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【前沿報道】Geology:地震波衰減性改變——氣體驅動型火山噴發的前兆
2019-06-27 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  氣體驅動型火山雖然不及巖漿噴發型火山引人關注,但是它活動時產生的巖石碎塊、火山氣體和水汽具有很強的破壞力,近年來全球發生的幾次災難性氣體驅動型火山爆發事件,就凸顯了人們目前對這類火山噴發所做的監測預警工作的不足,例如2014年日本的Ontake火山因為僅僅在噴發前約10分鐘才被監測到有活動跡象,結果造成了日本自1926Tokachidake 火山噴發以來最大的人員傷亡(Yamaoka et al., 2016)。對這類火山噴發預測一直是火山學和災害評估研究中最具挑戰的課題之一。 

  區域應力變化是火山活動性的關鍵指標,傳統火山監測主要是基于火山口附近的地震數據,分析地震波衰減情況來進一步獲得應力變化(Fehler et al., 1988),但這種方法的不足之處是氣體驅動型火山噴發前產生的地震數量往往很有限,因此缺乏足夠的數據源開展這樣的分析工作。以法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學Corentin Caudron教授為首的國際研究團隊在Geology期刊上發文,報道了兩個頻帶地震波位移記錄振幅比值(DSAR, Displacement Seismic Amplitude Ratio)與氣體驅動型火山的活動性存在很強的相關性:氣體驅動型火山的噴發時刻恰好對應DSAR曲線在長時間(數月至數年)持續升高之后的峰值。 

  DSAR是一種常規的數據處理方式,本文的創新點在于為了消除海洋噪聲源的影響,作者首先將每天的垂向地震波位移記錄去線性趨勢并進行高通濾波(>0.5 Hz);然后在低頻段(4.58 Hz)和高頻段(816 Hz)分別對波形進行帶通濾波并將每天的連續波形截取成10分鐘的片段;接著計算兩個頻帶內的絕對振幅比(單頻段無法有效反映地下介質衰減性的微弱變化,由于兩個頻段對衰減性敏感度不一樣,故采取振幅比法可以放大微弱變化),選取中值(median)作為一天的最終結果,而不確定度則是通過對1000個樣本進行bootstrap統計分析計算95%的置信區間而獲得。 

1 三座氣體驅動型火山DSAR值隨時間的變化情況。從AC依次是印尼的Kawah Ijen火山、新西蘭的Tongariro火山和Ruapehu 火山。豎實線和虛線分別對應大規模和小規模的火山噴發,灰色矩形框表示持續噴發時間超過一天的火山事件。對于新西蘭的Tongariro火山和Ruapehu 火山選取兩年的窗長計算滑動中值,對于印尼的Kawah Ijen火山選取90天的窗長計算滑動中值。DSAR曲線的寬度(陰影區域)反映了DSAR值的計算誤差,寬度越大說明誤差越大,寬度越小說明誤差越小,陰影區域對應了bootstrap統計方法得到的95%置信區間范圍(Caudron et al., 2019

  作者發現,DSAR值變化與其他物理觀測量,如區域地震/地震群活動、火山構造地震、海浪、潮汐、大氣壓力、降雨量以及應變等沒有明顯的相關關系,他們認為DSAR值的變化主要受到火山活動的控制。如圖2所示,作者將氣體驅動型火山噴發前DSAR值的增大主要歸因于火山口下方巖體介質孔隙壓力的增大,認為這也是淺層地殼地震波衰減機制的主導因素。同時,作者通過理論正演發現,對于固定的震源-臺站間距而言,只有當品質因子Qf (描述地震波衰減性的無量綱物理量)的值小于某一閾值時,隨著Qf 的減小,DSAR的值才會明顯增大(圖2C)。 

2  DSAR值變化的物理模型解釋。(A)氣體驅動型火山平靜期對應的物理模型卡通示意圖;(B)氣體驅動型火山即將噴發前的物理模型卡通示意圖,主要特征是火山噴發前淺部位置的氣體大量聚集,導致巖體孔隙壓力增大和地震波衰減性增強(品質因子Qf 值降低)(C)在不同震源-臺站間距的情況下,DSAR的值隨品質因子Qf 的變化情況,主要特征是對于固定的震源-臺站間距,只有當品質因子Qf 的值小于某一閾值時,隨著Qf 的減小,DSAR的值才會明顯增大(Caudron et al., 2019

  通過對距離火山口不同位置臺站的DSAR值曲線進行對比(圖3),作者發現越靠近火山口的地震臺站計算得到的DSAR值隨時間變化的特征愈明顯。 

3 新西蘭Ruapehu火山不同震源-臺站間距情況下DSAR值隨時間的變化。圖中DRZ臺站(黑色曲線)坐落于火山口正上方;FWVZ臺站(黃色曲線)COVZ臺站(綠色曲線)NGZ臺站(藍色曲線)臺站距離火山口分別大約是2 km7 km10 km;豎實線和虛線分別對應大規模和小規模的火山噴發事件Caudron et al., 2019)    

  DSAR方法并不能用來預測精確到量級的火山噴發,但是它長時間尺度的變化趨勢卻可以反映一座火山是否處于活躍的狀態,同時該方法對火山活躍周期中的起始和終止時間進行了很好的約束,因此能夠為火山監測機構的預警工作提供重要的科學依據和參考。     

  主要參考文獻 

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

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

  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.原文鏈接 

  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.原文鏈接 

  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.原文鏈接 

  (撰稿:范興利/地星室,馬琳/新生代室)

 
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