夏威夷莫纳罗亚与基拉韦厄火山地震衰减对比研究：揭示岩浆系统内部结构差异

《Geophysical Journal International》：Seismic Attenuation from within Mauna Loa and Kīlauea: A Comparative Analysis

本研究首次对夏威夷莫纳罗亚与基拉韦厄火山进行了地震衰减对比测量。研究人员通过分析从火山口到阿罗哈缆控观测站（ACO）传播路径的地震波，采用t*（走时与Q值之比）方法分离路径衰减，发现莫纳罗亚火山的体波衰减（QK）和剪切波衰减（Qμ）均显著高于基拉韦厄（10 Hz时Qμ分别为115和400，QK分别为25和425）。这表明尽管两火山同源，但莫纳罗亚可能含有更高比例的部分熔融体，挑战了传统认为体衰减在地球介质中可忽略的观点，为火山内部结构研究提供了新见解。

　　

在太平洋的蔚蓝海域，夏威夷群岛如同珍珠般散落，其中莫纳罗亚和基拉韦厄火山是地球上最活跃的火山代表。它们虽然共享同一个热点来源，相距仅约34公里，但性格迥异——基拉韦厄频繁喷发，而莫纳罗亚则相对沉寂，直到2022年11月才结束了38年的休眠。这种差异背后，是否隐藏着火山内部结构的秘密？长期以来，科学家们对基拉韦厄火山的地震衰减（即地震波在传播过程中能量损失）进行了大量研究，但对莫纳罗亚却鲜有关注。地震衰减是窥探地球内部物理状态的关键窗口，它能反映温度、压力、熔融比例等信息。然而，一个基本问题尚未解答：莫纳罗亚的衰减特性究竟比基拉韦厄强还是弱？这不仅是比较两座火山那么简单，更关乎我们对火山动力学和岩浆系统的理解。传统观点认为，体衰减（Q_K）在地球介质中可忽略不计，但初步证据显示火山环境可能颠覆这一认知。为此，Rhett Butler等人开展了这项开创性研究，成果发表于《Geophysical Journal International》。

研究人员运用了多项关键技术：首先，利用阿罗哈缆控观测站（ACO）和夏威夷火山观测台（HVO）网络的地震数据，选取莫纳罗亚和基拉韦厄火山口附近的浅源地震（深度近海平面），分析其P波和S波位移源谱；其次，采用t（走时与Q值之比）方法分离路径衰减，计算频率相关的有效Q值（2-35 Hz）；第三，通过弹性模量公式将Q_P和Q_S转换为体模量衰减（Q_K）和剪切模量衰减（Q_μ）；第四，使用中位数和中位数绝对偏差（MAD）处理数据，确保统计稳健性；最后，基于激活能模型（E）测试温度-压力对衰减的影响，并探讨部分熔融机制。样本来源于USGS/HVO地震目录中的莫纳罗亚5次事件和基拉韦厄50次事件。

3.1 Derivation of Q for basalt elastic moduli

通过分析玄武岩弹性模量，本研究将地震波速度损失转换为体模量（K）和剪切模量（μ）的衰减（1/Q），这些是激活能（E*）、温度（T）和压力（P）的固态函数。结果表明，在接近固相线温度时，表观Q机制发生变化，固态激活能参数化不再适用。

3.2 Q and earthquake source spectra

基于地震位移源谱（遵循f^?2衰减模型）测量Q值。通过校正源谱，剩余频谱下降率被建模为有效Q，从而区分固有衰减和散射效应。

3.3 Median and median absolute deviation (MAD)

采用中位数和MAD处理Q值数据，以抵抗异常值影响。莫纳罗亚数据量小（≤4个事件），中位数作为基线，而基拉韦厄数据更丰富（50个事件），MAD提供了可靠的变异性度量。

3.4 tand path Q*

利用t*公式将路径衰减分段分析，显示莫纳罗亚至ACO路径的衰减显著高于基拉韦厄，且衰减差异主要源于火山口附近区域。

3.5 Q and solid-state activation energy

使用激活能模型（Q = c e^(E*+PV)/RT）测试温度-压力依赖性，发现模型预测的莫纳罗亚Q_μ（1440）远高于观测值（115），说明固态过程无法单独解释衰减差异，暗示部分熔融的作用。

3.7 Q and partial melt

研究表明，有效Q_μ可建模为固态衰减（Q_μ^?）和部分熔融衰减（Q_μ⁺）之和。莫纳罗亚的低温Q_K和高V_P/V_S比率（~1.85）进一步支持部分熔融的存在，而基拉韦厄的V_P/V_S较低（1.70-1.75）。

研究结论强调，莫纳罗亚火山的地震衰减显著高于基拉韦厄，尤其在体衰减方面（Q_K差异达17倍）。这种差异无法仅由温度-压力模型解释，部分熔融是关键因素。莫纳罗亚可能含有更高比例的部分熔融体或不同的熔体几何结构，这影响了地震波传播。此外，在17-33 Hz高频段，两火山均表现出散射效应。本研究首次揭示了相邻火山系统的衰减差异，深化了对火山内部结构和动力学的理解，为地震数据解释和火山监测提供了新依据。