破火山口通常是由大规模火山喷发期间岩浆房顶部塌陷形成的洼地，一般具有内倾的斜坡和高出周围的地形边缘(Lipman, 1984, 1997, 2000；Romagnoli et al., 2012；Geyer and Marti, 2014；Branney and Acocella, 2015)。地球上较大的破火山口直径可达80km，如印尼托巴破火山口(Lipman，2000)。所有地球动力学环境中的火山都可以出现破火山口(Sobradelo et al., 2010)，如洋中脊玄武质火山或板内热点火山(如东太平洋海隆，Fornari et al., 1984；东北太平洋，Clague et al., 2000；西加拉帕戈斯火山，Glass et al., 2007)，岛弧带火山，如伊豆-小笠原、科马德克和斯科舍岛弧(Sigurdsson and Sparks, 1979；Bloomer et al., 1989；Wright and Gamble, 1999；Fiske et al., 2001；Leat et al., 2003；Smith et al., 2003；Wright et al., 2003)。破火山口的出现可提供重要构造岩浆事件的位置和演化以及与破火山口形成有关的地壳岩浆房侵位和演化方面的信息，了解破火山口的岩浆和构造演化有助于理解岩浆如何侵入到浅部地壳、分异和喷发(Lipman, 1984, 2000；Branney and Acocella, 2015)。剥蚀的破火山口有助于理解如何形成火山断层和侵入体，包括岩浆膨胀、滞留、后期的喷发(Branney and Acocella, 2015)。破火山口与近地表岩浆活动有关或控制了近地表的岩浆活动，通过研究破火山口，可以推断岩浆房的大小、深度，有助于理解大规模火山碎屑流喷发动力学(Lipman，1997；Roche and Druitt, 2001；Kusumoto and Takemura, 2005；Gregg et al., 2012)，这是岩浆房动力学和火山喷发预测研究的重要基础。除陨石撞击以外，造破火山口喷发(Caldera-forming eruption)是对地表影响非常严重的事件，往往构成较大自然灾害、造成大规模破坏、有时还会带来巨大的人员伤亡和财产损失，并对区域和全球气候以及人类生活环境造成较大影响(Gottsmann and Marti, 2008)。破火山口除了具有较大灾害性，也为现代社会生活带来独特的矿产资源、地热资源和旅游资源。因此，破火山口研究受到高度重视(Geyer and Marti, 2008)。

天池火山是我国最具有潜在灾害性喷发危险的活火山(刘若新等, 1992, 1996, 1998a；刘嘉麒，1999)。前人对天池破火山口开展了一系列研究，包括火山喷发序列和年代学(刘嘉麒, 1987, 1988, 1999；刘若新等, 1997, 1998b, 1999；计凤桔等，1999；王非等，1999；尹功明等，1999；魏海泉等，2005；杨清福等，2006；樊祺诚等，2007a)，破火山口喷发空降堆积和火山碎屑流堆积(刘若新等，1998a；杨清福等, 1996, 1998, 2007；刘祥等, 1997, 2006；Zhao et al., 2013)，破火山口的塌陷过程(魏海泉等，1999)，破火山口喷发的岩浆来源与诱发机制(刘若新等, 1998a, 1998b；樊祺诚等, 2005, 2007a, 2007b)，以及破火山口喷发火山灾害(李晓东等，1996；刘祥等，1997；刘若新等，1998a；魏海泉等，1998；杨清福等，1999；Guo et al., 2006；刘嘉麒等，2015)等。

由于天池破火山口积水成湖，对破火山口水下构造尚不清楚。据《长白山志》记载(王季平，1989)，长白山天池最深达373m，平均水深204m，总蓄水量20.4×10⁸m³，但没有说明资料来源和探测方法。本次采用多波束测深方法，获得了天池水下地形、水深和体积、湖滨温泉位置和温度数据。据此可了解天池破火山口内部是否有多个火山口，如果有多个火山口，它们是如何排列的，是否有熔岩丘等，从而进一步了解破火山口系统的分布状况和发展过程、破火山口形成后的再生构造及复活熔岩丘，也可提供天池湖水深度和体积的基线，为天池火山的形成过程和火山动力学研究、火山喷发预测、火山泥石流和洪水灾害预测提供依据，有效减轻火山灾害。

1 天池火山地质概况

天池火山位于华北克拉通东北缘，北东向鸭绿江断裂和北西向金策-吉林-大安断裂带的交汇部位(杨清福等，2011)，是在西太平洋板块向西俯冲作用下形成的板内弧后火山(赵大鹏等，2004；雷建设和赵大鹏，2004)。

天池火山区的火山活动始于中新世，一直持续到全新世，近代仍有多次喷发活动。根据魏海泉(2014)的火山活动划分方案，天池火山中新世-中更新世喷发形成火山盾，包括中新统奶头山组玄武岩、上新统泉阳组玄武岩和头道组玄武岩、下更新统白山组玄武岩和小白山组粗安岩-粗面岩、中更新统老房子小山组玄武岩。中-晚更新世喷发形成火山锥，地层为白头山组下段粗面岩和粗面质熔结凝灰岩、白头山组中段火山碎屑岩与熔岩交替堆积至少三次、白头山组上段熔结凝灰岩-粗面岩-熔结凝灰岩-粗面岩夹黑曜岩状粗面岩和老虎洞组玄武岩和火山渣。全新世喷发物包括冰场组碱流质火山碎屑流和粗面质火山碎屑流堆积、气象站组碱流岩夹黑曜岩和火山碎屑岩、白云峰组碱流质浮岩及火山碎屑岩流堆积(距今1000年左右)、八卦庙组粗面质浮岩及火山碎屑岩流(1668年)、1702年碱流质浮岩以及1903年射气岩浆喷发形成的多层浮岩质堆积物(杨清福等，2006)。

全新世以来的多次喷发表明，天池火山是一座活火山，具有潜在的灾害性喷发危险(刘若新等，1992)。

2 探测方法

国外破火山口湖底或水下火山探测一般采用多波束测深方法。美国于1998年对胡安德富卡海脊Axial火山进行了多波束测深探测，开展了人工潜水作业，采用海洋科学平台遥控车进行了地质制图和取样(Fox et al., 1992)。美国于1999~2001年对黄石破火山口湖进行了高分辨率声呐成像、地震反射剖面和潜水探测，确定了破火山口的地形边界，发现了破火山口内的流纹岩熔岩流、较大的热水爆炸坑、湖底部的大量热水口和湖底断裂(Morgan et al., 2003, 2007)。日本对伊豆-小笠原岛弧弧后裂谷带西部的巴荣纳诺尔(Bayonnaise Knoll)海底破火山口进行了水深测量和地震勘探，得到了破火山口的顶部水深、底部直径、破火山口边缘直径、火山口壁高度以及破火山口形态等方面的资料(Yamashita et al., 2015)。

我国采用多波束测深技术开展了河道地形测量(段文义和任少华，2013；马文喜等，2016)、海底地形测量(陈义兰等，2015)、大洋多金属结核资源调查(朱峰等，2015)、海底滑坡研究(王磊等，2013)以及海底管道探测(黄承义等，2013)等，但还没有开展破火山口内水下地形探测的报道。据魏海泉(2014)资料，朝鲜对天池破火山口进行了湖底探测，但无资料来源、探测方法和时间。

2.1 探测仪器设备及主要技术指标

天池湖底地形探测采用多波束全覆盖测量。导航系统采用美国COASTAL OCEANOGRAPHICS公司生产的HYPACK2009综合水文测量软件系统。GPS定位系统采用加拿大NAVCOM公司SF-2050M双频星站差分GPS，其技术性能指标为：平面10cm±2×10^-6；高程20cm±2×10^-6。多波束测深系统采用美国R2SONIC公司Sonic2022宽带超高分辨率浅水多波束回声测深系统，工作频率200~400kHz，量程分辨率1.25cm，垂直航迹方向的波束大小1°@400kHz，沿航迹方向的波束最小1°@400kHz，最大量程500m。三维姿态传感器采用英国TSS公司DSM05运动姿态传感器，其精度为：升沉5cm或5%；经度横/纵摇0.03°@±5°R/P，0.05°@±30°R/P；量程升沉±10m；量程横/纵摇±30°；分辨率升沉1cm；分辨率横/纵摇，数字0.01°，模拟12位。电罗经采用英国TSS公司Meridian Standard S.G.Brown电罗经，定点误差0.25°纬度正切；静态误差0.10°纬度正切；动态精度0.60°纬度正切；修正范围北纬80°到南纬80°，速度0~90节。声速剖面仪采用无锡海鹰加科电子设备有限公司HY1200型声速仪，量程1400~1600m/s(可扩展量程)；精度：0.2 m/s；分辨率：0.001m/s。

水位测量采用加拿大RBR公司TGR-2050型自容式温深仪，其技术性能指标：采样平均脉冲4Hz；采样间隔5s-24h；脉冲长度1s-3h(可编程)；深度范围：10m、25m、60m、100m；精度为满量程的0.05%；分辨率为满量程的0.05%；时间常数＜10ms等。

2.2 探测过程

(1) 仪器设备安装与调试：换能器采用单侧船舷外固定式安装，入水0.6m；GPS天线安装于换能器固定杆上，距水面高度2.78m；姿态传感器竖直固定于船舱重心处；罗经艏向与船的行进方向保持一致，并固定于测深杆一侧。量取换能器吃水深度、GPS接收机高度和三维姿态传感器位置等修正量，输入测量软件系统。各项安装及参数修正完毕，联合调试各仪器的工作状态，确保各仪器工作状态稳定、整个系统工作正常。根据测区条件，确定以施测期间天池平均水面作为本次探测高程基准面。设立了临时天池水面变化测量站，站位布置在天池北侧乘槎河出口处，采用TGR-2050型自容式温深仪(换能器放置于水下0.5m处)每20min自动测量一次，2013年10月19日至21日连续测3天，得出3日平均水平面作为多波束水深数据修正的基准面。

(2) 天池水域声速测定：设备安装调试后，使用HY1200型声速剖面仪测定天池水域的声速，绘制声速剖面曲线，确定声速值输入PDS2000软件系统(多波束系统采集软件)中。施测期间每天测量一次，多天测量数据进行对比，综合确定适宜的相对稳定声速值用于多波束声速剖面修正。

(3) 多波束系统参数的校准：多波束系统参数校准常规做法是在合适校准地形区域内布设四条测线，间隔约为2倍水深。控制测量船以约4节的速度上线航行。校准测线完成后通过多波束采集PDS2000软件进行处理校正可得到多波束系统Roll/Pitch/Yaw(°)的参数值，在处理数据时将这些参数加入进行改正。

(4) 多波束测量作业：天池湖底探测多波束测量航迹见图 1，施测期间测量船速保持2~3节。天池多波束测量施测的主测线间距300m，扫宽单侧400m，相邻测线间保留50%的重叠覆盖区域，往岸边方向由于水深变浅，测线间隔按实际扫宽覆盖进行了调整，间隔为50~250m(图 1)。在近岸浅水区域按实际测量地形绕湖两周(以对比精确控制湖水边界)，内侧一周以波束覆盖外侧已测区域为准。在垂直于主测线方向，按301°分别布设3组间距400m测线作为检测线，用作检核主测线数据和内业地形镶嵌检核，中间一组三条平行线作为多波束参数校准线。实际测量多波束测线60条，测线总长度66.78km，湖边边线测线1条，总长13.13km。

(5) 水域边界测量：天池水域边界测量采取船测与人工测量两种方式结合完成。陡峭水深岸段利用测量船尽量靠近岸线，用GPS实时记录航迹定位方法获得岸线位置；靠近山岩的浅水区，采用充气式冲锋舟尽量靠近岸线，GPS实时记录冲锋舟航迹，同时利用手持式测距仪测量冲锋舟与岸线的距离，室内对冲锋舟航迹进行平面修正获得概略边界线(图 1)。

对于浅滩区岸线测量，采用测量人员携带GPS天线沿天池水线边界行进，同步记录行进轨迹(图 1)，获得准确的天池水线边界。

(6) 温泉温度测量：在天池近岸温泉分布区利用声速计的温度测量功能，测定了不同深度温泉水温(同步进行了声速测定)。

3 探测结果 3.1 天池水深图与湖底三维地形图

按2m、5m、10m等深距分别抽取多波束测量水深有效数据，在多波束系统成图子系统中编辑，分别输出2m、5m、10m等深距的天池水深图，进行地形与地貌特征反映情况对比，最终确定采用5m等深距绘制天池水深图，它能很好的反映湖底地形和地貌特征。经AutoCAD+南方CASS测量专用软件对图面进行修饰，绘制了天池水深图。利用CARIS多波束系统数据处理软件，按照多波束实测覆盖宽度和数据密度，镶嵌覆盖按3m网格生成天池湖底三维地形图。为使图形显示清晰，本文展示了天池50m等深线的水深地形和3m网格生成的湖底三维地形图(图 2a)，并绘制了湖水深度剖面图(图 2b)。

3.2 天池湖底地形特征

(1) 天池湖底地形：总体呈现中间低四周高、北深南浅特征(图 2a)。北侧岸线较其它方向岸线相对平直(图 2a)；北侧湖坡坡度较大，水深变化也较为剧烈(图 2a)。湖底南侧水深较浅，坡度相对较缓，但局部地形变化较其它区域相对复杂(图 2a)。湖底有一条脊状凸起，沿南北向湖中线西侧分布，呈近南北向的弧形延伸，与湖底高差在25~50m左右(图 2)。

(2) 天池湖底水深最大区域分布与水深最大值：天池最深的水深区域位于接近天池中部区域，水深均超过370m，水深最大区面积约为7000m²左右；最深点水深值为373.2m。天池湖底水深370m以下的地形相对平坦，水深变化不大(图 2)。

3.3 天池水域边界与探测期间天池蓄水量

(1) 天池水域边界：本次测量获得的天池水域边界实测周长为13.44km，天池湖水面面积9.4km²。

(2) 探测期间天池蓄水量：根据多波束探测获得的天池水深值与水域边界测量结果，采用Surfer软件中网格体积计算功能进行探测期间天池蓄水量估算。

由于多波束测量原理的限制，第一个测量波束与水面间会存在一个夹角，由于角度的限制，最浅的测深点一般会在水面线以下一定深度(深度大小由水深决定)，所以只能测到水线以下的部分。而且，在浅水区域，测量宽度变窄，为保证数据质量，波束开角进一步变窄，能测量到的地方位于水线以下更深的区域。最后综合整体的测量结果，选取5m等深线作为起算面，有以下几点考虑：(1)可以保证所有参与计算的数据都是通过实际测量取得的，保证数据的真实可靠；(2)深度小于5m水域的水深数据容易掺杂干扰数据，造成粗差数据太多，影响数据可靠性；(3)由于东北侧浅水区域水深普遍较浅，且有部分区域由于水深太浅并未进行测量，加上乘槎河区域我们只测到水深5m左右区域，所以为了保证计算数据的可靠性，只能采取以5m等深线为起算面。

以天池水深-5m等深面为起算面的蓄水量：探测期间天池水深-5m等深面为起算面蓄水量为19.42×10⁸m³。

天池湖水面至-5m等深面蓄水量：实测天池湖水面面积为9.4km²，在水深图上截取-5m等深面面积为9.1km²，按照(9.4×10⁶m²+9.1×10⁶ m²)/2×5m公式计算得出天池湖水面至-5m等深面蓄水量为0.4625×10⁸m³。

探测期间天池总蓄水量为：以天池水深-5m等深面为起算面的蓄水量估算与天池湖水面至-5m等深面的蓄水量估算之和，约为19.88×10⁸m³。

3.4 天池湖水近岸温泉水温

天池北东侧1号温泉7℃，2号温泉33℃，天池南西侧3号温泉41℃，天池南东侧4号温泉47℃，各温泉区测定点平面位置见图 2a。

4 探测结果的启示 4.1 湖底地形的启示

湖底地形(图 2)显示，天池破火山口最新塌陷是整体塌陷。破火山口的形成与产生火山碎屑流的爆炸式喷发及其后的塌陷有关(Lipman，1997)，现在所见的天池破火山口可能对应较大规模的千年大喷发，该喷发形成了大规模的火山碎屑流堆积。湖底有一条脊状凸起，沿南北向湖中线西侧分布，呈近南北向的弧形延伸，与湖底高差在25~50m左右。脊状凸起西侧陡，东侧缓，凸起的西侧为南北向椭圆形凹地，可能是喷火口。它的规模与350m水深等值线相当，南北长1061m，东西宽505m，形成于千年大喷发之后。脊状凸起的东侧，有一个椭圆形的小凸起，呈近东西向展布，长151.8m，宽56m，可能是熔岩丘，形成于千年大喷发之后。从湖底地形图(图 2)上看，未见熔岩流。

根据湖底地形图(图 2a)，沿天池边缘，水深小于350m的部分为破火山口内壁垮塌堆积区，主要特点是水深300~350m地形变缓，地形线向天池中心方向呈舌状凸出，代表远端舌状垮塌堆积。在湖底地形图上，识别出5个较大的垮塌堆积区，均呈舌状向天池中心凸出(图 2a)。

4.2 温泉分布的启示

温泉沿天池边缘分布，可能反映存在环状断裂，从而使深部热水沿断裂上升至地表。温泉的存在反映了深部存在热源。根据物探结果，天池火山下深部存在岩浆房，深度为9~15km(汤吉等, 1997, 2001, 2006；张先康等，2002)，深部热源对应岩浆房，使深部水加热。

5 结论

(1) 天池最大水深值为373.2m，天池水域边界实测周长为13.44km，天池湖水面面积9.4km²，天池总蓄水量约为19.88×10⁸m³。天池北东侧1号温泉7℃，2号温泉33℃，天池南西侧3号温泉41℃，天池南东侧4号温泉47℃。

(2) 根据湖底地形探测结果推测，现今的天破火山口形成于千年大喷发。其后，在天池西侧形成一个喷火口，南北长1061m，东西宽505m；东侧形成一个熔岩丘，呈近东西向展布，长151.8m，宽56m。天池湖底存在5个较大的破火山口内壁垮塌堆积区，但在湖底未见熔岩流。

(3) 天池边缘出露的温泉点对应环状断裂，同时反映深部存在岩浆体，使深部水加热，沿环状断裂上升至地表。

致谢 本项工作得到了吉林省地震局任利生、陈凤学、王万富、邓贵森等以及长白山火山监测站吴福利、孔庆军等人的帮助；吉林市松花湖船舶修造有限责任公司制造了探测船；临江市建筑热力安装有限责任公司将探测船搬运到了天池水中；吉林市松花湖渔业有限责任公司提供了冲锋舟；长白山管委会给予了大力支持；朝鲜民主主义人民共和国地震局火山研究所Kim MyongSong等参加了探测工作；中国地震局地质研究所魏海泉研究员提出了宝贵意见；两位匿名审稿专家提出了宝贵的修改意见；在此一并表示衷心感谢。