作者:闫洁 来源:中国科学报 发布时间:2014-7-17 8:42:09
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科学家拟用地震学方法探测圣海伦斯火山活动机理

 

1980年,圣海伦斯火山爆发将山头削去了300米。图片来源:InterNetwork Media/Corbis

作为迄今为止活火山周围规模最大的地震学部署之一,研究人员正在美国华盛顿州圣海伦斯火山附近布置仪器,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。本月,他们甚至将制造爆炸来产生地震波。该项工作将有助于研究西北太平洋沿岸和全球类似地质环境下火山的活动机制。

科学家已经研究出诸如意大利埃特纳火山和维苏威火山等火山区的岩浆结构。一项正在开展的安第斯山脉跨学科研究项目则将目光投向了玻利维亚和智利的两座火山,两处的地面已经上升了约20年。不过,圣海伦斯火山研究的独特性在于其旨在产生贯穿整座火山及火山下方的3D图像。如果一切顺利,有可能探测至深达80千米的地下,而这对于科学家来说已足以探究这座山脉的地质起源。

作为卡斯克德山脉的一部分,圣海伦斯火山和安第斯山等其他火山山脉一样,在大洋地壳板块俯冲至重量较轻的大陆地壳深处后形成。俯冲板块会释放向上渗透的水流,从而降低岩石熔点,促使岩浆形成,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这一全部过程。

“火山是那种非常难以想象的东西。”负责该项目部分工作的美国莱斯大学地球物理学家Alan Levander介绍说,如果人们能获得一个连续、活跃的岩浆系统从上到下的图像,那么便在理解火山机理的道路上前进了一大步。

1980年5月,圣海伦斯火山爆发,导致57人丧生,火山灰烬覆盖美国西部大片区域。此次火山爆发将山头削去了300米,崩塌造成的2.5立方千米岩屑——这创下了历史纪录——直接冲入下面的山谷。从那时起,地质学家用尽各种研究仪器,对这座山脉“又戳又敲”,试图理解到底是什么引起了火山喷发。

不过,令人惊奇的是,他们从未确切找到将岩浆运送至地球表面的“地下系统”是如何运转的。项目负责人、华盛顿大学地震学家Kenneth Creager表示,迄今为止对于圣海伦斯火山地下活动的最好描述只能达到5~8千米深处,这已在2009年的一项地震学研究中被报道过。

“我们一直盼望能有看得更深的工具,最近我们做到了。”华盛顿大学地震学家John Vidale介绍说,现有项目(英文简称iMUSH)的核心部分结合了两种地震学技术,一种探测地球表面附近,另一种会深入地球内部。

在针对浅层地表的研究中,科学家将在圣海伦斯山附近制造一场“爆炸”。这个由Levander领导的“主动源”地震学项目将借此产生地震波,并记录它们在山脉中穿梭的行迹。地震波速度的变化会揭示出山脉结构中的不连续性,例如隐藏在固体岩石中的熔化岩浆库。研究团队希望该试验能探测至约40千米深的地方,即地壳和下面地幔的交界处。

为实现这个目标,近期会有约65人在圣海伦斯山附近沿道路和偏远地区的小路布设3500个小地震仪。他们还会在25米左右深处钻下24个孔,放进用来采石的工业炸药,然后再将这些孔填满。该计划打算在4个晚上分别引爆这些炸药,每次爆炸对地面的冲击程度相当于二级地震。

来自主动爆炸的结果将与试验中相对被动的地震学研究部分结合。而后者已在进行当中:圣海伦斯山附近70个较大的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。Vidale表示,这些数据可以用来探测至80千米深的地方。6月29日,该设备捕获了一次在山脉约24千米深处发生的地震。深于20千米的地震一年几乎只能发生一次,iMUSH项目的科学家希望这一次能为火山地下活动机理的研究提供有价值的数据。

iMUSH的第三部分将收集地球内部的电磁特性数据,以此揭示火山内部哪块区域是熔化的或湿润的。该工作有助于弄清圣海伦斯山和附近的亚当斯山是否共享一个岩浆库。这个颇有争议的提法出现在2009年,但尚未得到解决。

把所有的数据结合起来或许还能揭示该火山岩浆库在2004~2008年最近一次活跃期后是如何被重新填满的,而这是该火山重新爆发的一个潜在标志。“这将为我们的领域作出巨大贡献。”瑞士联邦理工学院火山学家Olivier Bachmann表示,“我们现在正拥有一个绝妙的机会。”(闫洁)

《中国科学报》 (2014-07-17 第3版 国际)
 
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