长野地震

腾冲火山地热区水热爆炸事件分析研究

段毅;叶建庆;杨云存;王恩康;杨登部

【摘要】水热爆炸和构造地震事件的区分一直以来是学术界的一个难题.腾冲火山

区构造地震事件频繁,且历史上发生过多次水热爆炸事件,因此,该区是研究构造地震

和水热事件特征及其区分的理想区域.通过分析腾冲火山地震监测台网记录到的

2008～2017年地震观测波形和地表形变数据,在火山区共识别出21个可靠的水

热爆炸事件,然后进一步对发生在2014年的典型水热爆炸事件进行卓越周期频谱

分析,并和相应的构造地震事件进行对比讨论.结果表明:火山区水热爆炸事件共分为

2种类型;水热爆炸事件的卓越周期频率主要在0.02～0.06s范围内变化,小于构造

地震事件0.02～0.15s的卓越周期;水热爆炸事件卓越周期频率正态分布更加集中,

且平均的卓越周期和均方差都相对要小.结合国际国内已有的水热爆炸研究,认为

2014年4月20号发生的水热爆炸事件可能由深部火山区地质构造诱发的气体喷

发,或者是深部火山区地质构造诱发的原有堵塞喷发造成,其余20次能量较弱的水

热爆炸事件则是浅部堵塞气体喷发形成.该研究方法为水热爆炸事件和构造地震事

件的区分提供了参考,并对腾冲火山区水热活动异常变化的识别提供了新的判断依

据.

【期刊名称】《高原地震》

【年(卷),期】2018(030)004

【总页数】7页(P21-27)

【关键词】腾冲火山;水热爆炸;构造地震事件;卓越周期

【作者】段毅;叶建庆;杨云存;王恩康;杨登部

【作者单位】云南省地震局,云南昆明650041;云南省地震局,云南昆明650041;云

南省地震局,云南昆明650041;云南省地震局,云南昆明650041;云南省腾冲市防震

减灾局,云南腾冲675300

【正文语种】中文

【中图分类】P315.8

0引言

中国西部自然灾害严重且频繁，每年造成大量的人员和财产损失。与地震和火山等

自然灾害相比，水热爆炸自然灾害的研究相对比较薄弱，比如其与构造地震事件的

区分标准等，因此，有必要加强对水热爆炸事件机理、规律的深入和系统研究。一

般认为，构造地震事件是由地壳运动所引起的，当已有断层或者岩石积累的地应力

超过了其极限强度时，断层或者岩石就会发生突然错动或者破裂。构造地震活动频

繁、破坏力强，世界上90%以上的地震和几乎所有的破坏性地震属于构造地震。

水热爆炸事件(水爆事件)主要发生在地热活动强烈区域，能量释放一般较小，美国

的黄石公园、日本长野、印度尼西亚递延高原、希腊尼西罗斯岛和新西兰罗托鲁瓦

岛等火山地热区水热爆炸活动十分常见[1-3]。对新西南近150年的水热爆炸事件

表明，这些事件深度大部分发生在90m深。新西南Rotokawa地区在6060+60

年以前，发生过最大的水热爆炸事件，喷发直径达到4km，厚度最厚达到13m。

岩石地球化学研究通过分析西藏羊八井和腾冲热海水热爆炸和非水热爆炸温泉的化

学成分，发现水热爆炸温泉中具有高的硅浓度且其发生范围由断裂构造约束，并认

为水热爆炸事件是由硅氢化物在一定的温度和压力以及氢化物浓度下，冲破浅表的

封闭层所产生[4]。

腾冲火山区位于印度和欧亚板块碰撞带北东侧的缅甸弧形地震构造体系中，自新生

代以来持续不断的产生火山喷发活动，具有丰富的构造断裂和地热活动，是我国著

名的最年轻的火山活动地区之一。腾冲火山分布范围在98°15′～98°45′E，

24°40′～25°30′N，在南北长90km和东西宽50km的区域内分布火山约68座，

其中全新世(Q4)火山4座，晚更新世(Q3)火山18座，早更新世(Q1)火山38座。

腾冲火山区的研究工作一直备受国内外地学界关注，取得了很多重要的成果。地质

地化研究表明，腾冲火山区目前不断向大气圈排放幔源气体，具有高热流和高地热

梯度[5]以及高He3/He4比值[6]，火山岩多为高钾的钙碱性玄武岩和安山岩，形

成原因与地幔上涌引起的热流活动有关[7]。地球物理研究发现，腾冲火山区具有

相对低的电阻率[8]、30～40km以及东南浅、西北深的地壳厚度[9]，低的地壳

P波和S波以及Pn波速度[10]，高Vp/Vs比[11-12]，低Q值[13]，高b值[14]，

强壳幔各向异性[15]，负重力异常[16]，强磁异常[17]，60～90km的薄岩石圈

[18]以及多个壳幔低速体[19]等特性。

腾冲火山区微震频繁、水热流体活动十分强烈。叶建庆等[20]通过分析火山区记录

到的24个微地震记录事件的时域和频域特征，认为腾冲火山微地震事件主要包括

包络型、汽爆型、高频型和震群型等4种类型。腾冲火山区水热爆炸事件时有发

生并且造成了一定的影响和破坏。佟伟等认为1639年徐霞客所见澡塘河旁四五亩

大的沸泉湖(该湖已于1790年前消失)可能是多次水热爆炸的产物[21]。在蛤蟆嘴

下澡塘河河沿，1994年发生过一起水热爆炸事件，爆炸喷出的水柱、泥浆及沙石

冲起20多米高，破坏了部分旅游道路与设施。2001年，狮子头下游30余米澡塘

河北岸悬崖上发生大规模水热爆炸，产生的高热水气斜向喷射出30余米，并在爆

炸区形成了一系列温度近100℃的温泉。上官志冠等通过分析腾冲热海水热爆炸

区和非水热爆炸区逸出气体化学和氦同位素组成特征，发现腾冲热海火山地热区

1993～2003年发生的20余次较大规模的水热爆炸事件气体源区有从浅层、中层

向深层发展的趋势，并推测热海区内未来可能发生更大规模的爆炸活动,其危险性

应引起高度关注[22]。腾冲火山地震监测台网的架设为识别水热爆炸事件以及区分

其与构造地震事件提供了丰富的数据基础。本文基于台网对水热爆炸事件以及构造

地震事件的观测数据和地表形变资料，采用快速傅里叶变换提取火山区构造地震和

水热爆炸事件的卓越周期并进行对比，探讨水热爆炸的形成原因，从而对该区域水

热活动异常变化的识别提供新的判断依据。

图1腾冲火山地震监测台网(三角形)和火山(黑色圆圈)以及水热爆炸区(白色圆圈)

1爆炸特征和观测数据来源

腾冲火山地震监测台网建于2007年，2008年起正式投入使用。该台网共计9个

测震台(含腾冲国家数字地震台)，除腾冲台使用CTS-1系列地震计外，其余8个

无人值守台站使用KS2000M型地震计，全部使用港震EDAS-24IP型数据采集器。

通过联合分析地表资料和台网观测数据，我们发现并识别了在2008～2017年间

21次可靠的热水爆炸事件(图2、表1)。这些水热爆炸事件主要集中发生在热海科

考区和热水塘大滚锅区域，最典型的属发生在2014年4月21日的热水塘水爆事

件。在热水塘水爆事件中，水爆喷射柱高约12m，喷射物为汽、水和泥沙，持续

时间约30s后停止，在大滚锅旁的石板平台上冲开一个约1m2的方形缺口，并

且在最临近的热海台和热水塘台上产生了清晰的微小振动波形记录。

图2热水塘和热海水爆事件地表特征(左：热海；右：热水塘)

表1腾冲火山区近年来水热活动统计日期水热活动、水爆出露地点日期水热活动、

水爆出露地点2008-06-03热海2010-04-27热海2008-06-10热海2011-03-16

热水塘2008-08-03热海2013-06-16热海2008-08-13热海2014-04-20热水

塘2008-08-27热海2016-01-26热海2008-09-09热海2016-03-17热海

2008-09-30热海2016-06-26热海2008-10-13热海2017-06-06热海2008-

10-28热海2017-07-18热海2009-03-14热海2017-12-22热海2010-04-20

热水塘

通过分析上述21个水热爆炸事件在地震仪上的波形记录，发现它们主要有2种类

型：第一类振动量级较小，持续时间多在1s左右，记录台站多为附近的1～2个，

为水爆事件的主要类型。该类型事件时域波形直达P波起始较弱，振幅和周期相

对背景记录有变化；后续直达S波(或短周期面波)起始振幅明显，逐渐增大然后衰

减，形态包络，但因持续时间短，无法区分包络类型(图3)。

图3水热爆炸事件发生时的第一类振动时域波形

第二类振动量级相对较大，持续时间5s左右，部分振动可被更远的台站记录到，

时域波形兼具构造地震和火山包络的特征。该类型振动P波起始明显，初动清晰

可辨，周期有变化；后续直达S波(或短周期面波)周期增大但起始振幅不明显，逐

渐增大然后衰减，有时S波最大振幅衰减后又出现一组或多组震相形成包络，可

能是S波的反射波，但通常很难严格区分(图4)。

图4水热爆炸事件发生时的第二类振动时域波形

2数据处理

目前地震仪记录的是时间域数字信号。通过对这些时间域波形记录进行傅里叶变化，

进而分析信号中的频谱特征，是地震数据分析的一个主要辅助方法，受到了地震学

家们的广泛应用[12]。地震仪记录到的水热爆炸事件能量弱，直达P和S波等特

殊震相不清晰，在时间域波形与构造地震事件波形很难区分。因此，本文试图对记

录到的水热爆炸事件波形进行傅里叶变化，分析其卓越周期范围和正态分布特征，

并与相应的构造地震事件进行对比。我们选取最典型的2014年4月21日的水热

爆炸事件进行研究。首先，我们通过MSDP地震分析软件识别并截取了该水热爆

炸事件临近的热海台清楚记录到的39次微小振动事件[23-24]。然后，使用

编程调用MATLAB数值分析软件函数库对每一条记录的3个分量分别做速

度—位移转换计算。计算过程中对波形数据进行零点校正和去倾斜的数据预处理，

扣除仪器响应，使事件波形数据直接反映的是地面运动的速度。最后，采用高通滤

波器，用快速傅里叶变换对波形窗数据计算功率谱，然后通过数值积分和微分得到

峰值位移、峰值加速度和振动波卓越周期和正态分布等特征。为了对比分析，除水

爆事件外，我们还随机抽取了热海台所记录到的火山区内39次波形特征明显的构

造地震事件进行同样的频谱分析。

3结果

研究结果表明，无论是水爆事件还是构造地震事件，热海台3个分量记录到的卓

越周期都比较接近，表明仪器记录的稳定性(图5)。进一步对比构造地震事件和水

热爆炸事件发现，两者在热海台上的卓越周期分布存在一定差别。水热爆炸事件的

卓越周期频率主要在0.02～0.06s范围内变化，大多围绕0.3s小尺度波动；而构

造地震事件频率分布范围大，在0.02～0.15s范围内大尺度波动。

图5热海台(RH)记录到的水热爆炸事件卓越周期分布

本文进一步对比了热海台水热爆炸事件和构造地震事件的卓越周期特征，发现2

种事件都表现出较好的正态分布特征，但却存在一定的差异(图6)。整体来说，水

热爆炸事件的卓越周期范围比构造地震记录要更集中、更窄，位于构造事件频率范

围之内。

图6热海台各分向记录的不同类型水热爆炸事件和构造地震事件平均卓越周期正

态分布对比

本文进一步分析了热海台构造地震事件和水热爆炸事件的卓越周期平均值以及卓越

周期均方差，发现构造地震事件值都要大。具体结果为，水热爆炸事件中的平均卓

越周期在0.032～0.036s内变化，南北、东西和垂直分量的卓越周期平均值分别

为0.032s、0.036s和0.033s，相应的均方差分别为0.015、0.012和0.008；

构造地震事件的平均卓越周期在0.042～0.049s内变化，南北、东西和垂直分量

的平均值分别为0.048s、0.049s和0.042s，相应的均方差分别为0.029、

0.028和0.026。

4讨论与结论

通过统计分析腾冲火山地震监测台网监测到的2008～2017年的观测数据和地表

形变资料，在火山区识别出了21个可靠的水热爆炸事件。结果表明：这些水热爆

炸事件主要分为2种类型，其中大多数事件表现为振动量级较小，持续时间多在1

s，直达P波起始较弱；另外一种类型表现为振动量级相对较大，持续时间在5s

左右，直达P波比较明显。本文进一步对2014年4月20日发生的典型水热爆炸

事件进行卓越周期分析，并与相应的构造地震事件进行对比，结果表明两者卓越周

期分布范围和正态分布特征存在一定的差异：水热爆炸事件的卓越周期频率主要在

0.02～0.06s范围内变化，小于构造地震事件0.02～0.15s的卓越周期频率；水

热爆炸事件卓越周期频率正态分布更加集中，且平均的卓越周期和均方差都相对要

小。研究表明，通过分析卓越周期特征，有助于区分水热爆炸事件和构造地震事件。

腾冲地热区的水热爆炸事件是火山区活动的一个显著特征，通常认为是含水层中的

液体受地热高温作用下气化膨胀并释放出来的一个过程。根据近年来具有实证的水

爆事件统计分析和对同期火山台网记录的数据进行回放后发现，水爆事件成因可以

简单区分为2类：①深部火山区地质构造诱发地表的宏观变化。对此类事件而言，

其单次微振动体现在仪器记录上的时间较短，通常为梭形的包络形态，使用现行的

地震波分析方法，其P波和S波到时很难明确区分，无法对其准确定位，但可以

通过对数据的快速傅里叶变换后可得到这些微振动事件的卓越周期。这些微振动的

卓越周期具有和地震事件记录相似的特征，但是存在一定的差异，比如本文研究的

2014年水热爆炸事件卓越周期分布范围，平均值和均方差都比相应的构造地震事

件要小。②气体溢出通道在地表堵塞后寻求新的通道而产生的宏观变化。地下液体

气化膨胀并释放出地表是一个长期持续的过程，一般来说，其溢出的通道和位置都

是固定的，这一点在地热区随处可见的温泉出露即可证明。但在这个过程中，其释

放的通道和空隙可能会发生坍塌、堵塞，特别是地表附近受到地表径流的影响，这

种情况更容易发生，此时蒸汽会持续地富集并寻找新的溢出通道，当压力达到并超

过一定的临界值时就会冲开薄弱方向的覆盖物从而在地表出现宏观的水热爆炸，这

个过程可能持续一段时间后停止，经过一定时间后又再次发生。这种靠近表层的振

动由于实际释放的能量相对较小，且由于地表疏松介质导致的振动波快速衰减。综

合上述水热爆炸波形和卓越周期分析和其可能的产生机理，本文认为2014年4月

20日发生的大能量水热爆炸事件可能由深部火山区地质构造诱发的气体喷发，或

者是深部火山区地质构造诱发的原有堵塞喷发造成。腾冲火山区其余20次能量较

弱的水热爆炸事件则是浅部堵塞气体喷发形成。

本文联合地震仪记录波形特征和地表形变观测数据，通过分析微振波形的卓越周期

特征有助于区分热水爆炸事件和构造地震事件，能为其他火山区的水热爆炸提供了

参考。

致谢：在本文行文过程中，得到了多位专家和同事的指导和帮助，特别是云南省地

震局腾冲地震台刘克骧高级工程师在本文数据计算过程中的鼎立相助，在此一并致

谢。

【相关文献】

[1]MuflerL.J.P.，WhiteD.E.，hermalExplosionCratersIn

YelowstoneNationalPark[J].1.，1971，82:723-740.

[2]MiyakeY.，xplosionOfFehruayLlth，1995AtNakanoyuHotSpring，

NakanoPrefecture，CentralJapan[J].，1998，43(3):113-122(in

Japane).

[3]BrownP.R.L.，teristicsOfHydrothermalEruptions，WithExamples

FromNewZealandAndElwhere[J].EarthScienceReviews，2001,52(4):299-331.

[4]郑大中.水热爆炸归因浅析[J].盐湖研究,2001,9(4):1-7.

[5]赵慈平,冉华,陈坤华.由相对地热梯度推断的腾冲火山区现存岩浆囊[J].岩石学报,2006,22(6):1

517-1528.

[6]ShangguanZ.,ZhaoC.,LiH.,ionOfHydrothermalExplosionsAtRehai

GeothermalField,TengchongVolcanicRegion,China[J].Geothermics(inChine),

2005,34(4):518-526.

[7]ChenF.,SatirM.,JiJ.,-Sr-PbIsotopesOfTengchongCenozoicVolcanicRocks

FromWesternYunnan,China:EvidenceForAnEnriched-MantleSource[J].Journalof

AsianEarthSciences,2002,21(1):39-45.

[8]孙洁,徐常芳,江钊,等.滇西地区地壳上地幔电性结构与地壳构造运动的关系[J].地震地

质,1989.11(1):35-45.

[9]张龙,胡毅力,秦敏,等.云南腾冲火山区地壳及岩石圈厚度研究[J].地球物理学报,2015,58(5):1

622-1633.

[10]王椿镛,皇甫岗,万登堡,等.腾冲火山区地壳结构的人工地震探测[J].地震研究,2000,23(2):148-

156.

[11]查小惠,雷建设.云南地区地壳厚度和泊松比研究[J].中国科学(地球科学),2013,43(3):446-456.

[12]WeiZ.G.,ChenL.,LiZ.W.,LingY.,alVariationInMohoDepthAnd

Poisson’sRatioBeneathEasternChinaAndItsTectonicImplications[J].JournalofAsian

EarthSciences，2016,115:308-320.

[13]秦嘉政,皇甫岗,张俊伟.腾冲火山及其周围地区的地壳Q值特征[J].地震研究,1998,21(4):358-

361.

[14]钱晓东,刘祖荫.腾冲火山活动区的地震活动性研究[J].地震研究,1998,21(4):337-342.

[15]常利军,王椿镛,丁志峰.云南地区SKS波分裂研究[J].地球物理学报,2006,49(1):197-204.

[16]胡亚轩,王雄.应用形变和重力资料分析腾冲火山区岩浆的活动特征[J].地震地质,

2009,31(4):655-663.

[17]姜枚,谭捍东,彭淼,等.腾冲火山构造区马站岩浆囊地球物理特征的再探讨[J].中国地质,2016，

43(5):1688-1696.

[18]阚荣举,韩源.云南遮放至马龙地学断面[M].北京:地震出版社,1992:1-130.

[19]WangC.Y.,lStructureInTengchongVolcano-Geothermal

Area,WesternYunnan,China[J].Tectonophysics,2014,380(1-2):69-87.

[20]叶建庆,蔡绍平,陈敏恭,等.腾冲火山区微震类型与波谱分析[J].地震研究,2000,23(2):100-107.

[21]佟伟，章铭陶.腾冲地热[M].北京:科学出版社,1989:65-75.

[22]上官志冠,赵慈平,李恒忠,等.腾冲热海火山地热区近期水热爆炸的阶段性演化特征[J].矿物岩石

地球化学通报2004,23(2):124-128.

[23]孟小红,郭良辉，张致付,等.基于非均匀快速傅里叶变换的最小二乘反演地震数据重建[J].地球物

理学报,2008,52(1):235-241.

[24]武国宁,曹思远,刘建军.谱图重排的谱分解理论及其在储层探测中的应用[J].地球物理学进展，

2012,27(2):596-620.