Geology：地震波衰减性改变——气体驱动型火山喷发的前兆

【前沿 道】Geology：地震波衰减性改变——气体驱动型火山喷发的前兆

气体驱动型火山虽然不及岩浆喷发型火山引人关注，但是它活动时产生的岩石碎块、火山气体和水汽具有很强的破坏力，近年来全球发生的几次灾难性气体驱动型火山爆发事件，就凸显了人们目前对这类火山喷发所做的监测预警工作的不足。例如2014年日本的Ontake火山因为仅仅在喷发前约10分钟才被监测到有活动迹象，结果造成了日本自1926年Tokachidake 火山喷发以来最大的人员伤亡（Yamaoka et al., 2016）。对这类火山喷发预测一直是火山学和灾害评估研究中最具挑战的课题之一。

区域应力变化是火山活动性的关键指标，传统火山监测主要是基于火山口附近的地震数据，分析地震波衰减情况来进一步获得应力变化（Fehler et al., 1988），但这种方法的不足之处是气体驱动型火山喷发前产生的地震数量往往很有限，因此缺乏足够的数据源开展这样的分析工作。以法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Corentin Caudron教授为首的国际研究团队在Geology期刊上发 ， 道了两个频带地震波位移记录振幅比值（DSAR, Displacement Seismic Amplitude Ratio）与气体驱动型火山的活动性存在很强的相关性：气体驱动型火山的喷发时刻恰好对应DSAR曲线在长时间(数月至数年)持续升高之后的峰值。

图1 三座气体驱动型火山DSAR值随时间的变化情况。从A到C依次是印尼的Kawah Ijen火山、新西兰的Tongariro火山和Ruapehu 火山。竖实线和虚线分别对应大规模和小规模的火山喷发，灰色矩形框表示持续喷发时间超过一天的火山事件。对于新西兰的Tongariro火山和Ruapehu 火山选取两年的窗长计算滑动中值，对于印尼的Kawah Ijen火山选取90天的窗长计算滑动中值。DSAR曲线的宽度（阴影区域）反映了DSAR值的计算误差，宽度越大说明误差越大，宽度越小说明误差越小，阴影区域对应了bootstrap统计方法得到的95%置信区间范围（Caudron et al., 2019）

图2 DSAR值变化的物理模型解释。(A)气体驱动型火山平静期对应的物理模型卡通示意图；(B)气体驱动型火山即将喷发前的物理模型卡通示意图，主要特征是火山喷发前浅部位置的气体大量聚集，导致岩体孔隙压力增大和地震波衰减性增强(品质因子Qf 值降低)；(C)在不同震源-台站间距的情况下，DSAR的值随品质因子Qf 的变化情况，主要特征是对于固定的震源-台站间距，只有当品质因子Qf 的值小于某一阈值时，随着Qf 的减小，DSAR的值才会明显增大（Caudron et al., 2019）

图3 新西兰Ruapehu火山不同震源-台站间距情况下DSAR值随时间的变化。图中DRZ台站(黑色曲线)坐落于火山口正上方；FWVZ台站(黄色曲线)、COVZ台站(绿色曲线)和NGZ台站(蓝色曲线)台站距离火山口分别大约是2 km、7 km和10 km；竖实线和虚线分别对应大规模和小规模的火山喷发事件（Caudron et al., 2019）

DSAR方法并不能用来预测精确到“天”量级的火山喷发，但是它长时间尺度的变化趋势却可以反映一座火山是否处于活跃的状态，同时该方法对火山活跃周期中的起始和终止时间进行了很好的约束，因此能够为火山监测机构的预警工作提供重要的科学依据和参考。

参考 献

1.Caudron C, Girona T, Taisne B, et al. Change in seismic attenuation as a long-term precursor of gas-driven eruptions[J]. Geology, 2019.

2.Caudron C, Syahbana D K, Lecocq T, et al. Kawah Ijen volcanic activity: a review[J]. Bulletin of Volcanology, 2015, 77(3): 16.

3.Fehler M, Roberts P, Fairbanks T. A temporal change in coda wave attenuation observed during an eruption of Mount St. Helens[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1988, 93(B5): 4367-4373.

4.Kilgour G, Manville V, Della Pasqua F, et al. The 25 September 2007 eruption of Mount Ruapehu, New Zealand: directed ballistics, surtseyan jets, and ice-slurry lahars[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2010, 191(1-2): 1-14.

5.Yamaoka K, Geshi N, Hashimoto T, et al. Special issue “The phreatic eruption of Mt. Ontake volcano in 2014”[J]. Earth, Planets and Space, 2016, 68(1): 175.

（撰稿：范兴利/地星室，马琳/新生代室）

美编：徐海潮