火山地震活動的實驗室模擬*

火山地震活動的實驗室模擬*

Philip M Benson1，2)Sergio Vinciguerra3)Philip G Meredith1)R Paul Young2)
1)Rock and Ice Physics Laboratory，Department of Earth Sciences，University College London，Gower Street，London，WC1E 6BT，UK
2)Lassonde Institute，University of Toronto，170 College Street，Toronto，Ontario，M5S 3E3，Canada
3)Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia，Sezione di Roma 1，Via di Vigna Murata 605，00143，Rome，Italy

火山體內(nèi)產(chǎn)生地震活動的物理過程非常復(fù)雜，目前仍然沒有被完全理解。我們在實驗室內(nèi)用來自埃特納火山(意大利)的玄武巖做了變形和破碎實驗并報道了實驗結(jié)果。該實驗用一組圍繞樣品的傳感器監(jiān)測，以完成全波形記錄及微震事件定位和分析。充滿液體的孔隙和損傷區(qū)快速破裂后減壓激發(fā)了許多低頻事件，類似于長周期火山地震活動。低頻事件與孔隙流體的減壓有關(guān)，位于破裂樣本的損傷區(qū);這些事件都具有一個弱剪切滑動分量(雙力偶)，與發(fā)生在活火山下的流體驅(qū)動事件相一致。

火山地震活動與地面變形、斷層作用以及火山體內(nèi)火山流體的運動密切相關(guān)。對不同類型的地震信號進行識別和解釋是災(zāi)害評估和減災(zāi)的中心目標(biāo)。當(dāng)?shù)貧び捎趲r漿運動發(fā)生變形和斷裂時，就會發(fā)生火山構(gòu)造(VT)地震活動，導(dǎo)致火山體下面的淺源地震，這就是令人感到不安的初始信號。斷層作用提供了深部巖漿與表層之間的通道，在最終噴發(fā)之前一般都會出現(xiàn)小震級VT地震發(fā)生的速率加快。另一類地震活動與流體運動有關(guān)，但詳情仍不確定。低頻事件(LF)也叫長周期(LP)和甚長周期(VLP)事件，在各類活火山里都可以觀測到，通常在最終噴發(fā)前呈群聚性發(fā)生。這種低頻事件與VT地震在頻率范圍和諧波特征上不同，推測它們可能由于流體的流動以及流體在火山裂隙和管道里共振產(chǎn)生。當(dāng)?shù)皖l信號變成連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)信號時，就會發(fā)生火山顫動。有人提出低頻地震可以為火山噴發(fā)預(yù)測方法提供基礎(chǔ)。然而，由于其他構(gòu)造過程也經(jīng)常產(chǎn)生與低頻顫動類似的地震活動(例如俯沖區(qū)的深部不連續(xù)顫動和滑動)，因此需要進一步了解火山區(qū)低頻事件發(fā)生的物理過程。

我們對埃特納火山玄武巖樣品做了一系列變形實驗，并報道了其中的一個實驗結(jié)果，該實驗產(chǎn)生了微地震信號，即更為人熟知的聲發(fā)射信號(AE)。就地震波頻率而言，它們表現(xiàn)出的特征與火山活動期間觀測到的極其相似。在有效圍壓為60 MPa時，即相當(dāng)于火山機體下大約2 km的壓力狀態(tài)，我們對埃特納玄武巖柱狀樣品進行了變形實驗(直徑50 mm，長125 mm，中心有一個預(yù)鉆孔的通道，直徑3 mm);初始孔隙流體壓力為20 MPa，有效圍壓40 MPa。實驗分兩個階段。階段1，樣品以4×10-6S-1的常應(yīng)變率發(fā)生變形直至脆性破裂。這導(dǎo)致局部剪切斷層和相關(guān)裂縫損傷區(qū)的形成。階段2，存儲在樣品中的流體(包括已存在的微裂隙和新形成的斷層損傷區(qū))快速地從樣品的頂部解壓，促使流體通過損傷區(qū)及預(yù)鉆孔通道快速從樣本流出。整個實驗過程用16個傳感器連續(xù)記錄聲發(fā)射事件。除了記錄波形外，還用下山單純形法和三軸速度模型對單個AE事件進行了定位。我們估算聲發(fā)射定位的精度是mm。我們也通過相對振幅矩張量分析法計算了定位事件的震源特征(機制)。野外監(jiān)測中，流體運動通常是地震群的主要機制(這種情況在火山地區(qū)普遍存在——特別體現(xiàn)在快速體積改變過程，例如與巖漿解壓相關(guān)的通道中的流體運動)，不僅實驗結(jié)果與野外資料相符，而且我們還可以得到獨立驗證孔隙體積變化的矩張量解，孔隙體積變化是流體驅(qū)動地震的一個主要特征。

初始加載過程中，原有裂隙閉合，AE發(fā)生率較低。隨著差應(yīng)力增加，新的裂隙形成并擴展，AE發(fā)生率成指數(shù)增加。在破裂應(yīng)力達到480 MPa，軸向應(yīng)變達到2.9%時，樣品由于剪切斷層作用發(fā)生了破裂。在變形階段我們記錄到了1518個事件，定位了其中的762個事件。大部分定位結(jié)果都在剪切斷層或其共軛斷層的損傷區(qū)內(nèi)(圖1a)。這些事件主要表現(xiàn)出雙力偶震源特征(圖1a)，完全如設(shè)想的實驗中斷層震相一樣。通過對沒有預(yù)鉆孔的巖石做同樣的實驗和得到相同的結(jié)果，我們證實中心預(yù)鉆孔對變形機制和斷裂的影響并不是太明顯。

圖1 埃特納火山玄武巖變形實驗后的樣本，圖中顯示一條穿透斷層及其共軛斷層。(a)實驗變形階段的AE定位(點);(b)孔隙流體快速解壓過程中的AE定位(空心圓)。條形標(biāo)示出無量綱事件的虛震級，由所有接收點的平均權(quán)重射線路徑計算得出。不管是實驗的哪一個階段(變形或者解壓)，事件都發(fā)生在斷層上或者接近斷層處。與變形相關(guān)的震源特征(機制)(a)顯示出高百分比的雙力偶剪切分量，而與孔隙流體解壓相關(guān)的震源特征(b)則表現(xiàn)出較低的雙力偶剪切分量

通過儀器頂部的閥子控制，受壓的孔隙流體(超過0.2 s)迅速解壓，同時在階段1產(chǎn)生的斷裂損傷區(qū)附近伴有一組AE事件發(fā)生(圖1b)。與實驗的變形階段不同的是，與解壓相關(guān)的AE事件的震源機制呈現(xiàn)低剪切分量，但卻呈現(xiàn)高體積成分(圖1b)。因此我們假定，由于快速解壓，孔隙流體在彎曲的破裂損傷區(qū)里迅速流動，從而為一組AE事件(類似于活火山中記錄到的低頻事件)的產(chǎn)生提供了條件。涉及大幅度體積變化的震源機制解在火山區(qū)和構(gòu)造俯沖區(qū)以及斷層超壓區(qū)有大量報道，它們都與流體的運動相關(guān)。

在頻率域可以進一步看出野外數(shù)據(jù)與我們實驗數(shù)據(jù)之間的相似性(圖2)。在巖石實驗的變形階段，因為剪切斷層成核并沿著樣品傳播，所以高頻AE信號占主導(dǎo)地位(圖1a)。脆性破裂過程，從毫米級的實驗室微裂紋到千米級的地震破裂，都產(chǎn)生高頻運動和加速度。我們對巖石樣品進行變形和破裂實驗時發(fā)現(xiàn)頻率大約600 kHz時能量達峰值(圖2a)。由流體運動引起的火山地震呈現(xiàn)出低頻特征。這類低頻事件的主要能量成分集中在1～2 Hz。大部分作者認(rèn)為這類地震活動是由于流體在裂隙或火山通道里共振產(chǎn)生的，因此沒有雙力偶震源特征。我們的實驗里，充滿流體的孔隙體積的解壓導(dǎo)致了大量AE事件發(fā)生，其能量主要集中在頻率約為18～50 kHz(圖2b)。與變形產(chǎn)生的波形相比，這些事件具有更長的振鈴波形，但也具有野外地震數(shù)據(jù)中常見的明顯的高階諧波。用開放式末端管的不變和可變部分做實驗顯示出類似頻率特征。除了這兩類關(guān)鍵的端元波，我們的實驗同時發(fā)現(xiàn)了一類高頻初始成分，還發(fā)現(xiàn)了具有火山構(gòu)造地震和低頻事件雙重特性的低頻特征。我們認(rèn)為當(dāng)充滿流體的巖石發(fā)生斷層作用和流體流入裂隙時就會產(chǎn)生這些事件。這類波形在火山地震學(xué)中通常被稱為混合事件。

圖2 實驗中觀測到的具有代表性的波形。(a)在樣品變形和破裂變形中觀測到的與火山構(gòu)造地震類似的高頻事件。這些信號在頻率為600 kHz(及高于600 kHz)時有一個最大功率分量，在低頻時能量較低。(b)孔隙減壓過程中觀測到的低頻事件。這些信號在約18～20 kHz時有一個峰值功率分量。參考常態(tài)化功率圖，VT地震活動(a)的高頻能量迅速上升，峰值出現(xiàn)在～0．14 ms，低頻成分能量較小，高頻成分衰減很快。然而，對于低頻事件，沒有明顯的高頻成分，低頻成分衰減得很慢，最大能量出現(xiàn)在～0．6 ms

圖3 沿樣品的中心軸攝取的FESEM顯微圖。(左)實驗解壓階段(階段2)破裂區(qū)的AE定位。由于是低振幅信號，定位較稀疏，但仍有足夠的數(shù)據(jù)顯示定位是位于破裂損傷區(qū)內(nèi)。(右上)附加的波形實例及其相應(yīng)的定位。(右下)兩個區(qū)域中(A和B)發(fā)生低頻事件的微結(jié)構(gòu)，顯示了損傷區(qū)的空隙、波狀裂縫以及夾點

為了研究定位的AE事件的顯微結(jié)構(gòu)起源，我們分析了變形和解壓樣品的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)成像。如圖3所示，在樣品的下半部分形成了一個復(fù)雜的損傷區(qū)，由兩個主要的共軛斷層控制。在解壓階段，AE事件主要位于這個損傷區(qū)里。兩組AE事件群的詳細定位意味著產(chǎn)生這些事件的流體沿著彎曲的路徑流動，呈現(xiàn)出擠壓和起伏特征。這些幾何特征被認(rèn)為是產(chǎn)生顫動事件的主要原因。FESEM觀測表明，許多裂隙都充滿了破碎和粉末狀的巖石(圖3，插圖B)，在斷裂的巖漿和黑曜石野外觀測中也有類似報道。綜觀來說，這些觀測表明當(dāng)水熱流體(水、蒸氣、含塵氣體和/或巖漿自身)流經(jīng)已存在的裂隙網(wǎng)時，包括大型的斷層以及與之相關(guān)的破裂損傷區(qū)，就產(chǎn)生了火山地區(qū)的低頻事件(圖3，圖4)。

采用簡單的粒徑-頻率比例關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)具有實驗室尺度(dL)和頻率(fL)標(biāo)度(分別為50 mm和18～50 kHz)的低頻事件測量結(jié)果可以外推應(yīng)用到具有震源尺度(dV)和地震頻率(fV)的天然火山地震數(shù)據(jù)中(分別是0.2～1 km和1～2 Hz)。AE遵循指數(shù)定律關(guān)系，正如野外尺度地震一樣，允許采用相似的統(tǒng)計定律。根據(jù)文獻資料，當(dāng)?shù)皖l事件和天然火山地震具有相同的尺度特征時，dL×fL=dV×fV。根據(jù)以上引用的測定結(jié)果，我們得出:dV/dL=4×103～20×103，fL/fV=9×103～50×103，具有很好的一致性。盡管稍微有些簡單，這個一階處理證實了我們的實驗室數(shù)據(jù)與天然火山數(shù)據(jù)具有尺度比例性。同樣，與火山物理過程相關(guān)的其它參數(shù)，如黏性(V)，也可以用這種簡單方法進行縮放。分別設(shè)實驗室孔隙水黏性和玄武巖火山石黏性為VL=10-3Pa.s，VV=102Pa.s，長度尺度dL=50 mm，dV=10 km(溢流噴發(fā)的常用數(shù)據(jù))，我們得出:dV/dL=2×105，VV/VL=1×105，再次證實具有很好的一致性。

圖4 (左、中)實驗后的FESEM顯微圖，展示了典型的波狀裂縫結(jié)構(gòu)特征:扭結(jié)、壓縮和粉狀填充物。(右)基于實驗室證據(jù)和Julian顫動模型得到的損傷區(qū)幾何總體模型，補充信息源自Neuberg無震栓塞流模型。我們也觀測到在損傷區(qū)里有粉狀碎塊，類似于Chouet假設(shè)、Tuffen和Dingwell在野外觀測到的裂隙中的灰末。由于管道/裂紋的共振，由損傷區(qū)里的波動和扭結(jié)產(chǎn)生的任何非層流流動可能都被記錄為低頻地震事件，而我們的實驗里，經(jīng)常可以在低頻AE事件位置發(fā)現(xiàn)這些特征

我們認(rèn)為，在樣品中記錄到的低頻AE事件作為單個觸發(fā)點，觸發(fā)了更長的低頻尾波。單個低頻事件的定位為這一假設(shè)提供了證據(jù)，它們不局限于樣品損傷區(qū)的特定地點，顯示出樣品中不同的源。因此由觸發(fā)群引起的低頻顫動源有可能與通道有關(guān)。這可以用實驗室尺度設(shè)備和簡單的關(guān)系式來證明，即:速度 =fλ。已知通道長度(λ)為125 mm，壓縮波速度范圍從1500 m/s(水)到6000 m/s(未破裂的玄武巖)，則頻率(f)為12～48 kHz。這與記錄到的頻率大約為20～50 kHz的共振具有很好的一致性。因此，我們的實驗室數(shù)據(jù)也與下列結(jié)果相符，即野外證據(jù)、部分熔融的高溫實驗證據(jù)和模型證據(jù)。模型證據(jù)顯示低頻事件的產(chǎn)生是損傷區(qū)和通道內(nèi)流體相互作用的結(jié)果。

(注:原文中圖件均為彩圖;參考文獻略)

譯自:Science，Vol.322，10 October，2008，249-252

原題:Laboratory simulation of volcano seismicity

(中國地震局地球物理研究所研究生 王小瓊譯;左玉玲 校)

(譯者電子信箱，王小瓊:wxq4526@163.com)

P315.8;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.05.007

2009-11-24;

2010-03-20。