德国东部艾费尔地区微震活动揭示断层活化与拉赫湖火山下流体过程

《Geophysical Journal International》：Microseismicity Reveals Fault Activation and Fluid Processes Beneath the Neuwied Basin and Laacher See Volcano, East Eifel, Germany

本刊推荐：为解决德国新维德盆地(Neuwied Basin, NWB)微震活动源机制不明的问题，研究人员通过大型台阵观测与机器学习检测技术，开展了为期一年的微震监测与矩张量反演研究。结果表明Ochtendung断层带(OFZ)以走滑机制为主，并发现拉赫湖火山(Laacher See Volcano, LSV)下存在超压岩浆房可局部扰动应力场。该研究为理解板内火山系统流体-构造耦合机制提供了关键证据。

　　

在德国西部的艾费尔地区，隐藏着中欧少数仍在活动的板内火山系统。尽管拉赫湖火山最近一次大规模喷发发生在1.3万年前，但该区域持续观测到高浓度的岩浆成因CO_{2释放、深部低频火山地震以及活跃岩浆系统的结构证据。这种独特的地质背景使东艾费尔火山场(EEVF)成为研究板内环境下岩浆过程与地壳应力相互作用的天然实验室。}

新维德盆地(NWB)作为EEVF的重要组成部分，长期以来观测到显著的微震活动，这些活动被推测与地下的Ochtendung断层带(OFZ)相关。然而，由于传统地震台网分辨率有限，该区域地震活动的驱动机制始终存在争议。特别是缺乏对地震活动的时空分布模式、流体作用以及现今岩浆系统状态的精细刻画。这一科学空白直到2022-2023年实施的"艾费尔大型台阵实验"才得以填补。

本研究通过部署包含495个测点的密集地震台网，结合基于机器学习的检测定位方法，在2022年9月至2023年8月期间记录了1043个微震事件。采用概率矩张量反演方法对192个高质量事件(Mw 0.6-2.7)进行了系统分析，首次揭示了NWB地区断层活动和流体过程的精细特征。

研究方法主要包括：(1)利用Qseek检测定位框架结合机器学习相位拾取器(PhaseNet)进行微震检测与定位；(2)采用Grond工具进行贝叶斯矩张量反演，仅使用P波波形数据在3-8 Hz频带进行反演；(3)基于迈克尔应力反演方法从震源机制解推断区域应力场；(4)通过波形互相关和DBSCAN聚类识别重复地震事件。所有分析均基于Eifel Large-N实验获得的高质量波形数据。

3.1 时空事件分布

微震事件主要沿OSZ呈NNW-SSE向分布，深度范围为10-16公里。研究发现两个显著的断层阶跃(S1和S2)，其中S1阶跃附近的地震活动表现出持续的幕式特征，波形相似性高(互相关系数众数为0.74)，表明流体触发机制的存在。从2023年初开始，特别是Moselle河南岸Kobern-Gondorf地区的地震活动显著增加，呈现典型的主余震序列特征。

3.2 矩心矩张量与应力场结果

研究获得了192个地震的稳定矩张量解，揭示了走滑、正断和逆冲三种断层机制。沿OSZ以走滑机制为主，而S2阶跃附近则主要表现为正断层机制。值得注意的是，P轴方向沿OSZ呈现系统性旋转，从东南段的平行于断层逐渐转变为中段的近乎垂直，这种旋转与LSV下方的低速异常体位置高度吻合。

4.3 主应力轴与岩浆房的关系

通过基尔希弹性解析解模拟发现，LSV下方存在一个半径2.5-3公里、超压10-40 MPa的圆柱形岩浆房可以合理解释观测到的P轴旋转现象。这一模型不仅解释了应力场扰动，还能说明LSV附近出现的逆冲断层事件，表明该岩浆房可能仍处于活跃状态。

本研究通过高分辨率微震监测和矩张量分析，首次系统揭示了新维德盆地复杂的断层活动和流体驱动过程。研究表明OSZ的地震活动主要受流体压力变化驱动，而LSV下方可能存在仍在活动的超压岩浆房。这些发现为理解板内火山系统的动力学过程提供了重要依据，对评估该地区的火山灾害风险具有重要科学意义。该研究展示了大N地震观测与先进分析方法在揭示地壳精细结构和过程方面的强大能力，为类似构造环境的研究提供了范例。

论文发表于《Geophysical Journal International》，为全球地球科学界提供了关于板内火山系统流体-构造相互作用的新认识，对推动火山地震学和发展地震危险性评估方法具有重要意义。