我們用聲音探測圣托里尼火山 了解地表下面發(fā)生了什么

地中海的圣托里尼島幾千年來一直吸引著人們。今天，在深海灣的懸崖上觀看太陽落山，周圍環(huán)繞著鈷藍(lán)色的教堂和白色的房屋，感覺很神奇。這個神秘的地方每年吸引大約200萬游客，使其成為希臘最受歡迎的目的地之一。

并非所有參觀者都認(rèn)識到圣托里尼島是一座活火山。公元前1630年，火山爆發(fā)并坍塌，留下一個近乎圓形的洞。這是一個火山口 - 今天可以看到一個充滿海水和懸崖的海灣。大爆炸覆蓋了一個青銅時代的城鎮(zhèn)，將建筑物埋在兩層深的火山灰中。

在最新的熔巖流噴發(fā)在1950年，并擴(kuò)大了在火山口的中心已經(jīng)長大的島嶼。最近，在2011 - 2012年，火山經(jīng)歷了一段動蕩時期。地面膨脹起來，發(fā)生了許多小地震?？茖W(xué)家得出結(jié)論認(rèn)為，在火山口北部約2.5英里(4公里)處注入了少量巖漿。

吸引我到這個標(biāo)志性地方的是大部分火山都淹沒在水下。我是一名地球物理學(xué)家，對巖漿如何深入地球感興趣。在過去的十年中，我一直在使用先進(jìn)的技術(shù)來改善我們“看到”巖漿在世界各地火山下隱藏的通道的方式。

希臘的圣托里尼群島構(gòu)成了一座火山的周邊，其最近一次大爆炸發(fā)生在大約3400年前。現(xiàn)在火山口狀火山口的中心充滿了海水。圖片來源：NASA / GSFC / METI / ERSDAC / JAROS和美國/日本ASTER科學(xué)團(tuán)隊，CC BY

用聲音看看表面下面是什么

在19世紀(jì)80年代，法國科學(xué)家費(fèi)迪南德·富凱(Ferdinand Fouquet)前往圣托里尼(Santorini)觀看正在進(jìn)行的火山噴發(fā)。他是第一個意識到火山表面凹陷被稱為破火山口的人。當(dāng)火山噴發(fā)期間巖漿從地下水庫中排空時，覆蓋它的巖石頂部坍塌了?；鹕降膫?cè)翼仍然形成今天在水面上可見的島嶼環(huán)。

我的研究項目旨在從字面上深入研究，而不是我們從表面看到的，以弄清楚這座仍然活躍的火山內(nèi)發(fā)生了什么。除了圣托里尼火山頂部以外的所有東西都有一層水，這意味著我可以使用深穿透的海洋聲源“照亮”地下結(jié)構(gòu)。我的國際合作者和我想找到巖漿收集的位置和深度以及現(xiàn)在有多少巖漿。

我們從美國海洋地震船R / V Marcus Langseth開展了我們的工作。它是唯一具有能夠成像火山深處內(nèi)部的聲源的學(xué)術(shù)船。由于大聲音對海洋野生動物的潛在影響以及石油勘探公司的大量使用，這項技術(shù)仍存在爭議。

我們花了幾個月的時間做環(huán)境許可，并找到了實驗的最佳設(shè)計。該船載有一支經(jīng)驗豐富的生物觀察員小組，他們對水上和水下的海洋進(jìn)行了對聲敏或瀕危物種的調(diào)查。如果在遠(yuǎn)處觀察到任何一個，我們應(yīng)遵循一套規(guī)定的行動，以確保它們不會受到干擾。盡管如此，在這次準(zhǔn)備之后，我們在探險期間幾乎看不到任何野生動物。

我們的“主動源地震成像”方法就像制作地球內(nèi)部的CAT掃描圖像。但是，我們不是使用X射線建造圖像，而是使用由36個沉重的金屬罐(稱為氣槍)產(chǎn)生的聲波，這些氣囊被拖到船后面的水深處。當(dāng)氣槍打開時，壓縮空氣推動海水，產(chǎn)生穿過地球的聲波。

在這種情況下，聲音穿過火山下方的巖石。然后當(dāng)聲音到達(dá)時，地震傳感器停留在火山另一側(cè)的海底上。該團(tuán)隊在陸地上，圣托里尼島和附近島嶼上安裝了65個這樣的站點，并將另外90個站點丟棄到海底。

我們必須使用非常精確的時間來測量聲能通過火山不同部分所需的時間。來自聲源的能量將通過破碎或炙熱并含有巖漿的巖石更慢地傳播。當(dāng)我們從許多不同的方向和許多不同的深度探測結(jié)構(gòu)時，我們可以恢復(fù)地球內(nèi)部的詳細(xì)圖片。

為了從海底獲取數(shù)據(jù)，我們向傳感器發(fā)送一個特殊的聲音信號 - 就像一個鳥叫 - 它命令儀器放下它的錨。然后每個人都在掃描大海尋找樂器。在白天，我們尋找一個歡快的橙色旗幟，在夜間閃光燈使這項任務(wù)更容易。我們的船在儀器旁邊操縱，機(jī)組人員從側(cè)面傾斜，將儀器掛在長桿上并將其拉回到船上。數(shù)據(jù)在手。

填寫地下圖片

分析地震數(shù)據(jù)是一項艱巨的任務(wù)。它需要博士的經(jīng)驗豐富的檢查。學(xué)生Ben Heath和碩士生Brennah McVey。然后我們使用地震層析成像來制作圣托里尼島地下結(jié)構(gòu)的第一個詳細(xì)“照片”。術(shù)語斷層掃描來自切片的希臘語單詞“tomos”和繪圖的“graphos”?；旧蠌?fù)雜的計算機(jī)代碼基于通過其傳播的速度聲波來制作感興趣對象的三維數(shù)字模型。

令人驚訝的是，我們在圣托里尼島廣闊的火山口發(fā)現(xiàn)了一片狹窄的坍塌巖石區(qū)。對圣托里尼火山噴發(fā)的地質(zhì)研究并沒有讓我們預(yù)料到火山口北部會有一定數(shù)量的巖石，聲音傳播得更慢。相反，我們認(rèn)為整個破火山口將在淺深處填充這種類型的破碎巖石。我們的發(fā)現(xiàn)意味著火山口的倒塌部分比從表面看起來更窄更深。

與6英里寬(10公里)火山口的大小相比，這列被破壞的巖石相距不到2英里(3公里)。該結(jié)構(gòu)落入海灣底部2英里(3公里)的地面。這些巖石必須包含大量充滿水的空隙，以充分減緩我們記錄的地震能量。

為了弄清楚這個獨(dú)特的破碎巖石是如何形成的，我們借鑒了圣托里尼最近大爆炸的現(xiàn)有知識，公元前1630年的青銅時代晚期噴發(fā)。當(dāng)巖漿從地下爆發(fā)時，它導(dǎo)致上覆的巖石破碎。與此同時，當(dāng)巖漿和水接觸時，地下爆炸使巖石破碎。然后，在這個坍塌的柱子上方，海底凹陷充滿了火山爆發(fā)本身的多孔火山沉積物。最后，整個海灣下降，迅速的洪水形成了海嘯波。

我們的研究結(jié)果特別令人感興趣的是，巖漿繼續(xù)在破碎的巖石柱下方直接積聚 - 在最初形成火山口的爆炸后數(shù)千年。我和我的同事們認(rèn)為，在坍塌的柱子里破碎的巖石重量減輕之后，上升的巖漿停了下來。

我們的研究有助于解釋在主要火山爆發(fā)后巖漿系統(tǒng)如何重置和再生。