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题目
Persistent Long-Period Signals Recorded by an OBS Array in the Western-Central Pacific: Activity of Ambrym Volcano in Vanuatu
第一作者与通讯作者信息
- 第一作者：Yuki Kawano
- 通讯作者：Yuki Kawano
- 单位：Earthquake Research Institute, The University of Tokyo（东京大学地震研究所）
第一作者其他三篇代表性著作
Kawano, Y., Isse, T., Takeo, A., Kawakatsu, H., Suetsugu, D., Shiobara, H., … & Yoshimitsu, J. (2019).
Array analysis of OBS recordings at Ontong Java Plateau: Preliminary analysis via seismic interferometry.
AGU Fall Meeting Abstract DI13C-0023.
→ 首次展示OJP台阵背景噪声互相关结果，为本文奠定基础。Kawano, Y., Sugioka, H., Ito, A., & Shiobara, H. (2018).
Seismic structure beneath the Ontong Java Plateau from Rayleigh wave tomography using ocean-bottom seismometer array.
Earth, Planets and Space, 70, 188. https://doi.org/10.1186/s40623-018-0951-9
→ 利用相同OBS阵列做面波层析成像，揭示OJP深部结构。Kawano, Y., Kaneshima, S., & Kawakatsu, H. (2015).
Volcanic-tremor source location using a 3-D shallow velocity model at Aso volcano, Japan.
Geophysical Journal International, 203(2), 1197-1209. https://doi.org/10.1093/gji/ggv346
→ 早期火山长周期震颤定位研究，方法思路被本文沿用。
摘要
> 在太平洋中西部的洋底地震仪（OBS）阵列记录到的环境噪声互相关函数中，持续出现周期约25 s与18 s的长周期地震信号。这些信号的振幅随时间变化，且视速度低于台站间沿大圆路径传播的瑞利波。通过网格搜索定位，确认信号源自瓦努阿图岛弧的Ambrym火山；地方台站资料进一步表明，两种周期信号可能分别来自该火山活跃火山锥下方0–1 km深度的不同浅源。本文展示了利用海底宽带OBS阵列发现未知持续长周期震源的能力，有助于深化对背景噪声场及火山活动的认识。
相关研究的重要性
| 序号 | 重要性维度 | 具体阐述 |
|---|---|---|
| 1 | 揭示“神秘”噪声源 | 全球多处存在>10 s的定频噪声源（26 s、20 s等），其激发机制长期不明；确认Ambrym为独立源，为解释全球背景噪声谱线提供新样本。 |
| 2 | 火山系统监测 | 长周期震颤与浅部岩浆-热液系统活动直接相关；持续震源可成为火山“状态指示计”，弥补传统短期地震台网不足。 |
| 3 | 结构成像副作用 | 若未识别定频噪声源，会污染面波层析成像的群速度测量；明确源位置后可在数据处理中予以剔除或加权，提高地壳-上地幔成像精度。 |
| 4 | 海底火山盲区 | 全球>80 %火山活动发生在海底，但长期观测稀少；证明远程OBS阵列可“听见”海底火山持续活动，为海洋火山监测提供新途径。 |
前人相关研究与不足
| 研究组 | 主要结果 | 不足 |
|---|---|---|
| Oliver (1962, 1963) | 首次发现全球26 s微震“风暴”，推测与海洋-大气耦合有关 | 无确切空间定位，源区未知 |
| Holcomb (1980, 1998) | 给出26 s谱线全球幅度统计，提出与几内亚湾共振有关 | 仅基于陆地台站，无法区分多个源 |
| Shapiro et al. (2006) | 利用噪声互相关定位26 s源于几内亚湾 | 未考虑西南太平洋可能存在独立源 |
| Zeng & Ni (2014) | 提出瓦努阿图岛弧可能存在独立26 s源 | 仅用陆地台站，定位误差>1°；无地方台验证，缺乏深度与机制讨论 |
| Legrand et al. (2005) | 在Ambrym岛上记录到18–22 s长周期震颤，给出双源模型 | 观测期仅4个月，无远场证据；未与全球噪声谱线联系 |
→ 共同不足：
- 空间分辨率低（陆地台站几何差）；
- 未联合海底阵列做远场-近场对比；
- 对多频信号（25 s+18 s）无分离定位；
- 缺乏与岩浆通道结构直接对比。
本文数据与方法
| 类别 | 内容 |
|---|---|
| 主要数据 | 1. OJP阵列：23台宽带OBS（2014-12—2017-01）+ 2岛礁陆地台；<br>2. 区域永久台：GEOSCOPE (SANVU)、IRIS (AMB1等)；<br>3. 地方加密台：Ambrym岛AMB1（CMG-40T） |
| 数据预处理 | 倾斜噪声校正、分段谱白化、2 000–4 000 s片段叠加、信噪比>2筛选 |
| 定位方法 | 网格搜索+Bootstrap：目标函数最大化NCF包络叠加，联合群速度U(3.0–4.3 km/s)做三元(x,y,U)反演 |
| 近场验证 | 1. 对比OBS交叉谱密度(CSD)与地方台功率谱(PSD)时变序列；<br>2. 三分量偏振分析（协方差矩阵特征分解）给出入射方位与倾角；<br>3. 将偏振方向投影到地形，估计源深度0–1 km b.s.l. |
| 辅助测试 | 排除几内亚湾26 s污染（谱峰分离、距离-时间一致性检验） |
主要结果
- 25 s与18 s信号均定位于Ambrym火山口内，误差椭圆<0.3°；
- 两种周期信号在2015-02-20（小喷发）与2016-03-28出现同步增强；
- 地方台AMB1振幅比远场台高一个量级，且偏振方向分别指向Marum与Benbow锥体正下方；
- 推测源深0–1 km，与InSAR反演的2015年岩脉/储库深度（1–2 km）吻合；
- 证明瓦努阿图源独立于几内亚湾26 s源，全球至少存在两个26 s级噪声源。
创新点与贡献
| 创新/贡献 | 说明 |
|---|---|
| 首次海底阵列远场+地方台联合定位 | 将OBS阵列用于发现“未知”火山持续震颤，填补海底火山监测空白 |
| 双频分离定位 | 25 s与18 s分别定位，提出多源浅部岩浆-通道共振模型 |
| 量化偏振-深度关系 | 利用近场单台偏振给出深度-方位投影，为后续类似研究提供模板 |
| 全球噪声源清单更新 | 证实西南太平洋独立源，解释东亚洲-太平洋区域NCF中“快到达”信号成因 |
本文不足
- 地方台数量少：仅1个AMB1在近场，无法做层析或双源精细几何反演；
- 缺少源机制反演：未做矩张量或单力模型，无法区分岩浆脉动 vs 流体湍流；
- 深度约束弱：偏振-深度依赖一维速度假设，未考虑地形与三维结构；
- 时间覆盖间断：OBS 2017年回收后无后续，无法追踪2018-12大喷发前后演化；
- 机制解释定性：对25 s与18 s的物理差异（尺度、品质因子）仅给出推测。
后续改进与跟进建议
| 方向 | 具体措施 |
|---|---|
| 加密近场观测 | 2025-2026年在Ambrym岛及海域部署>10台宽带OBS/陆地台，形成近场小孔径阵列，做矩张量反演与源矩心深度精确定位 |
| 多物理量联合 | 同步布设海底压力计、海底电磁仪与次声传感器，区分岩浆体积变化与气体爆裂成分 |
| 三维结构校正 | 利用此次OBS数据做背景噪声瑞利-勒夫波联合层析，获得0–5 km三维S波速度，再重新投影偏振方向 |
| 长时序延续 | 将OJP阵列转为长期海底监测节点（如Ocean Observatories Initiative模式），追踪Ambrym未来喷发周期与噪声谱线强度关系 |
| 实验室-数值模拟 | 建立岩浆-流体-固体耦合有限元模型，模拟不同深度、不同尺度管道的共振频率，解释25 s vs 18 s差异 |
| 全球普查 | 对已有>20个深海OBS阵列（Cascadia, Tasmante, NoMelt等）统一处理，搜索其他“隐藏”持续长周期源，建立全球噪声源数据库 |