日本西南部鬼界海底火山破火山口岩浆系统的被动地震层析成像研究

为解决鬼界海底破火山口当前岩浆供给系统空间分布未知的问题，研究人员通过海陆联合地震观测开展三维地震波速结构研究。研究揭示了0-30 km深度范围内的低速带分布特征：10 km处显著的低Vp/Vs比值表明上地壳存在超临界流体挥发分；20-25 km深度的低Vs区被解释为下地壳深部岩浆房；同时在俯冲板块上方100-140 km深度发现与板内地震活动相关的低Vs区，表明脱水作用产生的流体形成了地幔楔部分熔融带。该研究首次完整刻画了鬼界破火山口从地幔到地壳的岩浆供给系统三维结构。

　　

在火山学研究领域，海底破火山口的岩浆系统因其特殊的地理位置和观测难度，一直是科学家们试图揭开的谜团。日本西南部的鬼界海底破火山口（Kikai submarine caldera）作为全新世全球最大火山喷发（7.3 ka，VEI 7级）的遗址，其喷发规模达到332-457 km³
，但受限于海底环境和稀疏的观测网络，该火山当前的岩浆供给系统空间分布始终成谜。更关键的是，这个活跃的火山系统与菲律宾海板块向冲绳板块的俯冲过程密切相关，理解其深部结构对认识板块俯冲带火山形成机制具有重要科学意义。

为攻克这一难题，由日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）领衔的研究团队开展了创新性的海陆联合地震观测。通过布设25台短周期海底地震仪（SPOBS）和12台宽频带海底地震仪（BBOBS），结合陆上临时台站网络，研究人员首次获取了覆盖破火山口及周边区域的高质量地震波形数据。这项发表在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》的研究，采用改进的双差地震层析成像技术（tomoFDD），成功构建了从地表至150 km深度的三维P波（Vp）和S波（Vs）速度结构模型。

关键技术方法包括：1）海陆联合地震观测网络部署，整合海底地震仪（OBS）与陆上宽带地震仪数据；2）基于有限差分法的走时计算，处理高速度异质体引起的衍射波；3）改进的双差层析成像（tomoFDD）算法，利用绝对走时和相对走时（DD）数据联合反演；4）棋盘格分辨率测试（CRT）和钉刺测试验证结构可靠性；5）采用相似度值（semblance value）定量评估分辨率，仅讨论相似度>0.7的可靠区域。

研究结果揭示了一系列重要发现：

【4.1 鬼界破火山口周围的结构特征】
在0-30 km深度范围内识别出三个显著低速带：LVZ-1位于上地壳（0-10 km），表现为Vp显著降低（-10%）而Vp/Vs比值低（~1.6），指示超临界流体挥发分的优势存在；LVZ-3位于下地壳（20-25 km），Vs降幅大于Vp，解释为深部岩浆储库；LVZ-2位于破火山口东北侧15-20 km深度，呈现高Vp/Vs比（>1.8）的独立熔体区。这些结构与深部低频地震（DLF）活动空间关联，暗示多源岩浆供给系统。

【4.2 典型结构的可靠性验证】
通过钉刺测试证实：LVZ-1的Vp恢复率达80%，但Vs恢复率较低，支持流体主导解释；LVZ-3的Vs恢复率（70%）低于Vp，确认熔体存在特征；地幔楔低速带（LVZ-5）的Vs异常比Vp更显著，与板内地震活动垂直对应。

【5.1 地壳低速带与岩浆储库系统】
LVZ-1的流体特征与富士山浅部CO₂
分布类似，可能源自深部岩浆房的挥发分上涌。LVZ-2和LVZ-3两个深部熔体区的发现，与岩石学研究提出的多期次喷发岩浆成分变化相吻合。深部低频地震集中在岩浆房西北边缘，可能反映岩浆体的边界活动而非上升通道。

【5.2 地幔楔低速带与板内地震】
在100-140 km深度发现显著低Vs区（LVZ-5），直接覆盖板内地震活跃带。热力学模拟表明，这些地震对应于板片地幔中蛇纹石向石榴石二辉橄榄岩的脱水相变（~650°C/4.5 GPa），释放的流体形成上覆地幔楔部分熔融。特别值得注意的是，这种结构仅在破火山口北侧（Y=20-40 km）呈现明显的垂直对应关系，暗示区域性地幔渗透性差异。

这项研究的重要意义在于首次完整揭示了鬼界破火山口的三维岩浆系统架构：从地幔楔部分熔融开始，经多源下地壳岩浆储库，到上地壳流体主导区，构成了一个完整的岩浆供给链。特别是发现板片脱水作用与火山系统的空间关联，为理解俯冲带火山物质来源提供了直接证据。研究采用的 amphibious（海陆联合）观测策略和改进成像算法，为其他海底火山研究提供了技术范式。未来需要进一步精细刻画浅部岩浆房结构与深部系统的连通性，这对评估这个VEI 7级火山的复活风险至关重要。