Geology:地震波衰减性改变——气体驱动型火山喷发的前兆


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[前期报道]地质:地震波衰减变化气驱火山喷发前驱物

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虽然气体驱动的火山不像岩浆火山那样具有吸引力,但其活动过程中产生的岩石碎片,火山气体和水蒸气具有很强的破坏性。近年来,世界范围内发生了几起灾难性的天然气驱动的火山爆发。这凸显了目前缺乏对这种火山爆发的监测和预警工作。例如,在2014年,日本的Ontake火山在喷发前仅约10分钟就被监测出活动迹象,导致自1926年Tokechidake火山爆发以来日本的伤亡人数最多(Yamaoka等,2016)。预测这种火山爆发一直是火山学和灾害评估研究中最具挑战性的课题之一。

区域压力变化是火山活动的关键指标。传统的火山监测是基于火山口附近的地震数据,并分析地震波衰减以进一步获得应力变化(Fehler等,1988),但这种方法的缺点是在气体驱动的火山爆发之前产生的地震次数通常是有限的,因此没有足够的数据源来进行这种分析。由法国格勒诺布尔 - 阿尔卑斯大学的Corentin Caudron教授领导的国际研究小组在“地质学杂志”上发表了一篇论文,报道了双波段地震位移比(DSAR)和气驱火山的活动。强相关性:气体驱动火山的喷发时刻对应于长时间(数月至数年)后DSAR曲线的峰值。

DSAR是一种传统的数据处理方法。本文的创新之处在于,为了消除海洋噪声源的影响,作者首先将每天的垂直地震波位移记录为线性趋势,并进行高通滤波(> 0.5Hz);频带(4.5到8 Hz)和高频带(8到16 Hz)分别对波形进行带通,并将每天的连续波形截取为10分钟段;然后计算两个波段的绝对振幅比(单波段不能有效地反映地下介质衰减的微弱变化。由于两个频段的灵敏度不同,振幅比法可用于放大弱点选择中位数作为当天的最终结果,但不确定不确定性。通过对1000个样本进行自助统计分析来计算95%置信区间。

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图1.三个气体驱动的火山DSAR值随时间的变化。从A到C是印度尼西亚的Kawah Ijen火山,新西兰的Tongariro火山和Ruapehu火山。垂直实线和虚线分别对应于大规模和小规模的火山喷发,灰色矩形框表示连续喷发时间超过一天的火山事件。对于新西兰的汤加里罗火山和鲁阿佩胡火山,窗口长度计算为两年,滑动中位数计算为印度尼西亚Kawah Ijen火山的90天窗口长度。 DSAR曲线的宽度(阴影区域)反映了DSAR值的计算误差。宽度越大,误差越大。宽度越小,误差越小。阴影区域对应于通过自举统计方法(Caudron等人)获得的95%置信区间范围。2019)

作者发现,DSAR值与其他物理观测值无显着相关性,如区域地震/地震群活动,火山构造地震,海浪,潮汐,大气压力,降雨和应变。他们认为DSAR值的变化主要受控制火山活动的影响。如图2所示,作者将气体驱动的火山喷发前DSAR值的增加归因于火山口下方岩体中孔隙压力的增加。它被认为是浅层地震中地震波衰减机制的主导因素。同时,作者通过理论正演模拟发现,对于固定的源站间距,只有当质量因子Qf(描述地震波衰减的无量纲物理量)的值小于某个阈值时,才Qf减小,DSAR的值将显着增加(图2C)。

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图2. DSAR值变化的物理模型解释。 (A)与气体驱动的火山静止期相对应的物理模型示意图; (二)气体火山即将爆发前的物理模型的卡通模型,主要特征是在火山喷发前的浅层积聚了大量的气体,导致岩体中的气孔。压力和地震波衰减增加(质量因子Qf降低); (C)不同源站间距的DSAR值随质量因子Qf的变化,固定源站间距的主要特征,只有当品质因子Qf的值小于某个阈值时,DSAR的值才会显着增加随着Qf减少(Caudron等,2019)

通过比较火山口不同位置的台站的DSAR值(图3),作者发现在靠近火山口的地震台站随时间计算的DSAR值的特征更为明显。

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图3新西兰鲁阿佩胡火山不同源站间距随时间推移的DSAR值。在图中,DRZ站(黑色曲线)位于火山口正上方; FWVZ站(黄色曲线),COVZ站(绿色曲线)和NGZ站(蓝色曲线)站分别距离火山口约2公里。7公里和10公里;垂直和虚线对应于大规模和小规模的火山爆发(Caudron等,2019)

DSAR方法不能用于预测准确到“日”量级的火山喷发,但其长期尺度变化可以反映火山是否有效并且该方法启动并终止火山活动周期。时间受到很大限制,可为火山监测机构的预警工作提供重要的科学依据和参考。

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参考

1. Caudron C,Girona T,Taisne B,et al。地震衰减的变化是气体驱动火山爆发的长期前兆[J]。地质学,2019年。

2. Caudron C,Syahbana D K,Lecocq T,et al。 Kawah Ijen火山活动:综述[J]。火山学通报,2015,77(3): 16。

3. Fehler M,Roberts P,Fairbanks T.在圣海伦火山喷发期间观察到的尾波衰减的时间变化[J]。地球物理研究杂志, Solid Earth,1988,93(B5): 4367-4373。

4. Kilgour G,Manville V,Della Pasqua F,et al。 2007年9月25日,新西兰鲁阿佩胡山火山爆发,导致弹道学,苏比赛人喷气式飞机和冰浆火山爆发[J]。火山学与地热研究,2010,191(1-2): 1-14。

5.Yamaoka K,Geshi N,Hashimoto T,et al。特刊“山的潜水喷发2014年登陆火山“[J]。地球,行星和空间,2016,68(1): 175。

(撰稿:范新立/马兴/新一代迪兴室)

美国编辑:徐海超

校对:张伟

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