坎皮佛莱格瑞火山三维结构与动力学特征增强多灾害风险评估

研究人员通过整合地震重定位数据与定制岩石物理实验，首次获得坎皮佛莱格瑞火山高分辨率3D P波和S波地震图像，揭示了2 km深度以下富气储层、1-2 km变形盖层及3.5 km基底结构。发现地震活动沿盖层向下迁移，应力变化触发内火山边界断层更深层地震。该研究为火山地震活动与流体驱动机制提供新见解，推动多灾害评估框架更新。

　　

坎皮佛莱格瑞火山（Campi Flegrei caldera, CFc）是意大利那不勒斯人口密集区内的活跃火山，近50年经历了三次显著地面隆起事件，伴随地震活动加剧。2020-2024年最新隆升期月速率达2 cm，M3.5+浅源地震频发，引发公众对火山喷发风险的担忧。然而，传统火山灾害评估主要关注喷发场景，忽视了流体驱动的地震与地面变形交互作用。更棘手的是，现有地球物理研究对浅部岩浆房是否存在（<5 km）存在争议，直接影响灾害预案制定。

为解决这一难题，意大利国家地球物理与火山学研究所（INGV）、斯坦福大学等机构联合团队在《Nature Communications》发表研究，通过创新性多学科方法揭示了CFc的三维精细结构及其动力学机制。研究结合10,500次地震事件的高精度重定位（NLL-SSST技术）、3D局部地震层析成像（LET）以及原位岩石物理实验，首次明确了三个关键结构层：1-2 km深度的纤维增强盖层（Vp/Vs≥1.85）、2-4 km富气储层（Vp/Vs 1.4-1.55）及3.5 km以下热变质基底（Vp≥5 km/s）。

关键技术包括：1）基于源特定台站走时校正（SSST）的地震重定位，将定位误差控制在300米内；2）多尺度网格参数化（500 m→250 m）的LET反演，结合13口钻井的岩石属性约束初始模型；3）270℃高温高压条件下火山碎屑硅岩的声波速度测量，模拟储层流体相变过程。

3D P波和S波层析成像
通过10,498次地震的走时数据，研究团队重建了CFc地下4.5 km内的速度结构。盖层呈现弧形高Vp/Vs比（≥1.85）特征，对应天然纤维增强的火山碎屑岩，其韧性变形解释了60 cm地面隆升。索尔法塔拉火山口下方盖层局部Vp/Vs≤1.6，指示蒸汽主导的裂隙区。富气储层（2-4 km）呈椭球状低Vp/Vs异常，实验室证实该比值（1.5-1.6）对应蒸汽-CO₂混合流体超压状态。基底（>3.5 km）的Vp 5 km/s与热变质灰岩吻合，其倾斜形态与重力数据一致。

岩石物理实验
对SV1井2125-2134 m岩芯的实验显示，孔隙压力（P_f）升高时，岩石体积膨胀呈指数增长（图3A），Vp和Vs分别下降8%和12%。当P_f达到临界值（25 MPa，270℃），蒸汽-液态水相变使Vp/Vs从1.5升至1.7，揭示了储层压力累积-释放的物理机制。

地震活动演化
2014-2024年地震迁移揭示动态过程：早期微震（M<3）集中于盖层（图4C），随流体逃逸，储层减压触发3-4 km深度边界断层活动（M4.2）。断层活化顺序显示西南部巴亚-巴科利区域先于东部巴尼奥利断层，反映应力场动态调整。

研究结论挑战了浅部岩浆房假说，证实当前隆升由富气储层-盖层相互作用主导。盖层纤维结构（类似罗马混凝土）通过蠕变缓冲应变，而储层超压通过孔隙压力传递驱动变形。这一发现将火山地震活动与流体动力学直接关联，为多灾害评估引入新维度——除喷发风险外，需重点关注流体驱动的地震与地面失稳。讨论部分强调，3.5 km以上缺乏岩浆证据，但富气储层规模（覆盖最大隆升区）暗示蒸汽爆发风险，建议修订应急预案纳入非岩浆灾害场景。

该研究通过跨尺度方法（从纳米级纤维力学到千米级结构成像）重新定义了CFc的灾害机制，为全球破火山口监测提供范式。团队提出的模块化多灾害场景框架（整合地震、变形、地球化学数据）已被意大利民防部采纳，用于动态风险评估。