斯特龙博利火山三十年地面变形监测数据集：揭示开放管道火山动力学机制的多参数观测研究

时间：2025年3月30日

来源：Scientific Data

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编辑推荐：意大利国家地球物理与火山学研究所(INGV)团队通过整合GNSS、倾斜仪和应变仪数据，构建了1992-2022年间斯特龙博利火山地面变形综合数据集。该研究解决了开放管道火山岩浆运移机制监测难题，揭示了岩浆系统对构造活动的响应规律，为预测火山喷发和评估海啸风险提供了关键参数，相关成果发表于《Scientific Data》。

在地中海蔚蓝的海面上，斯特龙博利火山因其持续的喷发活动被称为"地中海灯塔"。这座全球最活跃的火山之一，其典型的斯特龙博利式喷发虽具观赏性，但2002年由火山侧翼滑坡引发的灾难性海啸提醒人们：这座美丽的火山潜藏着致命威胁。更棘手的是，该火山频繁发生的准周期"超强喷发"(paroxysms)往往缺乏明显前兆，传统监测手段难以捕捉其微妙的岩浆活动信号。正是这些科学难题，促使意大利国家地球物理与火山学研究所的Valentina Bruno团队开展了长达三十年的持续监测。

研究团队采用三种互补的地球物理观测技术：全球导航卫星系统(GNSS)提供三维位移数据，气泡倾斜仪(bubble tiltmeters)检测10^-7弧度级的地面倾斜，萨克森-埃弗森应变仪(Sacks-Evertson strainmeters)则能捕捉10^-12级的应变变化。这些仪器构成的多参数监测网络覆盖了从静态变形到动态震动全频谱信号，其中GNSS数据通过GAMIT/GLOBK软件处理，倾斜和应变数据分别采用ETerna 3.4和BAYTAP-G算法消除潮汐和大气干扰。

研究结果部分，"GNSS"小标题下的数据显示：四个永久站点在欧亚固定参考架下呈现2.0±0.3 mm/yr的沉降趋势，水平运动则显示火山体存在NW-SE向扩张。特别值得注意的是2019年7月3日超强喷发前，GNSS时间序列检测到异常 uplift 信号。"Tiltmeters"部分揭示：安装在27米深钻孔中的Lily数字倾斜仪成功记录到喷发前2-4分钟的0.1 μrad微倾斜，而1994-1995年间观测到的数十μrad慢速异常被解释为岩墙侵入(dyke intrusion)信号。"Strain data"章节显示：应变仪不仅能清晰记录地震表面波(图6)，还在2022年汤加火山爆发时完整捕获了全球传播的Lamb波(图8)，其动态范围达140 dB。

在技术验证环节，研究人员通过对比合成地震波与实测数据(图6)，确认应变仪的校准因子为10^-2 nE。倾斜数据的质量控制则显示：浅孔(3m)倾斜仪受4-5°C年温差影响产生15-20 μrad噪声，而深孔(27m)仪器的信号噪声比提升了一个数量级。

这项历时三十年的监测研究建立了目前最完整的开放管道火山变形数据库，其核心价值体现在三个方面：首先，多参数交叉验证揭示了岩浆从深部到浅部的运移规律，如2007年喷发期间GNSS与倾斜数据共同反演出的3.5 km深岩浆房排空过程；其次，发现了超强喷发的短临前兆特征，如2019年事件前记录的应变突变和倾斜异常；最后，数据集为理解火山-构造耦合机制提供了实证，如2002年滑坡事件中应变仪记录到的独特信号。这些成果不仅提升了我们对斯特龙博利火山系统的认知，其建立的方法学框架更可为全球类似火山系统的监测提供范式参考。