《Egyptian Journal of Aquatic Research》：Shallow hydrothermal activity detection using high-frequency single beam echosounder in northern Weh Island, Indonesia
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热液喷发是活动海底火山作用的关键标志，在浅海环境中表现为气泡流和声学浊度。尽管其意义重大，浅海火山海岸环境中的喷发气泡羽流高分辨率声学成像仍较为有限。本研究旨在应用高频单波束回声测深仪（SBES）来刻画浅水热液喷发特征。研究人员于2023年3月16日在韦岛（W
热液喷发是活动海底火山作用的关键标志，在浅海环境中表现为气泡流和声学浊度。尽管其意义重大，浅海火山海岸环境中的喷发气泡羽流高分辨率声学成像仍较为有限。本研究旨在应用高频单波束回声测深仪（SBES）来刻画浅水热液喷发特征。研究人员于2023年3月16日在韦岛（Weh Island）Sirui海岸区开展野外调查，利用回声图分析识别出四个主要喷发热点，其特征为垂直连贯的声学气泡羽流，体积后向散射强度（SV）值在?30至?50 dB之间；最强后散射强度出现在喷口附近。研究人员识别出一条明显的NE-SW向离岸气泡喷发线，与局部断层构造一致，表明调查期间存在空间连贯的热液喷发。垂直后散射剖面进一步反映出SV随距底高度增加逐渐减小，标志着水柱内气泡扩散。结果表明低成本SBES能够分辨浅海火山海岸环境中的细尺度羽流几何形态及断层控制的喷发组织。未来研究应结合多频声学技术与直接气泡成像，以进一步约束气泡动力学与气体通量变化。
该研究发表于《Egyptian Journal of Aquatic Research》。研究背景方面，海底火山与热液系统是岩石圈与水圈之间热、气体和富矿物流体迁移的重要地带，可影响海洋化学、热结构与底栖生态，浅层热液系统在火山弧与海岸环境中因可及性高、与海岸生态和人类活动关系密切而具有重要研究价值。此类环境的热液活动常表现为海底气体气泡排放、局部水色异常和底水温度升高，但在浅水区开展水声与地球物理调查受强声反射、复杂地形及波浪引起声学噪声等限制，传统深海仪器难以适用；以往该区域研究多依赖低频地震剖面和海洋学观测，分辨率不足以直接成像浅水细尺度气泡羽流，多波束回声测深仪（MBES）虽可三维成像但成本高、需大船与复杂处理。为此，研究人员开展利用高频单波束回声测深仪（SBES，200 kHz Simrad EK15）对印度尼西亚韦岛北部Sirui海岸浅水热液喷发区进行声学探测的研究，以评估低成本SBES在浅海火山环境刻画热液羽流分布、强度及构造控热液关系中的能力；研究得出浅层热液活动表现为清晰的垂直连贯气泡羽流，SV值?30至?50 dB，最强近底，向上递减，喷发热点沿NE-SW向展布并与已知断层吻合，说明热液排放受断层构造控制，SBES可有效识别热点并解析羽流几何与构造关系，但单频限制使其难以定量气体通量，需今后结合多频声学与直接成像。此方法对浅海火山环境热液快速普查与监测具有成本与效率意义。
为开展研究，研究人员采用的主要关键技术方法如下：在印度尼西亚韦岛北部Sirui海岸（样本队列为2023年3月16日采集的现场声学调查数据，水深约3–51 m），使用Simrad EK15单波束回声测深仪（SBES，频率200 kHz，脉冲长度0.16 ms，Ping率2 Hz，波束宽度26°，时变增益（TVG）设为20 log R，标准球校准）挂载于小船舷侧距水面约1 m处同步GPS采集原始声学数据；预处理用Echoview可视化后由Sonar5 Pro进行噪声去除（检测阈值?70 dB）、自动海底检测（图像分析阈值?37 dB，预滤窗13样点×6 Ping）并对强近底后散射干扰区做像元级手动校正，设底线上方0.1 m边界以隔离底混响；构建水平10 m×垂直0.5 m积分单元（覆盖底上5 m共10层）对体积后向散射强度（SV）进行标准化空间积分，将SV>?50 dB单元定义为热液热点，并在线性尺度（sv）与对数尺度（SV）间转换以对各热点簇计算平均SV，用于比较羽流强度与垂直扩散模式；结合Minnaert方程分析气泡共振频率与200 kHz响应的几何散射主导特征，侧重相对SV差异而非绝对通量。
研究结果如下：
Echogram observations（回声图观测）：研究人员通过分析回声图发现多处垂直连贯的后散射柱从海底伸入水柱，解释为热液气体气泡羽流，SV强度约?30至?50 dB，近喷口处局部最大；羽流连续稳定、跨连续Ping可见，为非瞬变特征，区别于鱼群等生物聚集；除主羽流外还有弱近底小羽流数米内衰减。三维回声重建更清晰显示羽流分布与几何，垂直柱SV高于周围水柱，最强回波集中在羽流基部，NE-SW向离岸气泡喷发线与以往断层吻合，说明热液排放受离岸断层延伸控制。
Spatial distribution of vents（喷口空间分布）：通过对调查区回声图积分识别热点，沿NE-SW向离岸喷发连线划分四个主要热点A、B、C、D，平行于局部断层；B为最强且空间最广的声学后散射响应；热点与EK15地貌中微洼槽对应，无大型火山锥或 crater，说明排放经断层裂隙或多孔沉积而非中央烟囱；声学异常与地形对应表明热液流体迁移受局部构造控制。
Vertical backscatter profiles（垂直后散射剖面）：所有热点SV剖面均表现近底最强（底上0.5–1 m内形成声学核），随距底高度（HAB）增加SV逐步降低，0.5至5 m HAB平均降低约1–6 dB；水平叠加层（0.5、2.5、5 m HAB）显示B在各层均保持最高平均SV与最大空间范围，A为强近底局灶核但向上快速衰减、羽流窄，C与D为较宽但弥散的羽流，中等排放强度与更分散气泡释放；综合SV与空间范围整体强度顺序为B＞C＞D＞A。
讨论部分总结：研究人员指出Sirui区羽流具典型浅热液气泡排放声学特征，垂直连贯柱SV?30至?50 dB，最强近底（~0.5 m HAB）形成密集声学核，重复出现于连续测线，支持为固定海底喷源而非瞬变生物散射；除主羽流外近底有弱弥散光晕，可能源于次要近底小羽流快速耗散。NE-SW展布与Nanda等断层方向一致，说明热液排放受断层控制，B、C、D沿主断层线具更宽水平羽流与广泛散射，反映主断层廊道高渗透性与有效气体通道；A略离主断层迹线，羽流窄且SV向上速减但近底强。200 kHz下气泡（常见0.1 mm至数mm）共振频率远低于200 kHz（约32 μm才共振），故观测以几何（Rayleigh-Mie）散射与密集气泡群体多重散射为主而非共振散射；上升中气泡扩径破碎、剪切扩散、部分溶解使单位声照体气泡密度降，SV随HAB降，极强羽流（如B）可因密集群体散射维持较高SV数米内。空间积分单元（10 m×0.5 m）平滑短尺度涨落、保留垂直趋势，对窄强羽流（A）峰值略有低估，对宽强羽流（B–D）相邻弱回波整合增强相干信号，故A的SV递减更显著。与以往地震反射（Kurnio等）对比，SBES提供了更细尺度离散羽流侧向展宽、垂直延伸与相对SV强度，能区分集中喷核与周边弱羽流，改进热田内喷中心解析；NE-SW热点排布与Nanda等填图正断层段平行，证实主断层为渗透通道。SV强度与垂直形态与北极陆架甲烷羽流等类似，虽地质背景不同（火山热液 vs 永冻层融化渗流），但气泡声学响应可比；高频SBES在浅、噪声条件下可有效分辨几何散射主导的羽流。局限在于单频、无直接气泡粒径分布、无水动力校正，不能稳健估计气体通量，侧重相对声强而非绝对排放率；尽管如此，SBES可有效识别喷点、解析羽流几何与热液田空间组织，作为地震与MBES的快速补充与监测工具，短期重复调查可追踪羽流变异以指示Aceh断层带应力或渗透率变化。
结论（翻译原文）：总之，在韦岛Sirui海岸进行的水声调查表明，该区浅层热液活动表现为从海底直上的清晰空间有序气泡羽流；识别出若干强声学后散射的活动喷发热点，SV值一般介于?30至?50 dB；这些羽流一致表现为近底强声学响应，向上水柱逐步减弱，标志上升气体气泡的自然扩散与衰减。该配置使方法相比以往韦岛北部研究提供更细空间细节；最重要结果之一是喷簇清楚呈NE-SW向排列，与局部断层构造走向密切吻合，这种空间关系强烈暗示Sirui区热液排放受构造控制，断层与裂隙作为气体从地下向海底迁移的通道。本研究并非为气体通量定量而设计（主要受单频声学观测与缺乏直接气泡粒径测量限制），但结果显示SBES可对海岸火山环境浅层热液喷发提供可靠且信息丰富的刻画，侧重相对简单、作业高效的声学方法在浅海近岸环境中做热液快速普查的价值；识别的热点与走向提供了基线声学数据集，可作为今后针对韦岛这类构造活跃火山区域调查的参照；结合多频声学技术与直接气泡成像可进一步推动该方法走向气体流动定量评估。
