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SA:地震触发玄武质火山喷发所需的金凤花条件——来自2015年Ambrym喷发的证据
2020-07-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  Ambyrm火山位于瓦努阿图群岛内,印度-澳大利亚板块在这里以每年85 mm的速度向东俯冲到太平洋板块之下(图1)。2015225日,该火山发生了一次小规模喷发,形成了一个新的火山口Niri Taten。在喷发前30小时,火山以南约15-20 km处还发生了一次Mw6.4级地震,地震为逆冲型,震源深度10 km。人们自然会问,火山喷发与地震之间是否有关系,是不是地震触发了该火山的喷发? 

1 Ambyrm火山的构造背景图。红色圆圈为火山口,Niri Taten2015年喷发形成的新火山口。沙滩球展示了喷发前30小时发生的地震机制。AUS-澳大利亚板块;PAC-太平洋板块

  通常认为,地震触发火山喷发的可能性较低(Manga and Brodsky, 2006),有些大地震发生后并没有观测到火山喷发显著增加的现象,但最新的研究也发现了很多的事例,显示大地震会在近场(数十公里)和远场(数百公里)触发火山活动(Pritchard et al., 2013; Takada and Fukushima, 2013)。虽然具体的触发机制仍有争议,但是可以基本确定的是,地震扰动了原先的应力场,从而触发了火山活动。地震波传播在远场处产生的动态应力变化引起岩浆房内的成核与气泡生长,并导致结晶粥液化或岩浆泡沫崩塌;而静态应力可以使岩浆房体积变化,进一步促进了气泡的生长,挤压了储存在浅层岩浆房中的岩浆,导致其向上迁移并最终喷发。 

  近期,Hamling and Kilgour 2020)就地震和火山的触发关系提出了新的见解,相关研究成果发表在Science Advance上。 

  利用2015124日和34日的日本ALOS-2卫星的升轨数据得到干涉图(图2),他们发现最大形变发生在新喷发口附近,视向线位移高达1.5 m,而之前的喷发口没有明显变形。有限断层模型模拟拉张位错显示,最大拉张位错达到了3.5 m,延伸至地表以下3.5 km的位置(图2),进一步估算获得侵入岩浆体积约为0.045 km3 

2 InSAR观测与模拟。A火山喷发期间InSAR视向线位移观测数据,理论模拟值以及残差;B拉张位错分布

  为了研究喷发前30小时发生的Mw6.4级地震对浅层岩浆系统的影响,研究者在考虑震源位置不确定性(水平±5 km;深度±4 km)的基础上,根据震源机制解计算出地震导致的法向方向的静态应力变化。结果显示,浅层岩浆系统的应力整体下降(法向应力增加),应力变化的绝对值在0.031 Mpa之间(图3A)。除了静态应力变化外,地震波的传播还可以在火山系统内产生显著的非永久应力变化。这种动态应力变化的衰减比静态应力的衰减要慢,因此在较远的距离可以超过静态应力变化,计算结果显示峰值动应力变化为0.91.5 MPa(图3B)。 

  模拟结果显示,如果喷发产生了3.5 m的拉张位错,最终的超压需要达到411 MPa。在多数情况下,这种超压是由于有新的物质注入到浅层岩浆系统中造成的,同时伴随着变形和地震。但是,2015Ambrym火山喷发前没有观测到伴随侵入产生的地震活动性的增强,且此次地震产生的应力,无论是静态应力变化,还是动态应力加载,其变化均太小,无法产生驱动喷发所需的超压。 

  假设没有额外的岩浆侵入,就需要寻找一种新的机制解释上述现象。对岩浆体内压力恢复的数值模拟表明,岩浆压力下降导致的气泡生长,可产生超过一个数量级的超压(Nishimura2004)。在这一过程中,岩浆的温度和含水量起着重要作用:同一温度下,含水量越低则气泡生长所需的初始压力降更大;同一含水量下,温度越高则压力降更大(图3D、图3E)。如果岩浆较冷且富含水,那么很小的压力降(小于1 MPa)足以促进气泡的生长,从而导致岩浆体积增加和岩浆房压力升高,进而引起火山喷发。但是低温会产生另一个不利于喷发的影响,因为随着岩浆的冷却,结晶作用会降低其流动性。当晶体的含量达到30%40%时,岩浆将处于闭锁状态,从而降低其喷发的可能性。对于H2O含量为2-2.5wt% 的岩浆,其下限温度约为970℃。因此存在一个非常窄的温度窗口(~50℃),在该窗口内岩浆保持足够的流动性,且较小的压力降即可导致足够的气泡形成,从而对岩浆房加压引起喷发(图3D、图3E)。 

3 Mw6.4级地震产生的应力变化以及对气泡生成的影响。A静态正应力变化。B动态应力变化。C超压与密度、excess pressure的关系。D不同含水量下晶体体积百分比随温度的变化。E不同含水量和温度条件下体积增长随压力降低的变化

  综上所述,地震引起的应力变化太小,如果没有额外的气泡生成并对岩浆房加压,就无法解释火山喷发所需要的超压。一种可能的解释是岩浆必须是富含水的,而且其温度要比新侵入的玄武质岩浆温度低,但也不能过低。这种适当的条件被称为金凤花条件,在这种条件下,岩浆在较小的地震应力作用下生成气泡,通过对浅层岩浆房加压而引发火山喷发。因此有理由推断,岩浆房内如果有部分冷却结晶的玄武质岩浆,就更容易受到地震的触发而产生火山喷发。 

  【致谢:感谢新生代室郭正府研究员对本文提出的修改建议。】     

  主要参考文献 

  Hamling I J, Kilgour G. Goldilocks conditions required for earthquakes to trigger basaltic eruptions: Evidence from the 2015 Ambrym eruption[J]. Science Advances, 2020, 6(14): eaaz5261.链接 

  Manga M, Brodsky E. Seismic triggering of eruptions in the far field: Volcanoes and geysers[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2006, 34: 263-291. 

  Nishimura T. Pressure recovery in magma due to bubble growth[J]. Geophysical Research Letters, 2004, 31(12): L12613.链接 

  Pritchard M E, Jay J A, Aron F, et al. Subsidence at southern Andes volcanoes induced by the 2010 Maule, Chile earthquake[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(8): 632-636.链接 

  Takada Y, Fukushima Y. Volcanic subsidence triggered by the 2011 Tohoku earthquake in Japan[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(8): 637-641.链接  

  (撰稿:郝金来/地星室) 

 
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