超長周期震顫信號揭示尼拉貢戈火山熔巖湖與深部巖漿房的相互作用 |牛杰明-JVGR

在開放式火山中，長期存在的熔巖湖直接反映了其與深部巖漿系統之間的連通性。約束淺部巖漿系統的大小和系統中所填充巖漿的流變特征對于評估熔巖流和其他火山活動的潛在危險至關重要。熔巖湖通常會經歷快速脫氣、落石、甚至熱對流的應力擾動過程，從而激發熔巖湖的振蕩。因此，研究巖漿系統流體的振蕩及其與周圍巖壁的應力耦合所輻射的地震波可為探測巖漿系統幾何形狀和巖漿流變屬性提供了寶貴信息。中國科學院地質與地球物理研究所地震學課題組牛杰明副研究員在對尼亞拉貢戈火山周圍寬頻帶地震臺網連續資料進行分析后，首次觀察到了超長周期震顫事件，揭示了世界上已知最大熔巖湖的晃動及其與深部巖漿系統的相互作用過程。

所發現的信號表現為調和式的地面振蕩，具有兩個孤立的譜峰，約為15秒和16秒，持續時間長達半小時，以及一個較長周期的譜峰，約為76秒（圖1和圖2）。輻射的地震波可在距離熔巖湖小于50公里的臺站上有效地觀測到。地震波走時、質點運動軌跡和形變反演表明：（1）15秒和16秒的模態與接近地表的兩個相互正交的水平方向單力相關，指向熔巖湖的動態波動；（2）76秒的模態與深度為8-16公里的爆炸源相關，可被視為熔巖湖波動對深部巖漿系統的擾動。對三個模態進行動力學建模后可得出一個儲存能力約為8立方米/帕、半徑約為7.5公里的球形深部巖漿房。在15秒和16秒模態出現前的高頻地震波表明，這些信號可能是由劇烈的脫氣或落石激發。模態周期和品質因子的變化反映了熔巖湖和深部巖漿房幾何形狀和巖漿粘滯度的變化。這一發現可能提高我們理解巖漿管道系統的能力，有助于追蹤尼亞拉貢戈火山中的巖漿演化，并進一步探究活火山中熔巖湖的形成機制。

圖1?尼拉貢戈火山周邊地震臺網和內部結構。（右上）熔巖湖的尺寸；（右下）大地測量和巖石學所得的巖漿供應系統以及該研究所發現的超長周期震顫事件不同模態的震源位置。黑色虛線箭頭為超長周期震顫事件在15秒和16秒周期附近的質點運動軌跡方向

圖2?超長周期震顫事件的波形特征。a.代表性事件在最近臺站的傅立葉頻譜；b.在最近臺站的速度波形（濾波至12-24秒）；c.在較遠臺站的傅立葉頻譜；d.在較遠臺站的速度波形；e.在其他臺站的寬頻帶速度波形；f.其他超長周期震顫事件的頻譜；g.發生在15秒、16秒和75秒模態之前的高頻地震能量

研究成果發表于國際學術期刊JVGR（牛杰明*. Very-long-period signal reveals lava lake sloshing and its interaction with a deep reservoir in Nyiragongo volcano [J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2024, 450: 108088. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2024.108088.）。研究受國家重點研發計劃（2022YFF0503101/ 2022YFF0503100）的資助。