牛杰明等-JGR Solid Earth：基于遠距離臺站的重復火山地震信號研究
火山區(qū)域發(fā)生的地震事件會攜帶火山內(nèi)部流體遷移的信息。在爆發(fā)性火山噴發(fā)期間，噴發(fā)所激發(fā)的地震事件通常可以由區(qū)域或者全球地震臺網(wǎng)觀測到。在火山噴發(fā)間歇期間，火山內(nèi)部巖漿供給系統(tǒng)中流體遷移所激發(fā)的重復性火山地震事件卻只能通過靠近火山口的觀測網(wǎng)絡進行觀測研究。然而，對于能否可以有效評估火山噴發(fā)的可能性和危害性來說，系統(tǒng)地認知活火山內(nèi)部微弱重復性地震事件顯得更加重要。因此，探討能否使用遠距離地震臺網(wǎng)來系統(tǒng)理解重復性火山地震事件將是一個非常有意義的問題，特別是對于那些還未布設現(xiàn)場觀測儀器的部分陸地火山、海底火山以及洋中脊。
本研究以日本阿蘇火山為例，利用遠距離地震臺網(wǎng)觀測資料對火山內(nèi)淺部裂縫巖漿管道和深部巖漿房頂內(nèi)流體遷移所激發(fā)的地震耦合事件的多種特性進行了分析。在日本阿蘇火山，重復性超長周期震顫事件（VLP）通常持續(xù)時間為~50秒，主周期為~15秒，初始極性可正可負（圖1），事件發(fā)生頻率為數(shù)十個至數(shù)千個每周，其震源深度為~1公里，震源機制為主爆炸源或收縮源（大于90%），揭示了淺部裂縫巖漿管道內(nèi)的流體遷移（Niu & Song, 2020）。時刻伴隨著超長周期震顫事件，存在一個微弱的形變事件，通常持續(xù)時間為2-60秒，極性可正可負（圖1），其震源深度為~4公里，震源機制為主爆炸源或收縮源（大于80%），揭示了巖漿房頂處的流體遷移（Niu & Song, 2021）。上述特性均從現(xiàn)場地震臺網(wǎng)觀測資料獲得。
圖 1 日本阿蘇火山內(nèi)巖漿供應系統(tǒng)的東西剖面。左：淺部裂縫巖漿管道（SC）和巖漿房頂?shù)臏\部巖漿儲藏區(qū)域（SMSZ）。右上：超長周期震顫事件（VLP）；右下：形變事件。
在對遠距離地震臺網(wǎng)觀測資料（距離震中30-1000公里）進一步分析后，本研究論證了超長周期震顫事件和耦合形變事件的特征均可被遠距離觀測資料約束到。例如，耦合事件各自的極性變化、相位差別、震源機制和震源深度均可從不同頻段波形觀測資料的相位、極性和振幅反應出來（圖2）。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)合理地結(jié)合現(xiàn)場和遠距離觀測資料可提升人們對震源機制中微小單力分量的約束。
圖 2 不同頻帶波形振幅隨著震中距的衰減趨勢與不同深度爆炸源的理論預測值的比較。（a）高VLP頻帶（0.03-0.07 Hz）的振幅衰減；（b）低VLP頻帶（0.01-0.02 Hz）的振幅衰減；（c）永久位移的衰減；（d）-（f）不同深度爆炸源理論預測值與相應頻帶觀測值的均方根殘差。
基于以上推論，我們可以利用已有的連續(xù)地震臺網(wǎng)來研究那些不具備現(xiàn)場觀測資料的火山內(nèi)部演化過程。例如，現(xiàn)有現(xiàn)場臺網(wǎng)布設之前的歷史火山活動（阿蘇火山，1994-2011），或者現(xiàn)場臺網(wǎng)停止工作期間的火山活動（阿蘇火山，2016年4月，熊本地震期間），或者對于從未布設現(xiàn)場臺網(wǎng)的陸地火山和海底火山（圖3）。根據(jù)本研究統(tǒng)計，全球有~50%的活火山在200公里內(nèi)擁有>4臺連續(xù)地震臺站（圖3）。
本研究成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊JGR-Solid Earth（牛杰明*，Teh-Ru Alex, Song. Validation of repetitive volcanoseismic signals in Aso Volcano, Japan with distant stations: Implications of source characterization and remote sensing in uninstrumented volcanoes [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127(5), e2021JB023400. DOI: 10.1029/2021JB023400）。
圖 3 重復性火山地震事件全球分析圖。（a）在給定距離具有4臺以上地震臺站的全球全新世火山百分比；（b）在給定距離具有4臺以上F-net臺站的日本活火山百分比；（c）在給定距離具有4臺以上F-net和V-net臺站的日本活火山百分比；（d）在給定距離具有4臺以上地震臺站的擁有大地測量觀測的全球全新世火山百分比；（d）2020-2021年度在50公里內(nèi)具有不同數(shù)目地震臺站的全新世火山的空間分布。