海底火山喷发中脉冲式事件的源机制及其对追踪熔岩流的指示意义

针对海底火山喷发监测难题，研究人员通过分析2015年Axial Seamount喷发期间的>20,000次脉冲事件，结合地震-声学波形特征与热力学模型，首次提出大部分事件由熔岩闪蒸海水形成气泡内爆（implosive source mechanism）引发。该研究为远程监测全球70%以上深海火山活动提供了新范式，成果发表于《Science Advances》。

　　

研究背景

地球表面70%以上的火山活动发生在黑暗的深海，但受限于探测手段，仅有约3%的喷发被记录。传统监测方法如卫星观测（仅适用于浅海变色或浮石筏现象）、ROV（远程操作载具）探查（成本高昂且时效性差）和地震群分析（无法区分喷发与非喷发事件）均存在明显短板。近年来，一类与海底熔岩流共生的脉冲式事件（impulsive seafloor events）在夏威夷、Gakkel洋脊等地被检测到，但其源机制长期存在争议——可能涉及岩浆挥发分脱气（CO₂）、海水-熔岩相互作用（hydrovolcanic implosion）或氢气燃烧等假说。

关键方法

研究团队利用美国OOI（Ocean Observatories Initiative）海底电缆阵列记录的2015年Axial Seamount喷发数据，对22,383次脉冲事件开展三阶段分析：1）基于波形相似性聚类30组事件群；2）通过极性分析和辐射模式反演排除爆炸源（explosive source）与张裂机制（tensile crack）；3）结合热力学计算与地质观测，量化气泡内爆的物理条件。样本来源于北裂谷带（north rift zone）厚度达128米的熔岩流覆盖区。

研究结果

1. 脉冲事件的源机制

所有事件在垂直地震分量均显示向下初动极性（dilatational quadrant），排除了爆炸源假说。事件位置与已知喷发裂隙无空间关联，且缺乏直达P/S波，支持其与水体强耦合的内爆机制（implosive source）。

2. 物理过程解析

通过Minnaert频率方程（R = (1/2πf)·√(3p/ρ)）估算气泡半径（1-1.5米），与西Mata火山实测气泡尺寸一致。热力学模拟表明，1600米水深下熔岩（1200°C）闪蒸海水（2°C）可产生2.2×10⁵-2.9×10⁷ m³蒸汽，远超检测事件所需气泡体积（5.0×10⁵ m³）。

3. 深度依赖性规律

对比全球数据发现：浅海（<1600米）以挥发分主导的爆炸事件为主；中深海域（1600-3000米）以海水内爆为主（如Axial Seamount事件密度1.51×10^-4 events/m³）；而>3000米的Fani Maoré因海水超临界态抑制蒸汽化，事件密度骤降三个数量级（0.83×10^-7 events/m³）。

结论与意义

该研究首次系统论证海底脉冲事件的内爆机制主导性，建立其与熔岩流动态的定量关联。这一发现使得利用现有海底地震/水听阵列远程追踪37%深海火山（深度<3000米）成为可能，填补了传统监测手段的空白。未来可通过优化气泡振荡模型（如熔岩介质中的频率修正）进一步提升探测精度，为理解地球深部物质循环提供新视角。