SA：地震觸發玄武質火山噴發所需的金鳳花條件——來自2015年Ambrym噴發的證據
Ambyrm火山位於萬那杜群島內，印度-澳大利亞板塊在這裡以每年85mm的速度向東俯衝到太平洋板塊之下（圖1）。2015年2月25日，該火山發生了一次小規模噴發，形成了一個新的火山口Niri Taten。在噴發前30小時，火山以南約15-20km處還發生了一次Mw6.4級地震，地震為逆衝型，震源深度10km。人們自然會問，火山噴發與地震之間是否有關係，是不是地震觸發了該火山的噴發？
圖1 Ambyrm火山的構造背景圖。紅色圓圈為火山口，Niri Taten為2015年噴發形成的新火山口。沙灘球展示了噴發前30小時發生的地震機制。AUS-澳大利亞板塊；PAC-太平洋板塊
通常認為，地震觸發火山噴發的可能性較低（Manga and Brodsky, 2006），有些大地震發生後並沒有觀測到火山噴發顯著增加的現象，但最新的研究也發現了很多的事例，顯示大地震會在近場（數十公裡）和遠場（數百公裡）觸發火山活動（Pritchard et al., 2013; Takada and Fukushima,2013）。雖然具體的觸發機制仍有爭議，但是可以基本確定的是，地震擾動了原先的應力場，從而觸發了火山活動。地震波傳播在遠場處產生的動態應力變化引起巖漿房內的成核與氣泡生長，並導致結晶粥液化或巖漿泡沫崩塌；而靜態應力可以使巖漿房體積變化，進一步促進了氣泡的生長，擠壓了儲存在淺層巖漿房中的巖漿，導致其向上遷移並最終噴發。
近期，Hamling and Kilgour（2020）就地震和火山的觸發關係提出了新的見解，相關研究成果發表在Science Advances上。
利用2015年1月24日和3月4日的日本ALOS-2衛星的升軌數據得到幹涉圖（圖2），他們發現最大形變發生在新噴發口附近，視向線位移高達1.5m，而之前的噴發口沒有明顯變形。有限斷層模型模擬拉張位錯顯示，最大拉張位錯達到了3.5m，延伸至地表以下3.5km的位置（圖2），進一步估算獲得侵入巖漿體積約為0.045km3。
圖2 InSAR觀測與模擬。A火山噴發期間InSAR視向線位移觀測數據，理論模擬值以及殘差；B拉張位錯分布
為了研究噴發前30小時發生的Mw6.4級地震對淺層巖漿系統的影響，研究者在考慮震源位置不確定性（水平±5km；深度±4km）的基礎上，根據震源機制解計算出地震導致的法向方向的靜態應力變化。結果顯示，淺層巖漿系統的應力整體下降（法向應力增加），應力變化的絕對值在0.03～1Mpa之間（圖3A）。除了靜態應力變化外，地震波的傳播還可以在火山系統內產生顯著的非永久應力變化。這種動態應力變化的衰減比靜態應力的衰減要慢，因此在較遠的距離可以超過靜態應力變化，計算結果顯示峰值動應力變化為0.9～1.5 MPa（圖3B）。
模擬結果顯示，如果噴發產生了3.5m的拉張位錯，最終的超壓需要達到4～11MPa。在多數情況下，這種超壓是由於有新的物質注入到淺層巖漿系統中造成的，同時伴隨著變形和地震。但是，2015年Ambrym火山噴發前沒有觀測到伴隨侵入產生的地震活動性的增強，且此次地震產生的應力，無論是靜態應力變化，還是動態應力加載，其變化均太小，無法產生驅動噴發所需的超壓。
假設沒有額外的巖漿侵入，就需要尋找一種新的機制解釋上述現象。對巖漿體內壓力恢復的數值模擬表明，巖漿壓力下降導致的氣泡生長，可產生超過一個數量級的超壓（Nishimura，2004）。在這一過程中，巖漿的溫度和含水量起著重要作用：同一溫度下，含水量越低則氣泡生長所需的初始壓力降更大；同一含水量下，溫度越高則壓力降更大（圖3D、圖3E）。如果巖漿較冷且富含水，那麼很小的壓力降（小於1MPa）足以促進氣泡的生長，從而導致巖漿體積增加和巖漿房壓力升高，進而引起火山噴發。但是低溫會產生另一個不利於噴發的影響，因為隨著巖漿的冷卻，結晶作用會降低其流動性。當晶體的含量達到30%～40%時，巖漿將處於閉鎖狀態，從而降低其噴發的可能性。對於水含量為2-2.5wt%的巖漿，其下限溫度約為970℃。因此存在一個非常窄的溫度窗口（～50℃），在該窗口內巖漿保持足夠的流動性，且較小的壓力降即可導致足夠的氣泡形成，從而對巖漿房加壓引起噴發（圖3D、圖3E）。
圖3 Mw6.4級地震產生的應力變化以及對氣泡生成的影響。A靜態正應力變化。B動態應力變化。C超壓與密度、excess pressure的關係。D不同含水量下晶體體積百分比隨溫度的變化。E不同含水量和溫度條件下體積增長隨壓力降低的變化
綜上所述，地震引起的應力變化太小，如果沒有額外的氣泡生成並對巖漿房加壓，就無法解釋火山噴發所需要的超壓。一種可能的解釋是巖漿必須是富含水的，而且其溫度要比新侵入的玄武質巖漿溫度低，但也不能過低。這種適當的條件被稱為金鳳花條件，在這種條件下，巖漿在較小的地震應力作用下生成氣泡，通過對淺層巖漿房加壓而引發火山噴發。因此有理由推斷，巖漿房內如果有部分冷卻結晶的玄武質巖漿，就更容易受到地震的觸發而產生火山噴發。
【致謝：感謝新生代室郭正府研究員對本文提出的修改建議。】
主要參考文獻
Hamling I J, Kilgour G. Goldilocksconditions required for earthquakes to trigger basaltic eruptions: Evidencefrom the 2015 Ambrym eruption[J]. Science Advances, 2020, 6(14): eaaz5261.
Manga M, Brodsky E. Seismic triggering of eruptions in the farfield: Volcanoes and geysers[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences,2006, 34: 263-291.
Nishimura T. Pressure recovery in magma due to bubble growth[J].Geophysical Research Letters, 2004, 31(12): L12613.
Pritchard M E, Jay J A, Aron F, et al. Subsidence at southern Andesvolcanoes induced by the 2010 Maule, Chile earthquake[J]. Nature Geoscience,2013, 6(8): 632-636.
Takada Y, Fukushima Y. Volcanic subsidencetriggered by the 2011 Tohoku earthquake in Japan[J]. Nature Geoscience, 2013,6(8): 637-641.
（撰稿：郝金來/地星室）
校對：張騰飛