牛杰明等-JGR Solid Earth：基于远距离台站的重复火山地震信号研究
火山区域发生的地震事件会携带火山内部流体迁移的信息。在爆发性火山喷发期间，喷发所激发的地震事件通常可以由区域或者全球地震台网观测到。在火山喷发间歇期间，火山内部岩浆供给系统中流体迁移所激发的重复性火山地震事件却只能通过靠近火山口的观测网络进行观测研究。然而，对于能否可以有效评估火山喷发的可能性和危害性来说，系统地认知活火山内部微弱重复性地震事件显得更加重要。因此，探讨能否使用远距离地震台网来系统理解重复性火山地震事件将是一个非常有意义的问题，特别是对于那些还未布设现场观测仪器的部分陆地火山、海底火山以及洋中脊。
本研究以日本阿苏火山为例，利用远距离地震台网观测资料对火山内浅部裂缝岩浆管道和深部岩浆房顶内流体迁移所激发的地震耦合事件的多种特性进行了分析。在日本阿苏火山，重复性超长周期震颤事件（VLP）通常持续时间为~50秒，主周期为~15秒，初始极性可正可负（图1），事件发生频率为数十个至数千个每周，其震源深度为~1公里，震源机制为主爆炸源或收缩源（大于90%），揭示了浅部裂缝岩浆管道内的流体迁移（Niu & Song, 2020）。时刻伴随着超长周期震颤事件，存在一个微弱的形变事件，通常持续时间为2-60秒，极性可正可负（图1），其震源深度为~4公里，震源机制为主爆炸源或收缩源（大于80%），揭示了岩浆房顶处的流体迁移（Niu & Song, 2021）。上述特性均从现场地震台网观测资料获得。
图 1 日本阿苏火山内岩浆供应系统的东西剖面。左：浅部裂缝岩浆管道（SC）和岩浆房顶的浅部岩浆储藏区域（SMSZ）。右上：超长周期震颤事件（VLP）；右下：形变事件。
在对远距离地震台网观测资料（距离震中30-1000公里）进一步分析后，本研究论证了超长周期震颤事件和耦合形变事件的特征均可被远距离观测资料约束到。例如，耦合事件各自的极性变化、相位差别、震源机制和震源深度均可从不同频段波形观测资料的相位、极性和振幅反应出来（图2）。此外，本研究还发现合理地结合现场和远距离观测资料可提升人们对震源机制中微小单力分量的约束。
图 2 不同频带波形振幅随着震中距的衰减趋势与不同深度爆炸源的理论预测值的比较。（a）高VLP频带（0.03-0.07 Hz）的振幅衰减；（b）低VLP频带（0.01-0.02 Hz）的振幅衰减；（c）永久位移的衰减；（d）-（f）不同深度爆炸源理论预测值与相应频带观测值的均方根残差。
基于以上推论，我们可以利用已有的连续地震台网来研究那些不具备现场观测资料的火山内部演化过程。例如，现有现场台网布设之前的历史火山活动（阿苏火山，1994-2011），或者现场台网停止工作期间的火山活动（阿苏火山，2016年4月，熊本地震期间），或者对于从未布设现场台网的陆地火山和海底火山（图3）。根据本研究统计，全球有~50%的活火山在200公里内拥有>4台连续地震台站（图3）。
本研究成果发表于国际学术期刊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）。
图 3 重复性火山地震事件全球分析图。（a）在给定距离具有4台以上地震台站的全球全新世火山百分比；（b）在给定距离具有4台以上F-net台站的日本活火山百分比；（c）在给定距离具有4台以上F-net和V-net台站的日本活火山百分比；（d）在给定距离具有4台以上地震台站的拥有大地测量观测的全球全新世火山百分比；（d）2020-2021年度在50公里内具有不同数目地震台站的全新世火山的空间分布。