科学家观察海底火山的摇晃、震动和膨胀

去年，东北太平洋最活跃的海底火山爆发，引发了俄勒冈州海岸 300 英里范围内超过 200,000 次地震。

这座火山——轴向海山的剧烈活动被一个新建立的水下观测站——海洋观测站计划有线阵列记录了下来，该观测站于流动的岩浆引发地震之前投入运行。

这是一次难得的机会，可以实时见证火山喷发——研究人员实际上能够预测火山喷发将会发生。在周四发表在《科学》杂志上的两篇论文中，研究人员描述了火山喷发的观察结果。

在第一篇论文中，斯科特·诺纳 (Scott Nooner) 及其同事描述了研究人员如何通过此前对该火山喷发的观察预测该火山将在 2015 年喷发。轴向海山在近代历史上喷发过三次：一次是在 1998 年，然后是 2011 年，还有一次是在 2015 年。每次喷发之间，海底都会膨胀，因为地表下方的岩浆室会充满岩浆。然后它达到临界点，喷发、收缩，然后再次开始填满。

“我们一直在测量这座火山的变形，”诺纳说。“我们在 1998 年看到了一次火山喷发，当时海底下降了约 3.5 米 [11.5 英尺]。火山表面高度下降幅度非常大，然后它又开始缓慢膨胀。”

火山表面每年上升约 6 英寸，直到 2011 年再次喷发。但火山并没有萎缩那么多，膨胀率突然上升到每年略低于 24 英寸。利用过去喷发的数据，Nooner 和同事能够预测火山将在 2015 年喷发，结果确实如此。

这座火山目前正在重新膨胀，其速度介于科学家在 1998 年至 2011 年间观察到的缓慢稳定膨胀期与 2011 年至 2015 年间快速膨胀期之间。诺纳估计，如果以目前的速度（每年约 19 英寸）持续下去，下一次喷发可能发生在大约 3 年后。

但海底数据不仅告诉研究人员火山爆发的时间，还告诉他们火山爆发的过程。“通过观察表面的变形模式，我们可以知道岩浆被注入火山下方几乎垂直的管道，这就是膨胀的原因，”诺纳说。当熔岩喷涌到海底时，这条管道也成为岩浆在火山爆发过程中流经的路径。

2015 年阿克西尔火山爆发时伴随着剧烈震动。在第二篇《科学》论文中，威廉·威尔科克和同事描述了他们从 2015 年火山爆发中了解到的情况。他们的数据来自有线阵列，这是一组永久连接到电源的科学仪器阵列，可让它们无限期运行，进行长期观测。

“部署仪器来自动记录火山喷发非常困难，因为很难预测火山喷发的时间。你需要一个大约十年的网络来捕捉一次火山喷发，”威尔科克说。之前部署自动仪器来监测火山喷发的尝试并不理想，因为它们的电源需要更新。尽管努纳火山喷发计划取得了成功，但火山喷发是出了名的难以预测。在之前研究另一座火山的任务中，由于传感器实际上迷失在熔岩中，研究一度受阻。

这就是电缆阵列的作用所在。威尔科克说：“基本上，这条电缆使我们能够在几十年内将仪器固定在适当的位置，并观察多个火山周期。”

由于该阵列于 2014 年启动，威尔科克和同事们能够看到其中一个喷发周期的尾声，阵列上的地震仪在火山喷发临近时每天记录 2,000 次地震。现在，威尔科克和其他人正在观察该阵列，以了解火山在休止期间的活动情况。

他们已经看到了一些有趣的结果。在这篇论文中，威尔科克和其他人发现，在低潮期间，地震的数量急剧增加，因为此时火山上方的水压减小，断层能够更自由地移动。他们还能够窥视火山内部，并为有关其结构的长期争论提供一些额外的数据。火山所在地有一个环状断层，即围绕其内部的圆形裂缝。

“环形断层如何运作一直存在争议，”威尔科克说。他们利用地震作为声纳来窥视地震中心，能够确定在轴向海山喷发期间，活跃的环形断层向外倾斜，几乎像交通锥一样。“随着火山膨胀，它会将火山的两侧向外推，几乎就像将软木塞推入瓶中，然后当火山喷发时，它会下沉，整个火山就会坍塌。”

这很重要，因为多年来一直存在争议，火山爆发时向内倾斜（想像一下：冰淇淋甜筒）还是向外倾斜的环形断层活跃。至少在这座火山上，向外倾斜的环形断层似乎更活跃。

尽管阿克西尔海山十分复杂，但人们认为它是一个非常简单的火山，没有太多额外的因素来干扰研究。阿克西尔海山的岩浆只需移动一小段距离即可到达地表，而陆地上的火山岩浆则需要穿过地壳的更多英里才能脱离。这使得阿克西尔海山成为开始研究火山基础科学的最佳地点，研究人员期待着使用有线阵列来解答有关地球上最易挥发的岩石的一些最基本的问题。

“如果你仔细观察火山，我们并不知道它们是如何运作的，”诺纳说。“我们不知道岩浆是如何储存的，也不知道如何在火山下移动，我们不知道是什么驱动了整个系统，我们不知道是什么控制着岩浆从地幔进入岩浆房的速度，我们真的不知道火山爆发背后的物理原理。”

还有很多东西需要学习，但幸运的是，火山研究似乎即将爆发。