利用地震频度-震级分布（b值）监测埃特纳火山岩浆运移：从深部补给到喷发的应力演化追踪

本研究针对火山深部岩浆补给过程难以监测的难题，通过分析意大利埃特纳火山2005–2024年地震数据，创新性地利用地震频度-震级分布斜率（b值）的时间变化，成功追踪了岩浆从地幔补给、中地壳存储到浅部运移的全过程。研究发现b值变化较地球化学异常提前数月出现，可作为中长期火山监测的有效指标，为多参数预警系统提供了关键技术支持。

　　

火山作为地球深部过程的窗口，其喷发预测一直是地球科学领域的重大挑战。目前，人口密集区的活火山主要依靠地质观测、地球物理和地球化学数据进行监测，这些手段虽能捕捉浅部岩浆活动，实现短期预测，但对深部岩浆补给过程仍知之甚少。特别是在像意大利埃特纳这样持续活动的火山，理解岩浆从深部到浅部的运移机制对于预警喷发、减轻灾害风险至关重要。

在这一背景下，研究人员将目光投向了地震频度-震级分布（Frequency-Magnitude Distribution, FMD）的斜率，即b值。这一参数在火山研究中被广泛认为是地壳应力变化的代理指标。一般而言，b值表示大小地震的比例关系，与平均震级成反比。在火山区域，富含流体的破碎岩体通常表现出较高的b值（>1），反映小震频发；而均质岩体或应力集中区则b值较低，易发生较大地震。理论上，岩浆活动会改变围岩应力状态：深部岩浆补给可能增加差应力，使b值降低；而挥发分渗出增加流体压力，则会降低差应力，使b值升高。若能捕捉b值的时序变化，或可揭示深部岩浆的运移过程。

为了验证这一设想，研究团队以埃特纳火山为试验场，分析了意大利国家地球物理与火山研究所（INGV-OE）2005年至2024年的地震目录。他们利用tomoDDPS软件和三维速度模型对地震进行了重定位，提高了震源精度。基于对埃特纳火山管道系统的已有认识，研究人员划分了三个关键的地震活动层位：深部（10–30 km，蓝色点）、中部（0–8 km，黄色点）和浅部（山顶至2 km，红色点），分别对应深部岩浆补给区、中间存储区和浅部存储区。通过改进Taroni等人的加权似然估计方法，他们计算了每个区域的b值时间序列，并充分考虑了随时间变化的完整性震级（Mc）的影响，确保了结果的可靠性。

关键技术方法包括：利用INGV-OE地震台网获取2005–2024年地震目录；采用tomoDDPS软件进行三维重定位，结合被动和主动地震数据衍生的速度模型；按深度划分三个地震活动层位（深部：10–30 km，中部：0–8 km，浅部：山顶至2 km）；使用改进的Taroni加权似然法计算b值时间序列，并动态校正Mc的时序变化；通过Utsu检验评估b值差异的显著性。

研究结果部分，首先通过建立沿埃特纳管道系统的b值时间变化，发现三个区域的全局b值显著不同：深部为1.00，反映构造环境；中部为1.70，指示流体富集、破碎岩体；浅部为1.31，显示相对稳定的开放通道条件。这证实了不同深度应力状态的差异。

在通过b值时间变化追踪埃特纳火山活动部分，研究详细分析了2016年以来的b值时序变化（TS-D、TS-I、TS-S），并将其与火山活动阶段关联。例如，2017年1月深部b值骤降（事件2），解释为地幔岩浆补给，增加应力；随后中部b值在2017年2–3月升高（事件3、4），反映挥发分压力增加，降低差应力。这些变化比地球化学指标（如3He/?He比值上升）早出现约2个月，显示了b值的超前预警能力。2018年12月强震群活动前，中部b值下降（事件7），指示差应力增加和岩脉扩展，随后发生了主要动荡事件。2020年深部b值变化（事件8、9）提前预示了之后的熔岩喷泉序列。研究表明，b值变化能有效反映岩浆从深部补给、中段转移到浅部上升的过程，且浅部b值相对稳定，支持了开放通道条件的假设。

讨论部分总结了b值作为岩浆运移指标的有效性：深部b值下降指示岩浆从地幔补给，增加应力；上升则反映岩浆向浅部迁移，卸载围岩。中部b值下降与注入未脱气岩浆或挥发分压力减少相关，增加差应力；上升则指示挥发分压力增加或岩浆向浅部转移。浅部b值小幅波动，反映开放通道系统的稳定性。整体上，b值时序趋势与埃特纳活动阶段吻合，支持其作为监测工具的潜力。研究还指出，持续的地震监测和人工智能自动检测可进一步提高b值估计的可靠性，用于近实时监测。

结论强调，该方法能够揭示火山管道系统沿线地壳应力条件的时间变化，尤其能探测深部地壳的岩浆运动，这是其他方法难以实现的。b值变化较地球化学信号更早出现，因为地震波速远快于气体迁移速率。将b值分析整合到火山监测中，可增强对岩浆动力学的理解，识别动荡阶段，并提前检测可能导致喷发的异常条件。对于埃特纳，b值可帮助在INGV-OE控制室预警系统之前识别岩浆转移信号，改进喷发预测。此外，b值作为喷发前兆也可应用于其他具有足够地震活动的火山，最终改善灾害管理和公共安全。