比利亚里卡火山首年大地电磁观测：揭示安第斯最活跃火山的电性结构时空变化

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：First year of magnetotelluric observations at Villarrica volcano, Southern Andes

本刊推荐：为解决火山内部岩浆系统实时监测难题，研究人员在智利比利亚里卡火山开展了首例永久性宽频带大地电磁(MT)观测。研究发现MT参数变化与火山构造地震活动增强存在时序关联，揭示了浅部岩浆储库的电性结构变化，为利用电磁方法监测岩浆流体运移提供了关键实证，对安第斯火山灾害评估具有重要意义。

　　

在南美洲安第斯山脉的壮丽景观中，比利亚里卡火山以其2828米的海拔和频繁的喷发活动，被誉为南美洲最活跃的火山。历史记载显示，自1558年以来该火山已发生至少50次喷发，而湖相沉积物研究更将这一记录扩展到近600年内的百余次事件。作为典型的开放通道火山，比利亚里卡火山口维持着罕见的永久性熔岩湖，为科学家提供了窥视地球深部过程的独特窗口。然而，这种活跃性也带来了严峻挑战——火山周边人口密集区常年面临火山碎屑流、熔岩流和火山泥石流(lahar)的威胁，2015年的喷发就曾引发广泛关注。

传统火山监测主要依赖地震学和形变测量，但这些方法难以直接探测岩浆和流体的迁移过程。大地电磁法(Magnetotellurics, MT)作为一种通过测量天然电磁场来反演地下电性结构的地球物理技术，对熔融物质、热液流体等导电体异常敏感，成为刻画火山内部结构的利器。但将MT应用于火山动态监测仍面临挑战：连续观测站点稀少、数据处理复杂、环境干扰因素多等问题制约着其发展。

在此背景下，Daniel Díaz、Maximiliano Pavez和álvaro Amigo等研究人员在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》上发表了比利亚里卡火山首年大地电磁观测成果。研究团队基于前期三维电阻率模型发现的浅部导电异常区(C1，5-20 Ω·m)，于2023年1月在火山侧翼安装了首套永久性宽频带MT观测系统。该系统采用Phoenix Geophysics公司的MTU-5C数字采集器和MTC-150磁感应线圈，布设100米长的正交电偶极，采样策略兼顾宽频带覆盖与低功耗需求：每600秒采集1秒24000 Hz、20秒2400 Hz数据，并持续记录30 Hz信号。

关键技术方法包括：基于前期三维MT勘探确定的观测点位优化；采用长期连续观测策略（2023年1月至2024年初）；使用MTpy软件包进行阻抗张量和相位张量分析；结合智利国家地质与矿业局(SERNAGEOMIN)的地震、SO₂通量等多参数验证；通过正演模拟评估电阻率变化机制。观测点位于火山东南侧全新世破火山口边缘，恰处前期研究识别的浅部岩浆储库上方。

3.2 永久大地电磁站点建设

研究团队在比利亚里卡火山海拔较高区域布设的MT站点，克服了极端天气和供电难题。电极采用Pb-PbCl材料，辅以膨润土保持接触电阻稳定（10-20 kΩ），磁传感器全埋设于30厘米深度以降低环境干扰。尽管冬季积雪导致2023年5-9月数据中断，但改进供电系统后实现了持续观测。

3.3 首批数据与参数计算

数据处理显示，24小时连续记录即可获得周期达1000秒的可靠视电阻率和相位曲线。以2023年1月26日至3月1日数据为基准，发现2023年12月末至2024年1月初的Zxy和Zyx分量视电阻率在0.1-10秒周期区间显著降低，相位曲线同步发生偏移。相位张量分析和电性主轴方向计算进一步揭示，2024年1月5日前主轴方向偏离区域背景值(N10°E)，震后恢复稳定。

4. 数据变化与成因分析

2024年1月4-5日，火山周边记录到500余次火山构造地震(VT)，最大震级ML 3.4，震源位于MT站下方3.8公里处。值得注意的是，MT参数变化超前于地震活动增强：12月底视电阻率已开始下降，1月5日地震活跃期后参数恢复正常。同时，1月6日SO₂排放量骤增至8000吨/日，暗示深部流体活动加剧。

研究排除了空间磁场干扰（Kp指数≤5）和传感器机械振动的影响，认为电阻率下降反映的是深部电性结构改变。正演模拟表明，这种变化需要浅部导电体体积扩大或电导率增强才能解释，可能与岩浆补给引起裂隙流体饱和度高有关。该现象与Aizawa在樱岛火山、Peacock在地热系统的监测结果类似，均体现流体运移对电阻率的控制作用。

多项独立研究佐证了该区深部过程：InSAR显示站点周边存在4.2公里深度的隆升源；地震层析成像揭示东南侧低速区；岩相学分析指示浅部岩浆房深度约5公里。这些证据共同指向全新世破火山口边缘的浅部岩浆系统活动，MT监测到的电阻率变化可能反映岩浆注入导致裂隙网络流体再分布或熔融物质电导率改变。

5. 结论

比利亚里卡火山首年MT观测证实，电磁参数变化与火山活动存在可识别的关联性。视电阻率和相位异常可作为浅部岩浆流体运移的指示器，为传统地震监测提供互补信息。尽管单站观测存在局限性，但本研究成功演示了MT技术在安第斯火山实时监测中的可行性。未来布设更多站点并延长观测周期，将有望建立电性参数与喷发前兆的定量关系，为火山灾害预警提供新维度。

这项研究的创新性在于将长期MT观测与多学科数据融合，首次在南美洲最活跃火山系统获得电性结构动态变化证据。随着2024年12月第二套永久站点的建成，比利亚里卡火山监测网络将进一步完善，为理解板块汇聚带火山动力学提供独特视角。