对冰岛雷克雅内斯半岛上的岩浆活动过程进行研究，利用当地的地震层析成像技术

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Investigating magmatic processes on the Reykjanes Peninsula, Iceland, with local earthquake tomography

　　汉娜-瑞亚·阿拉斯 | 尼古拉斯·罗林森 | 詹妮弗·詹金斯 | 汤姆·温德 | 托尔比约格·阿古斯特斯多蒂尔 | 扬·布尔亚内克 | 雅娜·杜布拉瓦罗娃
英国达勒姆大学地球科学系

**摘要**
自2021年以来，冰岛西南部的雷克雅内斯半岛经历了多次火山喷发，这引发了人们对该地区岩浆结构的浓厚兴趣。本文基于2020至2024年间记录的约1200次局部地震的数据，建立了新的三维地震层析模型，揭示了活跃火山系统下方地壳的P波和S波速度以及VP/VS比值，为雷克雅内斯半岛持续的岩浆活动提供了背景信息。我们的模型是基于这些地震数据手动提取的P波和S波到达时间所建立的。合成测试验证了这些模型在2至6公里深度范围内的可靠性。

在斯瓦特森吉地热场下方4至6公里深处我们发现了一个低速区域，我们认为这可能是2023至2025年喷发的岩浆来源地，这一结论与大地测量学研究和岩石学研究结果一致。在克里苏维克火山系统发生地面变形的区域，约5公里深处也观测到了速度降低和VP/VS比值升高的现象；然而，由于这一区域深层结构的约束较少，因此难以给出明确的解释。在法格拉达尔斯菲亚尔火山系统，脆性-塑性转变深度处也发现了与板块边界位置吻合的低速区域。

在法格拉达尔斯菲亚尔火山喷发点下方7至12公里深处，由于一组深度较大的长周期地震数据的限制，我们发现了一个VS值低、VP/VS比值高的异常区域。我们认为这可能是岩浆从更深层储层上升过程中在中层地壳受阻的迹象。通过合成反演分析，我们发现现有的地震数据对于下地壳低速特征的描述能力有限，这凸显了在进行局部地震层析成像时精细分辨率分析的重要性。

**引言**
冰岛西南部的雷克雅内斯半岛是一个斜向裂谷带，是大西洋中脊的陆上延续部分（见图1）。自2021年以来，该半岛中部火山系统发生了一系列玄武岩裂隙喷发，并伴随着强烈的地震活动和地面变形，结束了长达约800年的火山休眠期（参见S?mundsson等人2020年、Parks等人2023年、Fischer等人2022年、Sigmundsson等人2022年及Parks等人2025年的研究）。由于这些喷发靠近居民区和关键基础设施，因此人们非常关注研究活跃火山系统下方的岩浆通道结构。

局部地震层析成像是一种成熟的方法，可用于研究岩浆系统的地下结构（参见Lees等人2007年、Greenfield等人2016年、Wilks等人2020年、Gauntlett等人2023年及Koulakov等人2023年的研究）。随着新的地震数据不断涌现，以及在雷克雅内斯半岛部署的密集地震观测网络的完善，当地地震层析成像的能力得到了显著提升。最近发表的关于火山活动的多项互补性研究（包括对喷发产物的地球化学分析、大地测量数据建模以及地震活动的深入分析）为地震模型的解释提供了更多依据（参见Halldórsson等人2022年、Matthews等人2024年、Sigmundsson等人2022年及Parks等人2025年的研究）。

**方法**
本文采用了局部地震走时层析技术来研究雷克雅内斯半岛活跃火山系统下方的地壳结构。模型数据来自2020至2024年间由密集地震网络记录的大量地震数据，其中包括一些能够提供下地壳分辨率的深层地震事件（详见第3节）。我们建立了新的P波和S波速度以及VP/VS比值的三维模型，并通过合成测试验证了模型的可靠性（详见第4节）。通过与其他研究结果的对比，我们将这些速度模型置于近期地震和岩浆活动的背景下进行解释（详见第5节）。我们的研究结果揭示了雷克雅内斯半岛活跃火山系统和地热区下方中上地壳的结构特征；同时，对下地壳特征的合成分析表明，在空间范围有限的地震数据约束下解释地质结构时需要格外谨慎。

**地质背景**
雷克雅内斯半岛的板块边界贯穿整个半岛的西南端，向东与西部火山带和南冰岛地震带相连（参见Einarsson 2008年的研究）。该区域记录了北美板块与欧亚板块之间的离散运动，速度约为每年18-19毫米，运动方向与板块边界呈高角度（约100-105°，参见Sigmundsson等人2020年和DeMets等人2010年的研究）。

**地震观测网络**
本研究使用了由51个三分量宽频地震仪组成的密集局部地震观测网络（见图2a）。虽然2020至2024年间网络配置有所变化，但始终有相当数量的地震仪保持运行状态，其中至少有15个地震仪持续运行。这些地震仪主要由剑桥大学和冰岛大学共同维护（参见Greenfield等人2020年和Greenfield等人2022年的研究）。此外，捷克REYKJANET网络也提供了部分观测数据。

**结果与讨论**
本文提出了雷克雅内斯半岛下方P波和S波速度的模型以及基于这些数据推导出的VP/VS比值模型。关键模型特征及其可靠性通过专门的合成测试进行了验证（详见补充数据S4部分）。第5节进一步讨论了各物理特征的实际意义。

**结论**
我们利用2020至2024年间记录的局部地震数据建立了雷克雅内斯半岛的新三维P波和S波速度模型，并提出了VP/VS比值模型。研究结果表明，在已知的高温地热区下方（2-4公里深度）地壳中存在异常高的地震速度，这与以往研究结果一致。

**作者贡献**
汉娜-瑞亚·阿拉斯：撰写初稿、可视化处理、数据验证与研究分析
尼古拉斯·罗林森：撰写、审稿与编辑、研究监督、软件开发与方法论设计、资金申请
詹妮弗·詹金斯：撰写、审稿与编辑、研究监督
汤姆·温德：撰写、审稿与编辑、数据管理
托尔比约格·阿古斯特斯多蒂尔：撰写、审稿与编辑、数据管理
扬·布尔亚内克：撰写、审稿与编辑、数据管理
雅娜·杜布拉瓦罗娃：数据管理

**资金支持**
剑桥大学的研究工作得到了NERC紧急基金[项目编号NE/W004690/1]的支持。REYKJANET地震网络（7E）的部分资金来自NASPMON项目（“自然地震作为地热能勘探与监测工具”），该项目获得了冰岛、列支敦士登和挪威通过EEA拨款以及捷克共和国技术机构KAPPA计划[TO01000198]提供的137万欧元资助。汤姆·温德的研究工作也得到了相关支持。

**利益冲突声明**
作者声明未存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
感谢所有为该项目提供地震数据的研究团队。剑桥大学火山地震学小组的成员以及其他野外工作人员负责了剑桥/冰岛地震网络的维护工作以及数据处理和整理工作。雷克雅内斯半岛上剑桥地震网络的运行得到了Bryndís Brandsdóttir、Tom Winder和Sveinbj?rn Steintórsson等人的关键后勤和资金支持。