岩石碎裂、流体充填空腔形成、粘滑运动与质量通量动力学的弹性-声学信号实验室观测

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Laboratory observations of elasto-acoustic signals of rock fragmentation, fluid-filled cavities formation, stick-slip motion and mass flux dynamics

　　

通过一种新颖的实验方法组合，研究人员推导了火山物质在快速减压过程中形成的通道动力学样式。这是首次将激波管减压实验与岩石碎裂和质量通量动力学的直接可视化观测，以及压力、弹性-声学信号和通道弹性变形的时间序列参数化相结合。一个透明的反应釜（高压有机玻璃反应釜，HPA）实现了对整个过程的高速摄像，而沿反应釜分布的七个高动态压电传感器记录了弹性-声学信号，两个动态压力传感器记录了内部压力，所有记录均同步进行。通过将这些数据与气体膨胀驱动的碎裂和质量通量可视化观测进行关联，研究人员发现了两种截然不同的动力学行为：连续性和不连续性。这些动力学行为由初始压力与样品性质、能量分布以及通道几何形状的内部变化（如流体充填空腔的形成与共振、粘滑运动）所决定。质量通量动力学取决于样品碎裂的方式以及颗粒沿通道流动的方式。连续和不连续动力学中的所有过程都在其自身的时空尺度上运行，但它们相互关联，并反映在具有宽频带（100–25,000 Hz）特征的弹性-声学信号中，揭示了震颤和调谐信号。这些结果有助于从地震信号中解释和识别决定活火山通道行为及相关喷发样式的物理过程。

**论文解读：岩石碎裂与火山通道动力学的实验室观测研究**

**一、 研究背景与意义**

全球范围内，人口及其基础设施都暴露在火山喷发的风险之下。理解和预测喷发情景因此成为一个具有重大实际意义的长期科学挑战。对活火山的研究需要在实验室和野外尺度上投入密集的跨学科研究努力和资源，以加强火山监测的价值和对火山系统的理解。研究火山通道动力学是一项重大挑战，因为通道过程无法在野外直接观测。在各种监测技术中，地震学既能提供实时信息，又提供了多种观测和分析方法。地震活动包含了所有类型过程叠加的波场，这些过程包括从位移到加速度的运动、急动、共振、流动、破裂等。因此，地震信号可以反映多个震源的特征，这些震源在各自的空间和时间尺度上同时作用。这要求地震数据需用适当技术进行滤波和解码，以提取来自单个发震过程的独特信息。例如，地震层析成像技术能够绘制火山下部结构、定义速度模型并定位低速带。而通过矩张量反演分析长周期（LP）和甚长周期（VLP）地震信号，可以为震源及其几何形状（如裂隙、通道）、位置和方向以及机制的源时间函数提供约束。

然而，地震学技术无法先验地区分通道动力学的发震要素，如触发机制、压力历史、碎裂过程等。因此，研究人员采取步骤，开发了一种基于实验室的实验方法，将火山地震信号与实验室观测联系起来。该实验能够可视化发震的岩石和岩浆碎裂及其产生的质量通量动力学，同时监测并记录这些过程产生的相应压力和弹性-声学信号。相关成果发表在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》上，为理解火山通道内部物理过程与地表观测信号之间的联系提供了关键实验证据，对提升火山喷发预警能力具有重要意义。

**二、 研究方法概述**

本研究采用了一种改进的激波管装置，核心是一个透明的有机玻璃高压反应釜（HPA），用以模拟火山通道。实验样品取自美国内华达州南部的北埃尔多拉多山脉的火山碎屑岩，包括具有均匀结构、粒度、孔隙度和成分的中性成分熔岩和流动角砾岩。研究人员选取了两个样品（N57和N58）进行对比实验，其初始压力分别为6 MPa和10 MPa。实验系统配备了七个高动态压电薄膜传感器（沿HPA外壁分布）记录弹性-声学信号，两个压力传感器（位于HPA顶部PT和底部PB）记录压力历史，以及两台高速摄像机（一台对准HPA内部CA，一台对准外部捕获罐CT）进行同步可视化记录。数据采集由两个同步系统控制，确保所有传感器和摄像机在隔膜打开的瞬间被同步触发。通过结合高速视频、压力曲线和弹性-声学信号（波形、频谱、振幅）的综合分析，研究人员对快速减压引发的岩石碎裂、流体空腔形成、粘滑运动和质量通量动力学进行了详细参数化和关联研究。

**三、 研究结果**

**3.1 两种对比鲜明的通道动力学模式**
基于对实验N57和N58的综合分析，研究人员识别出两种截然不同的动力学行为：**不连续动力学（N57）** 和**连续动力学（N58）**。
* **不连续动力学（N57）**：样品发生不完全碎裂，形成不规则厚层。这些厚层脱离后滞留在通道内，形成了多个被气体-颗粒混合物填充的空腔。滞留的层以粘滑方式缓慢运动，阻碍了质量通量，直到系统压力重新积聚将其排出。此过程伴随着明显的流体空腔共振和间歇性喷射。
* **连续动力学（N58）**：样品持续碎裂成多个薄层，这些薄层稳定分离并连续向上运动。样品完全崩解，形成气体-颗粒包，顺序加速并持续喷射。质量通量基本连续，通道得以快速清理。

**3.2 弹性-声学信号特征**
两种动力学模式产生了特征迥异的弹性-声学信号。
* **N57（不连续）**：信号呈现双频带特征。高频信号（>300 Hz）与碎裂过程相关，振幅高但持续时间短；低频信号（<300 Hz）与质量通量受阻和空腔动力学相关，持续时间长。位移信号显示明显的阶跃状波形，反映了质量运动的受阻和再启动。在空腔形成后，信号表现出具有谐波特性的共振模式，其频谱峰值与流体充填裂隙模型的预测相符。
* **N58（连续）**：碎裂过程产生高频（5–20 kHz）振荡包。随后，持续的质量通量产生了低振幅、连续的高频震颤信号（<600 Hz）。位移信号显示，除顶部传感器（S7）外，初始向下脉冲较弱，随后是持续的向上运动趋势。

**3.3 压力曲线与通道弹性响应**
* **压力释放**：两个实验中，顶部压力（PT）均在约0.0015秒内下降了初始压力的72.5%，表明系统动力学受HPA尺寸和几何形状控制。然而，底部压力（PB）曲线行为迥异。
* **N58（连续）**：PB呈阶梯状衰减，与薄层的顺序喷射和气体通过可渗透层的脉动排放同步。
* **N57（不连续）**：PB在初始下降后出现压力重积聚，这与厚层滞留、形成空腔并阻塞质量通量有关。
* **通道弹性变形**：HPA的周向应变（ε_θθ）图显示，在加压阶段通道膨胀（受张），在减压和喷射阶段收缩（受压）。N57中，由于层滞留，HPA的弹性响应缓慢且不规则；N58中，应力从张性到压性的转变更为迅速。

**3.4 能量分布与阻抗对比**
通过计算氩气与样品之间的阻抗对比，研究人员评估了能量分配。对于N58和N57，入射到样品表面的能量大部分被反射（分别占86.5%和96.26%），只有少部分能量透射进入岩石（分别占13.43%和3.7%）。这种差异，连同初始压力、样品尺寸和孔隙度的不同，解释了为何N58的能量更集中于高效碎裂和连续喷射，而N57的能量则分散于碎裂、空腔形成和粘滑运动等多个过程中。

**四、 讨论与结论**

**讨论部分**总结指出，碎裂过程是一个复杂的非线性现象，除了初始压力，它还强烈依赖于岩石和流体性质，以及弹性波能量在通道内时空分布的方式。即使是同类型样品性质的微小差异，也会产生截然不同的动力学行为。爆炸触发后，通道快速减压（从张性状态释放）、向下膨胀波传播、样品突然减压等过程协同作用，导致了不同的通道动力学，并反映在弹性-声学信号的波形、振幅、持续时间和频率成分中。
* **N57（不连续动力学）**：碎裂形成厚层并导致间歇性质量通量，改变了通道内部结构，产生了类似VLP（甚长周期）的低频信号和具有共振特征的类似LP（长周期）的高频信号。研究表明，流体充填裂隙模型可用于解释由滞留在空腔中的气体和颗粒产生的信号特征，这些信号可能预示着爆炸。观察到的粘滑运动和空腔耦合动力学，为解释火山中观测到的重复性或脉动性喷发提供了参考。
* **N58（连续动力学）**：持续碎裂产生连续薄层和准连续的质量通量，产生了高频调制震颤信号和低振幅连续震颤。这类似于清理通道的中等到大规模喷发。

**研究结论**翻译如下：
我们的观测表明，碎裂过程是一个复杂且非线性的现象，除了初始压力（Pi）外，它还强烈依赖于岩石和流体的性质，以及弹性波能量在通道内时间和空间上的分布方式。我们发现，同类型样品性质的微小差异会产生非常鲜明的动力学对比。当爆炸发生时，它会触发（1）处于张性状态的通道快速减压，（2）向下膨胀波，（3）样品的突然减压。这种应力分布在爆炸后发生逆转；通道经历压缩而样品由于气体膨胀经历张性。这些过程协同作用，导致了反映在地震状弹性-声学信号（波形、振幅、持续时间和频率成分）中的通道动力学。
每种实验最显著的特征是HPA“通道”内部结构的改变。在实验N57中，碎裂动力学形成不规则厚层，并由于层的滞留导致间歇性质量通量。这强烈影响了信号产生机制，从而影响了其频率和振幅特征。以低频为主的弹性-声学信号模拟了VLP信号，而具有共振特征的高频信号则类似于LP事件。我们证明了流体充填裂隙模型可用于解释由滞留在空腔中的气体和颗粒产生的信号特征，这些信号可能预示着爆炸。此类信号可能意味着复杂的通道结构，因为气体-颗粒填充的空腔有其自身的内部动力学。由于空腔在HPA内耦合，并且每个空腔都有一定的超压，倾向于与相邻空腔（包括大气）达到平衡。此外，限制这些空腔、阻碍质量通量的层可能会以粘滑方式运动。与此同时，少量颗粒和气体通过可渗透层和/或狭窄路径逃逸。因此，这些观测展示了碎裂和喷射过程中的样品-通道相互作用，并可作为理解火山条件下脉动性和重复性喷发的参考。
相比之下，在实验N58中，持续的碎裂产生了多个连续的薄层，反映在2000至9000 Hz之间的高频调制震颤状信号中，而质量通量的特征则是大量碎屑和气体的准连续喷射，产生了低于600 Hz的低振幅连续震颤。这类似于清理通道至地表的中等到大规模喷发。
我们独特的实验室观测表明，碎裂和质量通量动力学过程中的样品-通道相互作用是相互关联的，因此地震状弹性-声学信号反映了它们的机制和行为。在保持相应尺度和考虑火山喷发历史背景的前提下，我们的实验结果可作为识别潜在物理过程和火山通道条件的参考，支持野外地震图的解释，并帮助我们理解火山在喷发前、喷发期间和喷发后的行为。