基于三维电阻率成像的日本日光-足尾地区地壳流体与地震活动关联性研究

《Tectonophysics》：Crustal fluids and their relation to seismic activities in the Nikko-Ashio area of Northeastern Japan inferred by electrical resistivity imaging

本刊推荐：为探究火山地区地震活动机制与地壳流体的关联，研究团队在日光-足尾地区开展大地电磁（MT）探测，通过三维电阻率成像首次揭示火山下方存在贯穿地壳的低阻异常体（C3），发现M6.3地震震源位于该低阻体边缘。该研究为理解板内大地震在流体富集区边缘的触发机制提供了重要电性结构证据。

　　

在日本东北部的日光-足尾地区，活跃的火山活动与频繁的地震事件长期共存——这里不仅分布着日光白根山和男体山等多座活火山，更曾发生包括2013年M6.3地震在内的多次板内中强震。这种火山与地震共生的现象引发重要科学问题：深部流体如何影响浅部地震的孕育？火山系统与地震活动是否存在内在关联？传统认识认为，火山地区地壳深部存在温度、物质组成和流变结构的强烈非均质性，这种非均质性可能对地震的产生起关键作用。然而，由于板内地震复发周期长达数千年，直接观测其孕育过程极为困难，使得地震触发机制的研究充满挑战。

为揭开这一谜题，东京大学地震研究所的Yoshiya Usui领衔的研究团队在《Tectonophysics》发表最新研究，通过先进的大地电磁探测技术，首次绘制出日光-足尾地区高分辨率三维电阻率结构。电阻率对地壳中的温度和流体含量极为敏感，是揭示地壳非均质性的有效探针。研究人员在2011-2024年期间布设了42个大地电磁测站，采用新型ADU和ELOG1K观测系统进行长达一个月的连续观测，结合历史观测数据，利用非协调六面体网格版本的FEMTIC代码进行三维反演，获得了深达25公里的精细电阻率结构。

研究结果揭示出令人瞩目的地壳电性特征：在日光白根山和男体山火山以北的地壳中，存在一个显著的低电阻率异常体（标记为C3），其电阻率低于30 Ωm，延伸深度超过15公里。这一低阻体与地震层析成像发现的低速异常区高度吻合，被解释为富含岩浆流体的贯穿地壳的岩浆系统。该系统如同地下的"流体高速公路"，持续为上方火山提供热源和岩浆流体。特别值得注意的是，2013年M6.3地震的震源恰好位于这一低阻异常体的边缘区域。

在讨论地震触发机制时，研究团队发现传统的发震层厚度突变模型（Ito模型）在此并不完全适用，因为震源区下方的发震层底界并未出现明显突变。相反，低阻体边缘模型（Aizawa模型）更能解释这一现象：导电异常体C3被认为是高温且富含岩浆流体的区域，其边缘存在的孔隙流体压力和温度梯度横向差异，可能在2011年东北大地震导致区域应力增加后，促进了M6.3地震的孕育和破裂。电阻率成像对这类导体顶面边界具有独特探测优势，因此大地电磁法有望为板内大地震破裂起始点的预测提供关键约束。

关键技术方法方面，研究团队主要采用：1）宽带大地电磁测量，使用ADU和ELOG1K系统在42个测站进行长期观测；2）三维电阻率反演，采用非协调六面体网格的FEMTIC代码，精确融合地形数据；3）响应函数估计，使用RRMS估计器和PARCOR预白化处理；4）灵敏度测试，通过F检验验证异常体的可靠性。

主要研究结果通过多维度呈现：

1. 1.
   浅表电阻率特征：中央区域显示高电阻（>1000 Ωm）的R1异常体，与白垩纪至第四纪火成岩分布区对应；东部和南部分别存在低阻异常C1和C2，与第四纪沉积层和增生楔相关。
2. 2.
   深部结构特征：C3低阻体从5公里深度开始出现，向北倾斜延伸，与火山下方的低速、低Q异常区空间一致。
3. 3.
   地震震源位置：M6.3地震震源位于C3边缘，断层模型显示破裂主要向北扩展，指向电阻率较高的区域。
4. 4.
   灵敏度验证：通过改变异常体电阻率的正演计算，证实C1、C2、C3和R1异常均为数据所必需。

研究结论强调，日光-足尾地区下方存在的贯穿地壳的岩浆流体系统不仅控制了火山的活动性，还通过其边缘的流体压力-温度梯度场影响了板内大地震的孕育。这一发现将火山流体系统与地震活动有机联系，为理解板内地震在火山地区的选择性触发机制提供了新的视角。电阻率成像技术作为探测地壳流体分布的有效手段，在未来地震危险性评估中具有重要应用价值。