五大连池火山位于中国东北的松辽盆地北部,是世界上少有的富钾火山之一（图1）。最新的野外调查表明五大连池火山包含约30个火山口，其中部分火山口已经被采矿破坏或被新的熔岩覆盖（Zhao et al.,2014）。五大连池火山的火山口沿着三条火山链分布，其中中间的火山链上坐落着老黑山、火烧山、尾山以及其他几座火山口。尾山的喷发时间可追溯至约0.5Ma以前,是近年来的研究热点（Li et al., 2016; Gao et al., 2020）。老黑山和火烧山分别于公元1719年和1721年喷发,是五大连池火山群仅有的两个现代火山。

图1 五大连池火山区构造简图和大地电磁测点位置分布

詹艳等（2006）以老黑山为中心开展大地电磁探测结果发现老黑山和火烧山区域在地下约几百米深度以下存在一个上宽下窄似铆钉状的高阻体,深度可达~12km,认为老黑山火山中上地壳的岩浆系统随着深度增加出现了不同程度的固结状态；而Li等（2016）以尾山为中心开展的高分辨率噪声层析成像结果揭示在尾山下方7-13km深度发现了高达10%的显著低速异常体,西南侧老黑山和火烧山之下分别于≲7km和≲3km也存在低速异常体,认为低速异常为浅层岩浆库的部分熔融。Gao et al. (2020) 针对尾山火山也开展了大地电磁三维探测,研究结果表明在尾山下方存在着深度范围为2-15km的岩浆囊,并且该岩浆囊中具有约15%的部分熔融,且正在受到来自更深部的岩浆补充。

火山岩浆的来源是火山研究的热点之一,特别是对于老黑山和火烧山这样的在约300年前喷发的现代火山来说,岩浆来源以及是否存在浅部的岩浆囊关乎火山的喷发机制并影响火山灾害风险评估。针对五大连池火山下方是否存在浅部岩浆囊这一问题，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室孙翔宇助理研究员、詹艳研究员，中国地震局第二监测中心赵凌强副研究员，中国地震局地质研究所活动火山与灾害研究室许建东研究员、赵勇伟研究员合作在五大连池开展了大地电磁阵列探测（图1），通过三维反演技术获得了五大连池火山区地壳及上地幔顶部的深部电性结构。

图2 (a)五大连池火山深部电性结构；（b）基于改进阿奇定律和HS模型的含流体岩石电阻率估算；（c）五大连池火山区岩浆来源示意图

研究发现了在0.5Ma前曾喷发的尾山下方存在低阻结构,这与已有的地震学和大地电磁研究的结果一致。但在三百年前喷发的老黑山和火烧山下方,大地电磁研究没有发现预期的低阻结构（图2）。这种特殊的现象使五大连池火山区上地壳中存在岩浆囊这一理论被怀疑。由于五大连池地区具有较低的地温梯度和地表热流,因此如果在五大连池火山区的上地壳中存在岩浆囊,那么岩浆囊中的高温岩浆会快速冷却,并无法维持长期的存在,除非有新的高温岩浆补充到岩浆囊中,但根据现有低阻体体积估计的岩浆补充量也与模拟结果冲突,无法补偿热量的损失。因此五大连池火山的岩浆应当主要来自地幔或地壳底部,上地壳中的低阻体应该是含有一部分流体的结构。由于太平洋板块俯冲后停滞在欧亚板块下方的地幔过渡带中,导致了湿热物质上涌。岩浆停留在地壳深部或地幔之中,并在达到喷发条件后喷发到地表,当一次喷发结束后,原有通道被堵塞,岩浆又会沿着新薄弱位置喷发,形成了五大连池火山区众多的单成因火山口。深部岩浆脱气作用和富水与富挥发份的物质在向浅表运移的过程中停留在了上地壳中的一些空间之中,形成了浅部的低阻结构。

相关结果发表在国际地球物理著名期刊Geophysical Research Letters上。

Sun, X., Zhan, Y., Zhao, L., Xu, J., Zhao, Y., Zhao, B., & Yang, W. (2023). Does a Shallow Magma Reservoir Exist in the Wudalianchi Volcanic Field? Constraints From Magnetotelluric Imaging. Geophysical Research Letters, 50(17), 1–10. https://doi.org/10.1029/2023GL104318