气体驱动型火山虽然不及岩浆喷发型火山引人关注，但是它活动时产生的岩石碎块、火山气体和水汽具有很强的破坏力，近年来全球发生的几次灾难性气体驱动型火山爆发事件，就凸显了人们目前对这类火山喷发所做的监测预警工作的不足，例如2014年日本的Ontake火山因为仅仅在喷发前约10分钟才被监测到有活动迹象，结果造成了日本自1926年Tokachidake 火山喷发以来最大的人员伤亡（Yamaoka et al., 2016）。对这类火山喷发预测一直是火山学和灾害评估研究中最具挑战的课题之一。
区域应力变化是火山活动性的关键指标，传统火山监测主要是基于火山口附近的地震数据，分析地震波衰减情况来进一步获得应力变化（Fehler et al., 1988），但这种方法的不足之处是气体驱动型火山喷发前产生的地震数量往往很有限，因此缺乏足够的数据源开展这样的分析工作。以法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Corentin Caudron教授为首的国际研究团队在Geology期刊上发文，报道了两个频带地震波位移记录振幅比值（DSAR, Displacement Seismic Amplitude Ratio）与气体驱动型火山的活动性存在很强的相关性：气体驱动型火山的喷发时刻恰好对应DSAR曲线在长时间(数月至数年)持续升高之后的峰值。
DSAR是一种常规的数据处理方式，本文的创新点在于为了消除海洋噪声源的影响，作者首先将每天的垂向地震波位移记录去线性趋势并进行高通滤波(>0.5 Hz)；然后在低频段(4.5～8 Hz)和高频段(8～16 Hz)分别对波形进行带通滤波并将每天的连续波形截取成10分钟的片段；接着计算两个频带内的绝对振幅比（单频段无法有效反映地下介质衰减性的微弱变化，由于两个频段对衰减性敏感度不一样，故采取振幅比法可以放大微弱变化），选取中值(median)作为一天的最终结果，而不确定度则是通过对1000个样本进行bootstrap统计分析计算95%的置信区间而获得。
图1 三座气体驱动型火山DSAR值随时间的变化情况。从A到C依次是印尼的Kawah Ijen火山、新西兰的Tongariro火山和Ruapehu 火山。竖实线和虚线分别对应大规模和小规模的火山喷发，灰色矩形框表示持续喷发时间超过一天的火山事件。对于新西兰的Tongariro火山和Ruapehu 火山选取两年的窗长计算滑动中值，对于印尼的Kawah Ijen火山选取90天的窗长计算滑动中值。DSAR曲线的宽度（阴影区域）反映了DSAR值的计算误差，宽度越大说明误差越大，宽度越小说明误差越小，阴影区域对应了bootstrap统计方法得到的95%置信区间范围（Caudron et al., 2019）
作者发现，DSAR值变化与其他物理观测量，如区域地震/地震群活动、火山构造地震、海浪、潮汐、大气压力、降雨量以及应变等没有明显的相关关系，他们认为DSAR值的变化主要受到火山活动的控制。如图2所示，作者将气体驱动型火山喷发前DSAR值的增大主要归因于火山口下方岩体介质孔隙压力的增大，认为这也是浅层地壳地震波衰减机制的主导因素。同时，作者通过理论正演发现，对于固定的震源-台站间距而言，只有当品质因子Qf （描述地震波衰减性的无量纲物理量）的值小于某一阈值时，随着Qf 的减小，DSAR的值才会明显增大（图2C）。
图2 DSAR值变化的物理模型解释。(A)气体驱动型火山平静期对应的物理模型卡通示意图；(B)气体驱动型火山即将喷发前的物理模型卡通示意图，主要特征是火山喷发前浅部位置的气体大量聚集，导致岩体孔隙压力增大和地震波衰减性增强(品质因子Qf 值降低)；(C)在不同震源-台站间距的情况下，DSAR的值随品质因子Qf 的变化情况，主要特征是对于固定的震源-台站间距，只有当品质因子Qf 的值小于某一阈值时，随着Qf 的减小，DSAR的值才会明显增大（Caudron et al., 2019）
通过对距离火山口不同位置台站的DSAR值曲线进行对比（图3），作者发现越靠近火山口的地震台站计算得到的DSAR值随时间变化的特征愈明显。
图3 新西兰Ruapehu火山不同震源-台站间距情况下DSAR值随时间的变化。图中DRZ台站(黑色曲线)坐落于火山口正上方；FWVZ台站(黄色曲线)、COVZ台站(绿色曲线)和NGZ台站(蓝色曲线)台站距离火山口分别大约是2 km、7 km和10 km；竖实线和虚线分别对应大规模和小规模的火山喷发事件（Caudron et al., 2019）
DSAR方法并不能用来预测精确到“天”量级的火山喷发，但是它长时间尺度的变化趋势却可以反映一座火山是否处于活跃的状态，同时该方法对火山活跃周期中的起始和终止时间进行了很好的约束，因此能够为火山监测机构的预警工作提供重要的科学依据和参考。
主要参考文献
Caudron C, Girona T, Taisne B, et al. Change in seismic attenuation as a long-term precursor of gas-driven eruptions[J]. Geology, 2019.（原文链接）
Caudron C, Syahbana D K, Lecocq T, et al. Kawah Ijen volcanic activity: a review[J]. Bulletin of Volcanology, 2015, 77(3): 16.（原文链接）
Fehler M, Roberts P, Fairbanks T. A temporal change in coda wave attenuation observed during an eruption of Mount St. Helens[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1988, 93(B5): 4367-4373.（原文链接）
Kilgour G, Manville V, Della Pasqua F, et al. The 25 September 2007 eruption of Mount Ruapehu, New Zealand: directed ballistics, surtseyan jets, and ice-slurry lahars[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2010, 191(1-2): 1-14.（原文链接）
Yamaoka K, Geshi N, Hashimoto T, et al. Special issue “The phreatic eruption of Mt. Ontake volcano in 2014”[J]. Earth, Planets and Space, 2016, 68(1): 175.（原文链接）
（撰稿：范兴利/地星室，马琳/新生代室）
