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发表于 2026-04-08 分类于 work 阅读次数：本文字数： 9.2k 阅读时长 ≈ 8 分钟

题目

Seismic source mechanism of degassing bursts at Kilauea Volcano, Hawaii: Results from waveform inversion in the 10–50 s band

作者信息

第一作者：Bernard A. Chouet
通讯作者：Bernard A. Chouet (chouet@usgs.gov)
单位：
Bernard A. Chouet 和 Phillip B. Dawson 均来自：U.S. Geological Survey, Menlo Park, California, USA.
Mike R. James 和 Stephen J. Lane 均来自：Lancaster Environment Center, Lancaster University, Lancaster, UK.
第一作者的其他三篇代表著作：
根据文献中引用的信息，Bernard A. Chouet 的其他代表著作包括：
1. Chouet, B. (1996), New methods and future trends in seismological volcano monitoring, in Monitoring and Mitigation of Volcano Hazards, edited by R. Scarpa and R. I. Tilling, pp. 23–97, Springer, New York. (关于火山地震监测的新方法和未来趋势)
2. Chouet, B., P. Dawson, T. Ohminato, M. Martini, G. Saccorotti, F. Giudicepietro, G. De Luca, G. Milana, and R. Scarpa (2003), Source mechanisms of explosions at Stromboli Volcano, Italy, determined from moment-tensor inversions of very long period data, J. Geophys. Res., I08(B1), 2019, doi:10.1029/2002JB001919. (关于意大利斯特隆博利火山爆发的震源机制研究)
3. Chouet, B., P. Dawson, and A. Arciniega-Ceballos (2005), Source mecha- nism of Vulcanian degassing at Popocatepetl Volcano, Mexico, deter- mined from waveform inversions of very long period signals, J. Geophys. Res., 110, B07301, doi:10.1029/2004JB003524. (关于墨西哥波波卡特佩特火山武尔卡尼亚式脱气活动的震源机制研究)

摘要

目前（2008年3月至2009年2月）基拉韦厄火山山顶的喷发活动，其特点是伴随着超长周期（VLP）地震信号的爆炸性脱气爆发。我们利用部署在山顶火山口的10个宽带台站网络记录的15次爆发数据，对10-50秒频段的VLP信号源机制进行了建模。为了确定震源质心位置和震源机制，我们通过有限差分法计算了嵌入考虑地形的均匀介质中的点源的合成波形，并最小化了数据与合成波形之间的残余误差。与爆发相关的VLP信号源自Halemaumau坑火山口东部边缘下方约1公里处的震源区域。观测到的波形可以通过体积分量和垂直单力分量的组合来很好地解释。对于体积分量，获得了几种能够同样解释观测波形的震源几何形状。这些几何形状包括：(1) 一个向东北倾斜64°的管道；(2) 两个相交的裂缝，其中一个向北倾斜80°的东向裂缝（岩脉）与一个向东倾斜65°的北向裂缝（另一个岩脉）相交；(3) 一个向东北倾斜58°的管道，与一个向西南偏西倾斜48°的裂缝相交；(4) 一个向东北倾斜57°的管道，与一个向西南偏西倾斜58°的管道相交。以双裂缝模型为参考，15次爆发中获得的最大体积变化约为24,400立方米，最大力幅值（峰峰值）约为20 GN。每次爆发都以类似的收缩和膨胀序列为标志，随后是体积源的衰减振荡。垂直力最初是向上的，与源收缩同步，然后向下，与源再膨胀同步，随后是与体积振荡极性相反的振荡。这种力与体积变化的组合归因于流体动力源机制在岩浆通道上部约150米内气体大块团上升、膨胀和爆发过程中引起的压力和动量变化。当气体团接近地表膨胀时，更多的液体通过粘性剪切力得到管壁支撑，气体团下方的压力减小，导致通道收缩并对地球产生向上的力。气体团最终的快速膨胀和爆发激发了通道系统的VLP和LP振荡，这些振荡由于粘性耗散和弹性辐射而缓慢衰减。考虑到流体动力学论证，我们更倾向于双裂缝VLP源模型，因为它是唯一能够产生合理尺度和压力变化值的候选模型。在15次爆发中观测到的垂直力大小与10^4至10^6千克的气体团质量一致。

前人相关研究

基拉韦厄火山动力学模型 (Eaton and Murata, 1960)：
研究内容： 提出了基拉韦厄火山的动态模型基本特征。
不足： 文献指出，该模型的基本特征至今仍然有效，但后续研究通过先进的地球物理技术（地震和大地测量）提供了新的见解，包括中性浮力概念的引入，这表明Eaton和Murata的模型可能在细节和复杂性上有所欠缺。
中性浮力概念及岩浆系统研究 (Decker, 1987; Tilling and Dvorak, 1993; Ryan, 1987a, 1987b, 1988)：
研究内容： 探讨了中性浮力在火山岩浆系统中的作用，以及基拉韦厄火山岩浆系统的垂直和水平传输路径，包括深层（10-4公里）和浅层（2-4公里）的岩浆传输区。
不足： 这些研究主要关注岩浆传输的宏观结构和中性浮力概念，但对于浅层导管系统内部的精细几何结构和动态过程的理解可能不够深入。例如，Ryan (1988) 认为深层区域由岩浆堆积物组成，而浅层区域是片状岩脉复合体，但这些几何形状的细节和其与地震信号的关联仍需进一步阐明。
大地测量数据与变形中心研究 (Cervelli and Miklius, 2003; Poland et al., 2008)：
研究内容： 揭示了基拉韦厄火山口下方存在两个变形中心，每个都有其特征时间尺度。长期山顶收缩与3.5公里深处的储层有关，而短期（2-3天）的收缩-膨胀-收缩（DID）事件则反映了Halemaumau东部边缘下方约0.5公里处较浅源的体积变化。
不足： 大地测量数据提供了变形信息，但其空间分辨率可能不足以精确解析浅层导管系统的复杂几何形状，也无法直接揭示导致这些变形的流体动力学过程。
长周期（LP）地震活动研究 (Almendros et al., 2001; Saccorotti et al., 2001; Almendros et al., 2002b; Battaglia et al., 2003; Kumagai et al., 2005)：
研究内容： 在Halemaumau东部边缘下方浅层区域识别出LP地震活动，并将其与活跃的热液系统联系起来。Kumagai et al. (2005) 提出LP事件的震源机制涉及水平裂缝的共振。
不足： 这些研究主要关注LP信号，可能未能完全捕捉到VLP信号所反映的更深层次的流体动力学过程。此外，对于裂缝内部流体填充物的性质（如气泡水或蒸汽）的推断，仍需更多直接证据。
超长周期（VLP）信号研究 (Chouet and Dawson, 1997; Ohminato et al., 1998; Almendros et al., 2002a; Dawson et al., 2004)：
研究内容： 明确指出VLP信号源自Halemaumau东部边缘下方海平面附近的一个紧凑震源区。Ohminato et al. (1998) 通过波形反演推断VLP信号源过程涉及亚水平裂缝的重复变形周期，并归因于气体-液体流通过狭窄出口的堵塞。Chouet and Dawson (1997) 提出VLP信号是由连接Halemaumau区域到东裂谷的裂缝传输机制解释的。
不足：
裂缝方向不一致： Chouet and Dawson (1997) 推断的裂缝方向与Ohminato et al. (1998) 图像化的裂缝方向不同，这表明对导管几何形状的理解存在不确定性。
复杂导管几何： 这些结果共同暗示了复杂的导管几何形状，可能是一个裂缝丛。虽然识别了VLP信号的来源区域，但对于其精确的几何结构和动态激活机制仍需更详细的建模和验证。
其他区域VLP信号： Almendros et al. (2002a) 和 Dawson et al. (2004) 还在火山口其他区域识别出VLP信号，但由于接收器覆盖不足，这些震源的实际位置约束较差。
地震层析成像研究 (Dawson et al., 1999)：
研究内容： 通过P波和S波走时反演，构建了基拉韦厄山顶区域的地震速度结构模型，识别出低P波速度异常区和高Vp/Vs比区域，并将其归因于高度破碎的物质和/或部分熔融的存在，以及被岩床和岩脉渗透的热岩体。
不足： 地震层析成像虽然提供了地下结构信息，但其空间分辨率（0.5公里）可能不足以解析VLP震源区内更精细的导管几何特征。此外，该研究认为不需要紧凑的岩浆储层来满足速度约束，这可能与某些火山学家的观点存在差异。
气体团上升和爆发的实验和数值模型 (James et al., 2004, 2006, 2008, 2009; O’Brien and Bean, 2008)：
研究内容： 这些研究探讨了气体团在液体填充的垂直和倾斜导管中上升和爆发时产生的压力和力变化，并将其与地震信号联系起来。
不足： 文献指出，这些模拟通常使用刚性导管，但实际情况并非如此，火山导管壁存在弹性变形。此外，这些模拟可能未能完全解释所有观测到的地震信号特征，例如剪切力在VLP震源解中未完全体现的问题。James et al. (2009) 的标度关系也未在所有量级上得到验证。

总结不足之处：

总的来说，前人研究在理解基拉韦厄火山的岩浆系统和地震活动方面取得了显著进展，但仍存在以下不足：

导管几何的精确性： 对于浅层导管系统的精确几何形状，特别是裂缝和管道的相互作用，仍存在多种解释和不确定性。
流体动力学过程的完整性： 尽管气体团模型被广泛接受，但其在导管内部的完整动力学过程，特别是剪切力如何与地震信号耦合，以及非弹性变形的影响，仍需更深入的研究。
多尺度现象的整合： 如何将不同时间尺度（SP、LP、VLP）和空间尺度（从深部储层到近地表导管）的观测和模型整合起来，形成一个统一的火山动力学图像，仍然是一个挑战。
模型简化： 许多数值模拟为了简化计算，采用了理想化的条件（如均匀介质、刚性导管），这可能与实际火山环境存在差异。

本文使用的数据

地震数据： 2008年3月至2009年2月期间，基拉韦厄火山脱气爆发产生的超长周期（VLP）地震信号。具体选择了15次具有高信噪比的VLP信号进行分析，其中包括3月19日的喷口开启阶段以及2008年4月9日至2009年2月4日期间发生的爆发。
地震台网： 部署在基拉韦厄山顶火山口的10个三组分Guralp CMG-40T宽带（0.02-60秒）地震仪组成的永久宽带地震台网。
地形数据： 来自美国地质调查局（U.S. Geological Survey）的数字高程图（DEM），用于计算格林函数时考虑基拉韦厄火山的地形。
视频图像： 针对2008年8月27日的脱气爆发，使用了喷发羽流的视频图像（M. Patrick和T. Orr的未发表数据），以帮助确定喷口事件的时间。

本文采用的方法

波形反演（Waveform Inversion）：
频域反演： 在10-50秒频段内对VLP信号进行全波形反演，假设点源嵌入考虑地形的均匀弹性介质中。
最小化残余误差： 通过最小化数据与合成地震图之间的残余误差来确定最佳拟合点源位置和震源机制。
互易性原理： 利用震源和接收器之间的互易性原理，在频域进行计算，以减少计算时间。
震源机制模型： 考虑了三种可能的震源机制：
1. 仅三个单力分量。
2. 仅六个矩张量分量。
3. 六个矩张量分量加三个单力分量。
Akaike信息准则（AIC）： 用于评估不同震源模型中自由参数数量的显著性，选择最佳模型。
格林函数计算：
假设均匀介质，并考虑基拉韦厄火山的地形。
采用三维有限差分法（Ohminato and Chouet, 1997）计算合成波形。
使用平滑函数对格林函数进行卷积，以确保反演的稳定性。
震源重建：
对单管道、单裂缝、两个相交管道、两个相交裂缝以及相交管道和裂缝等模型进行系统性重建。
在所有模型中都包含三个单力分量。
通过系统地改变定义每个震源分量方向的角度来搜索最佳拟合模型。
流体动力学模拟：
扩展了James et al. (2008) 的计算流体动力学模拟，以模拟气体团的最终上升阶段。
使用FLOW-3D软件（版本9.3）求解Navier-Stokes方程的有限差分（或有限体积）近似。
模拟了一个250米高、垂直、刚性圆柱体，底部封闭，填充150米深不可压缩牛顿流体，以模拟气体团的上升和爆发。

本文获得的结果

VLP震源位置和机制：
VLP信号源自Halemaumau坑火山口东部边缘下方约1公里处的震源区域。
观测到的波形可以通过体积分量和垂直单力分量的组合来很好地解释。
体积源的最大体积变化约为24,400立方米，最大力幅值约为20 GN。
震源几何模型： 获得了四种与观测波形兼容的震源几何模型：
1. 单个管道： 向东北倾斜64°。
2. 管道与裂缝相交： 一个向东北倾斜58°的管道与一个向西南偏西倾斜48°的裂缝相交。
3. 两个相交裂缝（双裂缝模型）： 一个向北倾斜80°的东向裂缝（岩脉）与一个向东倾斜65°的北向裂缝（另一个岩脉）相交。
4. 两个相交管道： 一个向东北倾斜57°的管道与一个向西南偏西倾斜58°的管道相交。
模型偏好： 综合考虑地质合理性和推断的深部压力变化量级，研究倾向于双裂缝VLP源模型，认为它是唯一能够产生合理尺度和压力变化值的候选模型。
脱气爆发序列： 每次脱气爆发都显示出相似的特征序列：
震源区域初始收缩，同时伴随向上的力。
随后震源再膨胀，伴随向下的力。
最后是体积源的衰减振荡。
垂直力最初向上，与源收缩同步；然后向下，与源再膨胀同步；随后是与体积振荡极性相反的振荡。
流体动力学解释： 这种力与体积变化的组合归因于流体动力学源机制，涉及岩浆通道上部约150米内气体大块团的上升、膨胀和爆发引起的压力和动量变化。
SP、LP、VLP信号的解释：
SP振荡被认为是气体团快速膨胀和爆发（在气体团上升的最后3-4秒内）这一流体动力学源机制中最具动态阶段的实时指标。
VLP和LP振荡则是由气体团膨胀和爆发引起的压力变化所激发。
气体团质量估算： 观测到的15次爆发中的垂直力大小与10^4至10^6千克的气体团质量一致。
模拟结果与观测对比： 数值模拟结果在形式、时间尺度和量级上与地震反演得到的力和压力变化一致，支持了气体团上升和爆发的流体动力学模型。

本文创新之处

结合体积和单力分量的震源机制建模： 本文在VLP信号的震源机制建模中，不仅考虑了体积变化分量，还引入了垂直单力分量。这使得模型能够更好地解释观测到的波形，并从物理角度揭示了流体动力学过程中动量交换的重要性。
系统性震源几何重建与评估： 研究系统地重建并评估了多种可能的导管几何模型（单管道、双裂缝、管道-裂缝组合、双管道），并结合地质合理性和压力变化量级，最终倾向于双裂缝模型，为基拉韦厄火山浅层导管的几何结构提供了更具体的认识。
流体动力学模拟与地震反演的结合： 本文将计算流体动力学模拟与地震波形反演结果进行对比，验证了气体团上升和爆发的流体动力学模型，并深入探讨了压力和剪切力在地震信号产生中的作用。
对不同地震信号物理意义的细致区分： 明确区分了SP、LP和VLP信号的物理意义，将SP信号解释为气体团快速膨胀和爆发的实时指标，而VLP和LP信号则由其引起的压力变化激发，这有助于更全面地理解火山喷发过程中的多频段地震响应。

本文贡献

深化对基拉韦厄火山脱气机制的理解： 提供了基拉韦厄火山脱气爆发过程中VLP信号产生机制的综合视图，揭示了气体团上升、膨胀和爆发在其中扮演的关键角色。
约束浅层导管几何结构： 通过详细的波形反演和模型重建，为Halemaumau下方约1公里处的VLP震源区域的几何结构提供了强有力的约束，特别是倾向于双裂缝模型。
提升火山监测和预警能力： 强调了利用宽带地震台网监测流体运动对火山监测的重要性，为未来通过导管成像来预测危险火山活动提供了理论和方法基础。
促进火山物理学发展： 结合地震学和流体动力学方法，为火山内部复杂流体-固体耦合过程的研究提供了新的视角和方法论。

本文不足

剪切力在VLP震源解中未完全体现： 文献指出，在气体团上升的大部分时间里，相关的剪切力似乎并未完全体现在VLP震源解中。模拟结果显示向下剪切力与底部压力减小产生的向上力相互抵消，但在地震反演中却观测到净向上力。
近地表复杂性解释不足： 对于VLP信号中在58-68秒之间出现的瞬态向下力（力反转）的解释，目前的流体动力学模型和简化模型不足以提供完全的解释，可能涉及近地表导管几何的复杂性或未完全解释的剪切力效应。
模型假设的局限性：
均匀介质假设： 波形反演假设均匀介质，尽管对于长波长信号可能影响不大，但实际火山内部介质的非均匀性可能对结果有一定影响。
刚性导管模拟： 流体动力学模拟使用了刚性导管，而实际火山导管壁存在弹性变形，这可能导致模拟结果与实际情况存在差异。
点源假设： 地震反演假设VLP信号为点源，但压力力和剪切力耦合位置可能存在600-700米的距离，这可能对反演结果产生影响。
LP波段反演的缺失： 文献提到，为了解析LP波段的更高模态振荡，需要对LP波段进行全空间范围的波形反演，但这项工作留待未来研究。

解决不足的可能方法

改进流体动力学模型：
考虑非弹性变形： 在流体动力学模拟中引入导管壁的弹性或非弹性变形，更真实地模拟岩浆与围岩的相互作用。
更复杂的导管几何： 模拟更复杂的近地表导管几何，例如包含多个子喷口、岩浆池扩散等特征，以解释力反转现象。
更精细的剪切力耦合机制： 深入研究剪切力如何通过热机械边界层与围岩耦合，以及非弹性变形如何衰减剪切力。
改进地震反演方法：
非均匀介质反演： 采用考虑非均匀介质的地震波形反演方法，提高震源参数的精确性。
分布式震源模型： 探索使用分布式震源模型，而非简单的点源模型，以更好地解释压力力和剪切力耦合位置的分离效应。
多频段联合反演： 将VLP、LP和SP波段的波形数据进行联合反演，以获得更全面的震源机制和导管动力学信息。
多学科交叉研究：
结合更多观测数据： 整合更多类型的观测数据，如地质调查、地球化学、热异常等，对模型进行多方面约束和验证。
实验室实验： 进行更精细的实验室模拟实验，以验证流体动力学模型中的复杂物理过程。
高分辨率成像技术： 发展更高分辨率的地震层析成像或其他地球物理成像技术，以更精确地刻画火山内部的导管几何结构。

发展趋势

多物理场耦合建模：
将地震学、大地测量学、流体动力学、热力学、地球化学等多个物理场模型进行更紧密的耦合，以构建更全面、更真实的火山系统模型。
例如，将岩浆流动、气体传输、热传递、岩石变形和地震波传播等过程整合到一个统一的框架中。
高分辨率、实时监测与数据融合：
部署更密集、更先进的宽带地震台网，结合GNSS、InSAR、热成像、气体排放监测等多种观测技术，实现火山活动的实时、高分辨率监测。
开发先进的数据融合算法，将不同类型的数据整合起来，提供对火山内部状态和过程的更全面、更及时的认识。
机器学习与人工智能的应用：
利用机器学习算法对海量地震数据进行模式识别、异常检测和事件分类，提高火山地震事件的识别效率和准确性。
开发基于深度学习的波形反演和震源机制确定方法，以处理复杂介质和多源问题。
利用人工智能进行火山喷发预测和危险评估，提高预警能力。
复杂导管几何与流体动力学精细化研究：
进一步研究火山内部导管系统的复杂几何形状，包括裂缝网络、管道分支、岩浆囊形态等，以及这些几何特征对流体动力学过程的影响。
深入探讨岩浆中气体团的形成、上升、膨胀、爆发以及与导管壁的相互作用机制，特别是剪切力、非弹性变形和多相流的影响。
火山喷发物理过程的量化：
通过更精确的震源机制反演，量化火山喷发过程中体积变化、力学作用和能量释放等关键物理参数。
结合实验模拟和数值模拟，验证和完善火山喷发物理模型，提高对喷发强度、持续时间和影响范围的预测能力。
不确定性量化与风险评估：
在火山模型和预测中，更系统地考虑和量化各种不确定性来源，包括数据不确定性、模型参数不确定性和模型结构不确定性。
开发更完善的火山风险评估框架，为火山灾害管理和应急响应提供科学依据。
跨学科合作与国际协作：
加强地质学、地球物理学、流体动力学、计算机科学等不同学科之间的交叉合作。
促进国际间的火山监测和研究合作，共享数据和经验，共同应对全球火山灾害挑战。

总的来说，未来的研究将朝着更精细、更全面、更智能的方向发展，旨在通过多学科融合和先进技术应用，更深入地理解火山内部的复杂过程，从而提高火山灾害的监测、预测和管理能力。

题目