利用下加利福尼亚州圣金廷火山场中的环境地震噪声，通过剪切波速度模型研究晚更新世苏德埃斯特火山的浅层地下结构

火山浅层结构研究：采用HVSR方法揭示Sudoeste火山高剪切波速异常体及岩浆通道受构造控制机制

　　
### San Quintín火山场的构造与浅层结构研究——以sudoeste火山为例

#### 研究背景与区域地质特征
San Quintín火山场（SQVF）位于下加利福尼亚半岛西北部，是北美太平洋-北美板块边界活动带的重要组成部分。该区域自新生代以来持续经历拉伸性变形，形成了复杂的火山构造体系。火山场内分布着超过12座第四纪单次喷发火山体，沿NNW-SSE和NE-SW两组断裂带呈带状分布（图1）。这些火山活动与板块边界的走滑和拉伸机制密切相关，其岩性主要为偏碱性的安山质熔岩与火山碎屑物（Luhr et al., 1995；Wood, 1980）。

研究聚焦于sudoeste火山，其作为火山场上保存最完好的穹状火山体，具有20,000年前形成的典型晚更新世喷发记录。火山锥直径约2.5公里，锥体形态完整，周边发育多条次级断裂（图2）。该区域地质构造复杂，既有新生代火山活动的产物，又叠加了古老的构造格架，这对理解岩浆运移路径和火山演化机制具有关键意义。

#### 研究方法与技术路线
团队采用被动地震勘探技术中的水平-垂直谱比（HVSR）方法，结合一维反演算法，系统解析sudoeste火山的浅层结构。该方法基于地震波在介质中的传播特性，通过对比地表水平与垂直方向的振动谱特征，反演地下剪切波速（Vs）分布（Nakamura, 1989；SESAME, 2004）。具体实施步骤包括：

1. **数据采集**：在火山锥周围布设12个观测站，沿NW-SE和NE-SW两个正交方向布设观测剖面（图2）。使用地震记录仪采集微震信号，信号频率范围覆盖0.5-25 Hz。

2. **HVSR分析**：通过计算各观测站的水平与垂直振动信号的功率谱比，绘制HVSR曲线。典型曲线显示在特定频率处出现峰值，该频率对应介质的固有共振频率（图3）。

3. **一维反演建模**：利用HVSR曲线椭圆度特征，结合经验关系式（Wathelet et al., 2020），构建不同深度（0-1000米）的剪切波速模型。模型参数包括层厚度、波速值和密度比，采用迭代优化算法实现反演。

4. **三维结构重建**：将沿两个剖面的反演结果进行空间插值，生成二维速度断面图（图6-10）。通过对比不同深度剖面的速度分布，识别出连续性良好的高速异常体。

#### 浅层结构解析与地质解释
反演结果揭示sudoeste火山存在显著的速度异常体（图6-10）。在200-800米深度范围内，发育一个NW-SE延伸的高速异常区（Vs>2700 m/s），其空间展布与邻近Pescador 1和2火山体的排列趋势一致。该异常体具有以下特征：

1. **几何形态**：沿两个正交剖面均呈现近似长条状分布，延伸方向与区域断裂系统一致。最大延伸长度约3公里，宽度约800米，体积约6立方公里。

2. **速度分层特征**：高速异常体内部呈现明显的各向异性，沿火山锥轴线方向（NW-SE）波速略高于垂直方向（NE-SW）。在浅层（0-200米）过渡带存在速度梯度突变，梯度值达5 m/s/m。

3. **围岩对比**：异常体周围分布着低波速区域（Vs<800 m/s），对应松散火山碎屑堆积层和饱和沉积物。两者波速差异超过200%，表明存在显著介质分界面。

#### 火山构造演化启示
1. **岩浆通道定位**：高速异常体沿区域断裂带呈串珠状分布，推测为火山管道系统。该系统深度约500米，宽度80-120米，与火山锥形态高度吻合。

2. **构造控制作用**：异常体与火山锥的形态、断裂系统的空间配置均存在显著一致性。研究证实区域NE-SW向断裂是岩浆上升的主要通道，而NW-SE向断裂可能控制火山喷发物的堆积模式。

3. **岩浆分异过程**：高速体内部存在不同波速分层（图7），可能反映岩浆在上升过程中经历的分异作用。表层快速层（Vs>2800 m/s）与深层较慢层（Vs~2500 m/s）的差异，暗示存在结晶分异或部分熔融过程。

#### 技术应用与创新
1. **HVSR方法改进**：通过引入空间自相关分析（SPAC）和层间耦合效应校正，将传统HVSR的识别深度从500米提升至1000米，分辨率提高约40%（对比ávila-Barrientos et al., 2022）。

2. **多技术验证体系**：结合地震层析成像与地质填图数据，构建三维验证模型。通过对比火山碎屑物密度与波速关系（ρ/Vs经验公式），验证了高速异常体对应的花岗岩质侵入体（图9）。

3. **环境适应性优化**：针对火山场特殊地形（坡度>15°，植被覆盖度>60%），开发了基于无人机搭载的移动式HVSR观测系统，采样密度达到每平方公里3个站点。

#### 区域火山演化意义
本研究为理解Baja California火山系统的动力学机制提供了新证据。高速异常体的空间分布模式与区域断裂网络吻合，揭示出以下关键规律：

1. **岩浆通道继承性**：浅层高速体与深层地幔柱可能存在连续性，说明火山系统受控于深部构造背景，而非单纯局部热力学过程。

2. **喷发模式转换**：对比 sudoeste 火山（穹状结构）与邻近 Pescador 火山（锥状结构），发现高速异常体深度（500米）与火山喷发频率呈负相关（喷发间隔/深度比=0.04 km?1），这为预测火山活动周期提供了新参数。

3. **板块边界效应**：异常体的高速特征与区域上地幔软流圈活动相关，其波速值（2700-2900 m/s）接近典型板内碱性玄武岩的剪切波速上限（Lunedei and Albarello, 2015）。

#### 数据局限性及改进方向
研究同时指出方法存在的局限性：① HVSR对垂直入射地震波敏感，当观测点与火山管道轴线存在角度偏差时（>30°），反演精度下降约25%；② 未考虑温度对波速的影响，需后续通过地热数据校正；③ 深度超过1000米时，信号衰减导致反演误差增大。建议后续研究可结合可控震源技术获取深层结构，或引入机器学习算法优化反演参数。

#### 火山监测应用前景
基于本研究建立的火山浅层结构数据库，可应用于以下监测预警：
1. **岩浆补给通道识别**：通过高速体空间分布，可定位潜在岩浆上升通道，建立三维模型指导钻探监测。
2. **喷发物堆积预测**：结合波速与沉积物密度关系，可计算不同喷发强度下的火山碎屑堆积体积（误差<15%）。
3. **地震危险性评估**：火山内部高速体可能作为地震波放大器，其存在使浅层地震波场振幅增强约3-5倍（对比正常岩层）。

#### 结论与科学价值
本研究首次通过被动地震方法揭示了sudoeste火山浅层结构，发现其高速异常体具有以下科学意义：
1. **构造-岩浆耦合机制**：证实区域断裂系统不仅控制火山分布，更直接参与岩浆通道形成。
2. **火山演化阶段划分**：高速体深度分布（200-800米）与火山喷发年代存在正相关（r=0.78, p<0.01），为划分火山活动期次提供新依据。
3. **技术验证标准**：建立HVSR在火山环境应用的误差校正模型（平均误差<12%），为同类研究提供技术范式。

研究团队特别强调，该成果已纳入墨西哥国家火山监测系统（SVC)的预警算法，未来计划在火山场布设10个长期监测节点，实现每小时更新的浅层结构模型。