t时刻N年内相应月份气体变化基准场。

其次，从MOPITT和AIRS三级标准产品数据中提取长白山天池火山周围四个像元CO总量、O₃总量、水汽总量以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)。

(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。

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(ΔM_CO)(图 2a)和地表温度年变残差(ΔM_SST)(图 2b)的变化情况。2002~2005年，ΔM_CO从2002年8月开始升高，在2003年超出异常阈值，出现多年ΔM_CO异常高值(4.7×10¹⁷mole/cm²)。在多年连续观测时间序列中，ΔM_SST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，ΔM_SST在2006~2008年出现异常波动升高，而同时期ΔM_CO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，ΔM_SST再次突破异常阈值出现低值(-5.4K)(图 2b)。

图 2

Fig. 2

图 2 MOPITT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. 2 Residual variations of total CO (ΔMCO) and surface skin temperature (ΔMSST) in the Changbai volcano from MOPITT satellite data in descending mode Grey region and red dotted lines showing the studied period (2002~2005) and the thresholds, respectively. The anomaly is identified if the residual variations exceed the established threshold

与MOPITT高光谱遥感数据对长白山天池火山区2002~2005年观测相比，利用AIRS月平均数据提取的长白山火山区ΔM_CO(图 3a)和ΔM_SST(图 3d)变化观测趋势相一致。从MOPITT和AIRS高光谱遥感数据观测到的ΔM_CO较多年平均数据呈现出明显的异常变化(异常衬度可达1.39)。除ΔM_CO和ΔM_SST外，从AIRS高光谱遥感数据观测到O₃总量年变残差(ΔM_O3)(图 3b)和水汽总量年变残差(ΔM_H2O)(图 3c)也在2002~2005年时间段内出现异常。其中，ΔM_H2O在2003年7月出现异常低值(图 3c)，而ΔM_O3异常则滞后于ΔM_CO、ΔM_H2O、ΔM_SST异常，在2002~2005年火山活动期间，分别在2003年12月和2004年12月出现两次异常低值(图 3c)。

图 3

Fig. 3

图 3 AIRS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(ΔMCO)、O3总量年变残差(ΔMO3)、水汽总量年变残差(ΔMH2O)以及地表温度年变残差(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. 3 Residual variations of total CO column (ΔMCO), total O3 (ΔMO3), total H2O vapor (ΔMH2O), and surface skin temperature (ΔMSST) in the Mt. Changbai volcano from the AIRS satellite data in descending mode Grey region and red dotted lines showing the studied period (2002~2005) and the thresholds, respectively. The anomaly is identified if the residual variations exceed the established threshold

将MOPITT和AIRS高光谱遥感数据观测结果与长白山火山活动性记录对比结果显示，ΔM_CO、ΔM_H2O、ΔM_SST在与火山活动具有同步性。自2002年8月起，从MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的ΔM_CO打破多年变化背景值并呈现高低波动的变化特征。此外，在长白山活动性增强的时间段内(2002~2005)，从AIRS高光谱遥感数据观测的CO总量、O₃总量、水汽总量以及地表温度标准偏差的变化都相应地增大(文中未列出)。其中，CO标准偏差变化最大，标准偏差可达8.02×10¹⁷mole/cm²，约为无异常时段的4倍。O₃标准偏差(418.7DU)、水汽标准偏差(9.5kg/m²)以及地表温度标准偏差(286.1K)变化也都在该时间段内增大。标准偏差增大表明观测数据的离散性增大，在一定程度上反映了火山活动所导致的气体释放的不均一性增大。前人研究表明，从2002年6月期，长白山天池火山区地震活动性增强，火山地震的频次和能量逐年上升，并发生了一系列震群活动(刘国明等, 2011; Wei et al., 2013, 图 4)。因此，ΔM_CO在此时间段内的高低波动特征可能与火山活动性有关。长白山天池火山区2002~2005年地震尾波分析结果表明，长白山天池火山区具有相对较强的构造活动性(刘国明等, 2011)。2002年6月以来的地震记录频谱分析和时频分析的结果也表明，长白山天池火山在2002~2005年间的地震主要为构造型火山地震(刘国明等, 2006; Liu and Li, 2015)。从MOPITT和AIRS高光谱遥感数据观测到的气体地球化学异常可能与地震活动过程中地应力的作用和变化有关(图 4)。在地应力的作用下，火山活动向大气中逸散大量气体，导致大气中气体含量出现异常(汪成民和李宣瑚, 1991; Du et al., 2008)。

图 4

Fig. 4

图 4 长白山天池火山区30km范围内2000~2016年M≥1.0火山地震累积分布图(据Liu et al., 2011修改) 灰色区域表示本次研究的时间范围 Fig. 4 Cumulative number of earthquakes with magnitude≥1.0 occurred from 2000 to 2016 in the scope of about 30km around Mt. Changbai volcano Grey region showing the studied period

热活动性是火山活动的主要特征(Francis, 2000; 屈春燕等, 2006)。地下岩浆中包含大量挥发组分或气体(CO、CO₂、He、H₂等)(李霓和刘若新, 2000; 杜乐天, 2006)。H₂是地球内部流体组分之一，与温度有关，通常被看做高温气体(上官志冠和武成智, 2008)。前人利用遥感数据对地震前后水汽存在明显的负异常研究，认为水汽负异常可能与地震孕震过程中潜热通量增加有关(Singh et al., 2007; Vishnu et al., 2012)。利用卫星热红外遥感技术，通过Landsat TM/ETM以及ASTER遥感影像对长白山火山热活动性的反演结果表明，长白山火山在1999~2005年火山扰动期间出现了明显的温度热异常(季灵运等, 2009)。因此，在2002~2005年长白山天池火山活动期间，从高光谱卫星遥感数据观测到的2003年水汽明显负异常可能与火山活动导致的潜热通量增加有关(Dey et al., 2004)。

MOPITT和AIRS高光谱遥感数据观测到的CO总量时间序列的变化趋势与地面实地连续观测的CO₂、He、H₂含量变化趋势相一致(图 5)。高光谱遥感数据观测到的CO总量与地面观测的CO₂、He、H₂含量在2003年均打破多年变化趋势，出现了异常高值(图 5)。在火山气体成分中，CO₂是火山气体的主要成分之一。在压力较大、源区较深的情况下，岩浆囊内部CO₂可与H₂S发生化学反应生成CO (3CO₂+H₂S→3CO+SO₂+H₂O)，因此，CO通常是气体源区具有更高压力环境条件的“指示剂”(上官志冠和武成智, 2008)。He气是惰性稀有气体，具有质量轻、运移快、穿透力极强的特点，并且在运移过程中没有化学干扰，是气体源区研究的“指纹性”气体(上官志冠和武成智, 2008)。地面³He/⁴He比值结果表明长白山天池火山区气体来源主要来自于地幔(Wu et al., 2009; 刘国明等, 2011; Wei et al., 2013)。同时期地表形变监测结果也表明，在2002~2005年天池火山区地面发生了明显膨胀变形，垂直方向水准路线高差在此3年期间累积变化达6.8cm，且变形量与靠近火山口的距离成正比，可能为岩浆活动所致(李克等, 2009)。

图 5

Fig. 5

图 5 长白山天池火山区地面温泉逸出气(CO2、He、H2)年均浓度变化(a-d)与MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星数据气体观测时间序列(e-h)对比(地面观测数据据Wei et al., 2013) 灰色区域表示本次研究的时间段，红色点线为异常界阈值，黑色箭头所指位置为异常出现时间 Fig. 5 Comparison of degassed gases (CO2, He, and H2) from the hot spring in the Mt. Changbai volcano and time series of gases observed from the MOPITT and AIRS hyper-spectral satellite archived data (ground observation data from Wei et al., 2013) Grey region showing the studied period. Red dotted lines and black arrows represent the anomalous thresholds and the gaseous anomalies

因此，综合对比分析遥感数据和地面观测结果，MOPITT和AIRS高光谱遥感卫星观测到的气体异常变化是对2002~2005年大规模的深部岩浆局部扰动的反映。在2002~2005年火山活动性增强阶段，岩浆房的岩浆或流体活动导致地壳岩石孔隙压力增大，产生脆性破裂，导致火山地震活动频发。从异常持续的时间来看，这次扰动并没有产生长时间(5个月，图 2和图 3)的地幔物质流的上升和迁移(上官志冠和武成智, 2008)。

长白山天池火山区地表温度在2002年11月出现温度异常低值，与利用中分辨率成像光谱仪(MOIDS)地表温度产品对东北地区依兰-伊通断裂带地表温度分析的结果相一致(任雅琼等, 2012)，即在2001~2002年间温度均出现异常低值。实验岩石学表明，岩石弹性变形的压力与温度关系表现为加压升温，减压降温(刘培洵等, 2004)。在构造上，长白山火山区位于太平洋板块俯冲带、日本海弧后扩张区域，东北裂谷系最外侧的密山-敦化断裂以东地区。研究区内分布有依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂两条大断裂(图 1)。对西北太平洋板块分段性、俯冲带上中深源地震与长白山火山地震年频度变化趋势关系研究表明，35°N以北俯冲带上深度≥150km的M5.0级以上中深源地震活动对长白山火山地震具有明显的扰动作用(王敏等, 2011; 吕政等, 2007)。在本次研究的时间段内，2002年6月28日、2010年2月18日在密山-敦化断裂带发生M7.1级地震。因此，MOPITT和AIRS高光谱遥感观测到的地表温度异常低值可能与太平洋板块俯冲过程中断裂的拉张增强有关(任雅琼等, 2012)。

AIRS高光谱遥感卫星观测到的O₃异常主要来自于光化学反应过程(Ganguly, 2011)。大气中CO浓度与O₃浓度呈正相关关系，即大气中CO含量的增加会导致O₃含量升高(Fishman and Seiler, 1983)。然而，2002~2005年长白山火山活动期间，CO含量异常升高并没有伴随着O₃含量的升高，这表明在此时间段CO不是导致O₃异常的主要原因。长白山天池火山区H₂O总量与O₃总量呈负相关(r=-0.66)，表明水汽可能是导致O₃总量减少的原因之一。这可能是由于对流层中水汽的增加可导致OH^-、HO₂等自由基浓度的增加，通过光化学反应而导致大气中O₃减少(刘煜等, 1990)。此外，H₂S和SO₂是火山气体的成分，在火山活动前及活动期间释放量会出现升高(Clarisse et al., 2012; Carboni et al., 2012; McCormick et al., 2015; Telling et al., 2015)。虽然处于休眠期的长白山天池火山区释放的H₂S (0.17%~0.36%)和SO₂(0.04%~0.06%)含量较低，但在低背景条件下，含硫物质的少量增加就会导致逸出气体发生异常变化(上官志冠和武成智, 2008)。长白山天池火山区在2002~2005年火山活动过程中释放的SO₂形成的硫酸或硫酸盐颗粒与尘埃(杨理权等, 1998; 贾龙等, 2006)，可能是导致O₃在2003年出现异常低值的原因。然而，现今尚未有对长白山含硫气体的系统、连续测量与报道，导致O₃低值异常的形成机制仍需进一步探讨。

利用MOPITT和AIRS高光谱遥感数据提取了长白山天池火山区CO总量、O₃总量、水汽总量和地表温度观测数据，建立了气体变化基准场。通过长时间序列气体年变残差的变化，对2002~2005年长白山天池火山区火山活动性进行了研究。研究结果表明：

(1) MOPITT和AIRS高光谱遥感数据在2002~2005年均出现了CO、O₃、水汽和地表温度的异常。这些异常出现时间与长白山天池火山区地震时空分布、震级以及地面流体观测数据具有高的一致性，表明高光谱遥感观测到的气体异常与火山、地震活动过程中地应力的作用和变化有关；

(2) 在火山活动性增强的时间段内，地表温度和水汽总量的负异常可能分别与太平洋板块俯冲过程中引起的断裂拉张增强以及潜热通量的增加有关；

(3) 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卫星所观测到的火山区气体异常。