Cristian A. García-Sandoval | J. Alejandro González-Ortega | Dulce M. Vargas-Bracamontes | Sébastien Valade | Francesco Massimetti
地球科学研究生课程，Ensenada科学与高等教育研究中心，Ensenada - Tijuana公路3918号，Playitas区，Ensenada，下加利福尼亚州，墨西哥22860
摘要
量化地表变形能够为我们提供关于控制火山活动的岩浆过程的重要见解，以及火山体侧翼斜坡不稳定性的发展机制。然而，在半开放系统中，这一任务仍然极具挑战性，因为传统模型往往无法有效解释这些现象，而大地测量卫星观测数据则反映了多种来源的叠加效应或这些效应的缺失。在这项研究中，我们分析了波波卡特佩特尔火山的地表位移场。该火山是一个持续活跃的安山岩系统，以形成熔岩穹丘和具有最小变形特征的爆炸性活动而闻名。我们采用了合成孔径雷达干涉测量（InSAR）和全球导航卫星系统（GNSS）的观测数据，并结合了2019年至2023年的多参数观测结果。在此期间，波波卡特佩特尔火山表现出喷发动态的变化，包括2019年熔岩穹丘的破坏，以及2022年7月至2023年5月间喷发强度的增加。在GPS基线数据中观察到低幅度的膨胀现象，这与地震活动的增加、气体释放和热异常现象相关。为了研究变形机制，我们处理了Sentinel-1A和ALOS-2卫星的干涉数据对，生成了地表位移时间序列，并应用了独立成分分析（ICA）方法。研究发现，地表位移场反映了多种在不同时空尺度上运作的过程：东北-西南方向的持续地表侧翼运动（≤50毫米/年）、东北侧火山口的沉降（-40毫米/年），以及可能的向西滑动（约10毫米/年），这些现象揭示了复杂的岩浆和重力作用机制。
引言
火山系统表现出复杂的异常活动模式，这些模式由岩浆-流体-岩石相互作用驱动，在大地测量、地震、地球化学和热学领域产生多参数响应（Acocella等人，2024年）。这些相互作用改变了应力状态，导致岩石变形，并引发结构不稳定，表现为地表位移、宽频率范围内的地震活动、挥发性气体排放和热异常（Dzurisin，2003年；Sparks等人，2012年）。虽然传统的大地测量模型通过岩浆库压力引起的膨胀-收缩模式来概念化喷发周期，但现代观测揭示了更为复杂的实际情况。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）表明，火山变形是由在不同深度和时间尺度上运作的多种过程共同作用的结果。这些过程包括岩浆在岩脉和岩床中的侵入（Chadwick等人，2011年）、深部侵入引发的侧翼不稳定（Lundgren等人，2004年）、浅层通道压力（Salzer等人，2014年）、热液系统活动（Yunjun等人，2021年）、断层活动（Lundgren和Rosen，2003年）、重力扩张（Shirzaei等人，2011年）、熔岩/火山碎屑流的热压缩（Ebmeier等人，2016年；Carrara等人，2019年；Mason等人，2023年）以及地表滑动（Schaefer等人，2019年）。这种多样的变形来源给解释带来了显著挑战，尤其是在中纬度地区的安山岩成层火山中，多个因素会降低InSAR数据的质量。主要限制包括高海拔地区强对流层延迟引起的大气伪影（Pinel等人，2014年）、半开放系统中岩浆上升而不产生可检测膨胀的现象（Chaussard等人，2013年），以及当前卫星的低时间分辨率可能导致在重访周期中错过快速变形事件（Battaglia等人，2019年）。这些限制在像波波卡特佩特尔和科利马火山这样频繁活动的火山中尤为明显，传统InSAR分析难以检测到前兆信号（Pinel等人，2011年；Chaussard等人，2013年；Lesage等人，2018年），在其他热带火山弧中也观察到类似情况，尽管在这些条件下没有明显的变形（Ebmeier等人，2013年；Pritchard和Simons，2004年）。最近InSAR方法的进步显著提高了监测此类复杂火山环境的能力（Euillades等人，2021年）。现代处理策略结合了多时相分析（Ferretti等人，2011年；Mirzaee等人，2023年）、大气校正（Albino等人，2020年）、使用神经网络检测变形（Anantrasirichai等人，2019年；Valade等人，2019年），以及应用统计方法（如盲信号分离BSS）通过独立成分分析（ICA）来识别潜在信号和分离大气效应（Ebmeier，2016年；Gaddes等人，2018年）。将这些多参数数据集与先进的处理和分析技术相结合，为表征基线火山活动、评估灾害风险（Tilling，2008年）和研究相关的火山构造过程提供了更坚实的基础（Acocella，2021年）。
在这项研究中，我们利用2019年1月至2023年11月的InSAR和GPS观测数据分析了波波卡特佩特尔火山的地表变形。为了识别变形信号及其可能的含义（是否与岩浆活动相关），我们将InSAR时间序列数据与火山活动参数进行了联合相关分析，包括地震能量/频谱幅度的估计（RSEM/SSAM）、热成像得到的热变化、SWIR数据的热异常以及SO2 气体释放。
研究区域
波波卡特佩特尔火山（19.02°N，98.62°W）位于墨西哥横贯火山带（TMVB；图1A）的中心区域，是一座安山岩-英安岩成层火山（Siebe等人，2024年），海拔高度达到5452米，是墨西哥第二高峰。它拥有一个椭圆形的主火山口（820 × 650米），以及一个位于东缘下方185米处的半径为300米的内部火山口（Macías和Siebe，2005年）。该火山的形成是由于科科斯板块和里维拉海洋板块俯冲到墨西哥板块下方所致。
数据和方法
我们处理了来自欧洲航天局（ESA）的257幅Sentinel-1A C波段（λ=5.6厘米）单视复合（SLC）图像，包括147幅上升（T005）和110幅下降（T143）获取的图像，采集间隔为12天（表S1）。所有Sentinel-1数据均通过阿拉斯加卫星设施（ASF）网站获取（
https://search.asf.alaska.edu ）。此外，还使用了15幅ALOS-2 L波段（λ=23.5厘米）下降轨道（T153）图像，采用ScanSAR模式采集（34天重访周期；2022年1月至2023年9月）。
结果
利用所描述的方法，我们生成了1004幅经过地球曲率和地形校正的干涉图，整合了Sentinel-1A和ALOS-2的数据（表S1）。该数据集包括579幅上升和375幅下降的Sentinel-1A干涉图，最大空间基线和时间基线分别为341米和240天，以及50幅下降的ALOS-2干涉图。结果详细展示了2019年至2023年研究期间的两个时间线。
独立成分分析
通过ICA方法，我们在InSAR时间序列中识别出独特的时空特征，并将其分解为五个统计上独立的成分，从而能够将变形信号与非变形相关因素（大气噪声和轨道误差）有效分离。因此，我们获得了更清晰、更可靠的时间序列变化点记录，显示出2021年5月至...期间火山两侧（东北-西南方向）位移速度持续增加的趋势。
结论
本研究基于Sentinel-1A和ALOS-2 InSAR数据（2019–2023年）对波波卡特佩特尔火山的位移场进行了全面分析，并通过GPS测量进行了验证。我们的结果揭示了以前未记录的变形模式，包括：（1）侧翼不稳定，水平位移达到每年50毫米；（2）东北侧翼的局部沉降（-40毫米/年）。时间演变显示了不同的阶段——2019年至2021年的稳定位移，随后是...
CRediT作者贡献声明
Cristian A. García-Sandoval： 撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论设计、调查、数据分析、概念化。
J. Alejandro González-Ortega： 撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。
Dulce M. Vargas-Bracamontes： 撰写——审稿与编辑、资源协调、资金获取、数据管理。
Sébastien Valade： 撰写——审稿与编辑、资源协调、数据管理。写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的情况说明
在准备本文时，作者使用了DeepSeek-V3工具来检查手稿的语法和拼写错误，以提高文本的清晰度。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
资助
本研究得到了SECIHTI M.Sc.奖学金 和与JAXA航天局 合作的地球观测研究项目的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
感谢国家灾害预防中心（CENAPRED）在运营和维护波波卡特佩特尔监测系统方面的工作，以及提供用于本项目的GPS和地震数据。同时，也感谢科利马大学火山学研究中心（CUEV, UdC）合作生成的热图像。我们还要感谢Federico Di Traglia和一位匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见有助于改进本文的质量。
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