基于多平台InSAR与火山气体观测约束的2014–2023年Semisopochnoi火山喷发体积估算

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Erupted Volume During the 2014–2023 Semisopochnoi Unrest and Eruption Constrained by Multi-Platform InSAR and Volcanic Gas Observations

　　

火山形变数据为火山动荡和喷发期间的岩浆动力学提供了重要约束。通过这些观测，研究人员可以估算地下压力变化并将其与储层体积变化联系起来。然而，由于岩浆和岩石是可压缩的，这种体积变化不能直接等同于喷发体积。当研究人员将大地测量分析与气体观测、岩石学约束、挥发分溶解度建模和岩浆可压缩性方程相结合时，便可以估算出喷发体积的现实下限和上限。利用多平台InSAR时间序列和卫星SO2数据，研究人员将这些方法应用于阿拉斯加Semisopochnoi火山2014–2023年的动荡和喷发事件。研究发现，这次潜火山喷发序列由一个位于海平面下6.5–7.5 km的球形岩浆源供给，其中心位于破火山口下方，距喷口约5 km以东。挥发分溶解度模拟表明，在与大地测量源深度一致的深度处，初始溶解的CO2约有50%已出溶，从而增加了岩浆的可压缩性。将大地测量模型约束与SO2观测、岩石学约束、溶解度模型和岩浆可压缩性发现相结合，得出最可能的幼年致密岩石等效喷发体积为12–32 Mm3，最佳估计值为20 Mm3。应力变化模拟表明，局部应力场有利于在喷发前膨胀中心以西形成通道，而2014年发生在Semisopochnoi以西约65 km处的M7.9 Rat Island地震降低了火山下方的压应力，从而支持了持续的喷发活动。

一、研究背景与科学问题

火山形变观测是表征火山动荡与喷发特征的重要手段，有助于实现预测喷发规模的火山学目标。然而，形变数据仅对地下压力变化敏感，传统上基于大地测量数据估算岩浆储层体积变化和喷发体积时，通常假设岩浆不可压缩，这忽略了出溶挥发分在岩浆中的作用。挥发分出溶会引入岩浆可压缩性，使得储层内残余岩浆在喷发过程中膨胀，从而掩盖部分形变信号。若不考虑可压缩性，基于大地测量模型的喷发体积将被低估。对于爆炸性喷发，尤其是岛屿火山，喷发物常消失于海洋，难以直接量化，往往需借助形变数据间接估算。因此，综合大地测量、气体和岩石学观测的分析方法为约束喷发体积提供了可行途径。本研究针对阿拉斯加Aleutian群岛西部的Semisopochnoi火山2018–2023年喷发，采用多学科方法推断喷发体积的现实界限。

二、主要技术方法

研究人员利用TerraSAR-X (TSX) 和Sentinel-1 (S1) 合成孔径雷达数据生成干涉合成孔径雷达 (InSAR) 时间序列，创建覆盖完整动荡与喷发期的15年形变记录。通过贝叶斯反演方法，采用嵌入均匀各向同性弹性半空间的球形源模型（McTigue, 1987），分别对膨胀和收缩期进行独立建模。结合总喷发性SO₂排放量、岩石学约束、气体溶解度建模（SulfurX和VolFe模型）以及岩浆可压缩性方程，估算喷发体积的上下限。此外，还进行了应力变化模拟，探讨喷发延迟机制及2014年M7.9 Rat Island地震的影响。

三、研究结果

3.1 InSAR观测结果

研究人员识别出三个特征形变阶段：2014–2015年快速膨胀（最大约20 cm LOS缩短）、2016–2018年停滞与喷口沉降、2020–2023年整体同喷发收缩。膨胀中心位于破火山口东南缘下方，半径约7 km。值得注意的是，喷发始于2018年，但直到2020年中后期，喷发前膨胀中心才开始显著收缩，且收缩幅度仅为膨胀的40%。

3.2 InSAR岩浆源建模

对2014–2016年膨胀期的贝叶斯反演显示，球形源深度严格约束在海平面下6.5–6.75 km，中心位于膨胀最大区域与喷口之间，体积增加约42 Mm³，最小源半径1 km。对2019–2024年收缩期的反演得到源中心位置与膨胀源大致相同，但略靠近喷口（约7.2 km深度），体积减少约12.4 Mm³，仅为膨胀体积的三分之一，且源半径更大（>4.4 km）。

3.3 可压缩性与喷发体积约束

3.3.1 基于硫气体排放的脱气岩浆体积估算：研究人员利用TROPOMI卫星SO₂数据和空中气体飞行测量，结合线性插值修正后得到累积SO₂质量96.8 kt，H₂S/SO₂比值为0.63，计算得总硫排放78.5 kt。基于岩石学参数（初始S含量1100 ppm、脱气后S含量55–110 ppm等）的蒙特卡洛模拟给出脱气岩浆体积中位数为32.0 Mm³，90%置信区间为10.3–105.1 Mm³。

3.3.2 基于气体建模与岩浆可压缩性的喷发体积估算：研究人员利用SulfurX热力学脱气模型，考虑封闭系统和深部开放系统两种脱气情景，估算在7 km储层压力下出溶挥发分的体积分数为1.7±0.8 vol%。据此计算岩浆可压缩性中位数为11.7×10^-10 Pa^-1，再通过可压缩性校正公式得到喷发体积中位数20.3 Mm³（模式18.1 Mm³，90%不确定性范围15.4–32.4 Mm³）。

四、总结与结论

研究人员综合考虑三种独立估算方法，认为大地测量体积变化（12.4 Mm³）是喷发体积的合理下限，基于SO₂排放的脱气岩浆体积（32 Mm³）代表上限，而基于热力学建模与可压缩性校正的20.3 Mm³是最佳估计值。即使在极端参数条件下（如初始CO₂浓度10000 ppm、完全开放系统脱气），中位喷发体积仍落在12.4–32 Mm³范围内。应力变化模拟表明，岩浆侵入改变了周围应力场，促进了喷口位于岩浆房以西的通道几何形态。2014年M7.9 Rat Island地震可能创造了有利于岩浆上升的应力条件，并促成了长期的喷发活动。