冰岛Geldingadalir火山2021年喷发中熔岩湖喷溅驱动地震震颤的机制研究

本研究通过无人机摄影测量与地震监测相结合，首次揭示了冰岛Geldingadalir火山2021年喷发期间熔岩湖周期性波动（周期约12分钟）与地震震颤（1-20 Hz）的关联机制。研究发现震颤幅度与熔岩湖沸腾区直径（气泡喷溅范围）高度相关，表明震颤主要源于近地表气泡破裂（bubble bursting）和喷溅（spattering）过程，为理解火山震颤（volcanic tremor）的产生机制提供了新视角。

　　

熔岩湖周期性波动与地震震颤的耦合机制

3.1 火山口形态特征

2021年6月8日的摄影测量数据显示，Geldingadalir火山活跃火山口呈NW-SE走向，面积约5,338 m²。熔岩湖初始海拔约350-352米，火山口南缘存在最低溢出口（372米），这种特殊地形导致熔岩优先向西南方向溢出。值得注意的是，火山口北部存在悬垂的"溅落顶棚"（spatter roof），这一结构在后续熔岩湖活动中起到关键作用。

3.2 熔岩湖的周期性行为

观测到典型的"气体活塞"（gas-pistoning）现象：每个周期（约12分钟）包含缓慢上升（10.03±0.6分钟）和快速下降（1.63±0.1分钟）两个阶段，垂直位移量达24.6±0.6米。上升阶段表现为：

• •

  表面形成暗色结壳

• •

  零星小气泡破裂

• •

  熔岩缓慢外溢

  而下降阶段特征包括：

• •

  溅落顶棚接触引发剧烈沸腾

• •

  直径达30米的活跃沸腾区形成

• •

  熔岩流速突然增加

• •

  结壳破碎成板块状

3.3 地震震颤特征

宽带地震仪（1.8 km距离）记录显示：

• 震颤呈周期性发作（5.05±0.37分钟活跃期，7.24±0.77分钟静息期）

• 优势频率1-20 Hz

• 水平分量振幅显著大于垂直分量

关键发现：震颤幅度峰值与熔岩湖下降阶段同步，但比湖面最大高度滞后约15秒。

3.4 沸腾区直径与震颤关联

通过红色通道值分析（200-255阈值）发现：

• •

  沸腾区直径与RMS振幅高度相关（R=0.92）

• •

  最大直径（30米）对应最强震颤

• •

  气泡喷溅（spattering）强度与震颤振幅呈正比

  这表明震颤源主要来自表面过程而非熔岩湖高度变化。

4.2 与其他熔岩湖的比较

与Kīlauea和Nyiragongo等持久熔岩湖相比，Geldingadalir表现出：

1. 1.

   更短的周期（12分钟 vs 数小时）

2. 2.

   更剧烈的表面活动变化

3. 3.

   独特的"溅落顶棚"相互作用

   但都符合"慢升快降"的基本模式，支持气体活塞作用的普适性。

4.3 气体活塞作用机制

证据表明浅部过程主导：

• •

  气泡聚集在结壳下方形成气体层

• •

  顶棚结构阻碍气体释放

• •

  压力累积导致突然泄压

  与深部源模型不同，观测到下降阶段仍持续有气泡喷发，说明气体通道未被完全封闭。

4.5 震颤产生机制

多证据指向表面源：

1. 1.

   时域对应：震颤起止与沸腾活动完全同步

2. 2.

   振幅相关：RMS值与沸腾区直径呈线性关系

3. 3.

   频率特征：1-20 Hz符合气泡破裂理论值

   排除流动诱发震颤的可能，因最大振幅出现在下降阶段而非上升期。

1. 1.

   研究意义

   该研究首次在冰岛火山喷发中记录到气体活塞作用，创新性地采用无人机视频分析量化了沸腾区动力学参数。建立的"表面过程主导"震颤模型为火山监测提供了新指标，特别适用于：

   • •

     开放通道型火山喷发预警

   • •

     熔岩湖活动强度评估

   • •

     浅部岩浆过程反演

     未来结合气体通量测量可进一步验证模型准确性。