科学家拟用地震学方法探测圣海伦斯火山活动机理

1980年，圣海伦斯火山的爆发将这座山切割到了300米。照片来源:互联网媒体/Corbis

作为迄今为止围绕活火山的最大地震部署之一，研究人员正在华盛顿州圣海伦斯山附近部署仪器，以研究导致美国历史上最具破坏性的火山爆发的复杂地下系统。这个月，他们甚至会制造爆炸来产生地震波。这项工作将有助于研究西北太平洋沿岸和世界各地类似地质环境中的火山活动机制。

科学家们研究了火山地区的岩浆结构，如意大利的埃特纳火山和维苏威火山。安第斯山脉正在进行跨学科研究项目，重点是玻利维亚和智利的两座火山，这两座火山的地面已经上升了大约20年。然而，圣海伦斯火山研究的独特之处在于它的目标是产生贯穿整个火山和火山下的三维图像。如果一切顺利，探测地下80公里深处是可能的，这足以让科学家们探索这一山脉的地质起源。

作为喀斯喀特山脉的一部分，圣海伦斯山像安第斯山脉等其他火山一样，是在海洋地壳板块俯冲到较轻的大陆地壳深处之后形成的。俯冲板块释放向上渗透的水，从而降低岩石的熔点，促进岩浆形成，并为上面的火山提供“燃料”。地球物理学家一直希望更好地理解整个过程。

"火山很难想象。"美国莱斯大学的地球物理学家艾伦·勒万德(Alan Levander)负责该项目的一部分，他说，如果人们能够从上到下获得一个连续活跃的岩浆系统的图像，那么他们将在理解火山机制方面向前迈出一大步。

1980年5月，圣海伦斯火山爆发，造成57人死亡。火山灰覆盖了美国西部的大部分地区。火山爆发将山体切割成300米，由坍塌造成的2.5立方千米的碎片直接冲入下面的山谷，创下了记录。从那以后，地质学家使用各种研究仪器来“戳敲”这座山，试图了解火山爆发的原因。

然而，令人惊讶的是，他们从未发现将岩浆运送到地球表面的“地下系统”到底是如何运作的。项目负责人、华盛顿大学地震学家肯尼斯·克里奇说，到目前为止，对圣海伦斯火山地下活动的最好描述只能达到5-8千米深，这在2009年的地震研究中有报道。

“我们一直期待看到更多的工具，最近我们已经这样做了。”华盛顿大学的地震学家约翰·维代尔说，现有项目的核心部分(简称iMUSH)结合了两种地震技术，一种是探测地球表面附近，另一种是穿透地球内部。

在对浅表层的研究中，科学家将在圣海伦斯山附近制造一场“爆炸”。由莱凡德领导的“活动震源”地震学项目将产生地震波，并记录它们在山脉中的运动。地震波速度的变化可以揭示山体结构的不连续性，例如隐藏在固体岩石中的熔融岩浆库。研究小组希望这项测试能够探测到大约40公里的深度，也就是地壳和下地幔的交界处。

为了实现这一目标，在不久的将来，大约65人将在圣海伦斯山附近的偏远地区的道路上部署3500个小型地震仪。他们还将在大约25米的深度钻24个洞，放置工业炸药用于采石，然后填充这些洞。计划是在四个晚上引爆炸药，每次对地面的冲击相当于2级地震。

主动爆炸的结果将与实验中相对被动的地震学研究部分相结合。后者已经在进行中:圣海伦斯山附近的70台大型地震仪正在测量自然地震产生的地震波穿透地面需要多长时间。维达勒说，这些数据可以用来探测80公里深的地方。6月29日，该装置捕捉到了一场24公里深的地震。20公里以上的地震每年只能发生一次，iMUSH项目的科学家希望这次能为火山地下活动的机制研究提供有价值的数据。

iMUSH的第三部分将收集关于地球内部电磁特性的数据，以揭示火山内部哪个区域是熔化的还是潮湿的。这项工作将有助于发现圣海伦斯山和附近的亚当斯山是否共享一个岩浆房。这一有争议的提法出现在2009年，但尚未解决。

所有数据的结合也可能揭示火山岩浆库在2004年至2008年的最后一个活跃期之后是如何被重新填充的，这是火山爆发的潜在迹象。"这将对我们的领域做出巨大贡献."瑞士联邦理工学院的火山学家奥利维尔·巴赫曼说，“我们现在有一个极好的机会。”(燕杰)

《中国科学日报》(2014年7月17日，第三版国际版)