黄石火山口地震群长期动态演化机制：流体扩散与断层结构的相互作用

推荐：研究人员针对火山系统中地震群空间分布与时间演化的控制因素不明问题，利用深度学习算法和三维速度模型构建了黄石火山口15年高分辨率地震目录。研究发现52%地震事件呈群集特征，由缓慢扩散的含水流体与快速注入流体的相互作用驱动，揭示了热液系统中长期流体扩散过程对地震群发生的关键作用。

　　

黄石国家公园作为全球最活跃的火山系统之一，其地震活动长期困扰着科学家。传统观点认为地震群主要由孔隙压力扩散驱动，但越来越多的证据表明，热液流体与复杂断层网络的相互作用可能产生更复杂的模式。更棘手的是，现有研究缺乏高分辨率地震目录，难以揭示地震群演化的长期规律。

为破解这一难题，研究人员利用深度学习算法EQTransformer和PhaseLink，处理了2008-2022年连续地震波形数据，结合三维S波速度(V_s)模型，构建了包含67,433个精确定位事件的高分辨率目录。通过最近邻距离(NND)算法识别出46个平均叶深度(d?)>5的群集家族，并采用分形维度(f_dim)量化断层结构复杂性。

研究首先通过精确定位揭示了地震活动的三维分布特征。结果显示，1-4km深度的地震群清晰地勾勒出上部地壳硅质岩浆储层的顶部轮廓，而4-8km深处的强V_s异常区（V_s<2.3 km/s）则对应着相对无震的岩浆储层。值得注意的是，火山口内64%的群集呈现向上迁移趋势(平均ΔZ=1.4 km)，而外围群集则无此特征。

在群集动力学方面，研究发现火山口内群集具有显著的分形特征(f_dim=1.92-2.12)，表明存在相对不成熟的粗糙断层结构。2021年7月黄石湖群集(n=657)展示了典型的深度分段现象：8-12km的深部群集与<4km的浅部群集被3-4km的无震带分隔，该区域恰好对应V_s异常区，暗示岩浆流体从韧性储层向脆性区域的运移触发了深浅部地震活动。

长期动态分析揭示了地震群独特的时空分布规律。多个高强度群集在空间上相邻但时间上相隔数年，如2021年黄石湖群集与2008年群集仅相距数百米。这种"相邻激活-长期静默"的模式在火山口多个区域重复出现，表明可能是渗透性封闭层周期性破裂导致流体快速注入所致。

该研究通过创新性地结合深度学习与三维速度模型，首次系统揭示了黄石地区地震群的长期演化规律。研究证实：1)火山口内向上迁移的地震群与含水流体沿不成熟断层的运移相关；2)岩浆储层控制着地震活动的深度分段；3)相邻群集的长期静默期反映了缓慢的流体扩散过程。这些发现为理解热液系统地震活动提供了新视角，对火山灾害评估具有重要意义。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术包括：1)基于EQTransformer的自动地震检测；2)PhaseLink算法关联震相；3)三维V_s模型精确定位；4)GrowClust3D.jl相对重定位；5)NND算法识别群集；6)分形维度量化断层复杂性。

研究结论强调，黄石地区地震群主要由两种机制控制：一是缓慢扩散的含水流体通过系统迁移，二是渗透性封闭层的周期性破裂。这种"慢-快"耦合过程创造了独特的群集模式，而岩浆储层的存在则导致地震活动的深度分段。该研究不仅深化了对火山地震机理的认识，也为其他热液系统的地震危险性评估提供了新思路。