我們用聲音探測(cè)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(lái)一直吸引著人們。今天，在深海灣的懸崖上觀看太陽(yáng)落山，周?chē)h(huán)繞著鈷藍(lán)色的教堂和白色的房屋，感覺(jué)很神奇。這個(gè)神秘的地方每年吸引大約200萬(wàn)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(shí)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(gè)近乎圓形的洞。這是一個(gè)火山口 - 今天可以看到一個(gè)充滿海水和懸崖的海灣。大爆炸覆蓋了一個(gè)青銅時(shí)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(zhǎng)大的島嶼。最近，在2011 - 2012年，火山經(jīng)歷了一段動(dòng)蕩時(shí)期。地面膨脹起來(lái)，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(gè)標(biāo)志性地方的是大部分火山都淹沒(méi)在水下。我是一名地球物理學(xué)家，對(duì)巖漿如何深入地球感興趣。在過(guò)去的十年中，我一直在使用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)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?，F(xiàn)在火山口狀火山口的中心充滿了海水。圖片來(lái)源：NASA / GSFC / METI / ERSDAC / JAROS和美國(guó)/日本ASTER科學(xué)團(tuán)隊(duì)，CC BY

用聲音看看表面下面是什么

在19世紀(jì)80年代，法國(guó)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(gè)意識(shí)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(kù)中排空時(shí)，覆蓋它的巖石頂部坍塌了。火山的側(cè)翼仍然形成今天在水面上可見(jiàn)的島嶼環(huán)。

我的研究項(xiàng)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(guó)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(guó)海洋地震船R / V Marcus Langseth開(kāi)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(duì)海洋野生動(dòng)物的潛在影響以及石油勘探公司的大量使用，這項(xiàng)技術(shù)仍存在爭(zhēng)議。

我們花了幾個(gè)月的時(shí)間做環(huán)境許可，并找到了實(shí)驗(yàn)的最佳設(shè)計(jì)。該船載有一支經(jīng)驗(yàn)豐富的生物觀察員小組，他們對(duì)水上和水下的海洋進(jìn)行了對(duì)聲敏或?yàn)l危物種的調(diào)查。如果在遠(yuǎn)處觀察到任何一個(gè)，我們應(yīng)遵循一套規(guī)定的行動(dòng)，以確保它們不會(huì)受到干擾。盡管如此，在這次準(zhǔn)備之后，我們?cè)谔诫U(xiǎn)期間幾乎看不到任何野生動(dòng)物。

我們的“主動(dòng)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(gè)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(kāi)時(shí)，壓縮空氣推動(dòng)海水，產(chǎn)生穿過(guò)地球的聲波。

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

我們必須使用非常精確的時(shí)間來(lái)測(cè)量聲能通過(guò)火山不同部分所需的時(shí)間。來(lái)自聲源的能量將通過(guò)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(cè)結(jié)構(gòu)時(shí)，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(gè)特殊的聲音信號(hào) - 就像一個(gè)鳥(niǎo)叫 - 它命令儀器放下它的錨。然后每個(gè)人都在掃描大海尋找樂(lè)器。在白天，我們尋找一個(gè)歡快的橙色旗幟，在夜間閃光燈使這項(xiàng)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(zhǎng)桿上并將其拉回到船上。數(shù)據(jù)在手。

填寫(xiě)地下圖片

分析地震數(shù)據(jù)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。它需要博士的經(jīng)驗(yàn)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(lái)制作圣托里尼島地下結(jié)構(gòu)的第一個(gè)詳細(xì)“照片”。術(shù)語(yǔ)斷層掃描來(lái)自切片的希臘語(yǔ)單詞“tomos”和繪圖的“graphos”?；旧蠌?fù)雜的計(jì)算機(jī)代碼基于通過(guò)其傳播的速度聲波來(lái)制作感興趣對(duì)象的三維數(shù)字模型。

令人驚訝的是，我們?cè)谑ネ欣锬釐u廣闊的火山口發(fā)現(xiàn)了一片狹窄的坍塌巖石區(qū)。對(duì)圣托里尼火山噴發(fā)的地質(zhì)研究并沒(méi)有讓我們預(yù)料到火山口北部會(huì)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(gè)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(lái)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(gè)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(shí)，公元前1630年的青銅時(shí)代晚期噴發(fā)。當(dāng)巖漿從地下爆發(fā)時(shí)，它導(dǎo)致上覆的巖石破碎。與此同時(shí)，當(dāng)巖漿和水接觸時(shí)，地下爆炸使巖石破碎。然后，在這個(gè)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(gè)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(lái)。

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。