音频大地电磁法在日本草津白根火山口周围的浅层电阻率结构

2024年08月09日

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摘要
2018年，日本中部草津白根山火山的火山碎屑锥群之一的本白根山发生了一次浅层爆炸喷发。这次喷发比较突然，与其他主要的火山碎屑锥群—白根山相比，近年来没有观察到任何火山活动的迹象，白根山则拥有活跃的火山口湖并多次经历了浅层火山喷发事件。为了理解本白根山火山喷发机制，需要了解浅层热液系统的信息，这被认为是浅层火山喷发的源区；然而，在这个特定的火山碎屑锥群上进行的研究很少。因此我们于2020年进行了一个音频频率大地电磁测量调查，以揭示2018年火山口周围的浅层电阻率结构。三维电阻率结构模型显示了通常的两层，浅层具有高电阻率，下方覆盖着低电阻率。层间界面对应于新近系基岩的顶部界面。这些低电阻率在2018年的火山口下方未被发现；因此，新近系基岩的一部分可能已经在2018年火山口下方的喷发中丧失了。这与对喷发物矿物组合的地球化学研究相一致，该研究表明爆炸达到了基岩深度。

说明
在本研究中，为了澄清本白根山浅层热液系统，我们进行了一次音频大地电磁（AMT）测量调查，测量高频电磁数据来估算2018年喷发火山口周围区域下方的浅表面结构。尽管AMT调查是在喷发大约两年半之后进行的，但由于喷发规模较小，我们认为除了喷发口附近，热液系统在喷发中没有发生显著变化。

数据采集
AMT调查于2020年9月10日至18日进行，在2018年喷发的火山口周围的30个位置进行了测量。在Kagamiike-kita火山口周围的观测点之间的距离为100-300米，以确保有足够的空间分辨率。在每个观测点，使用MTU-5C系统（Phoenix Geophysics Ltd.，加拿大多伦多）测量了三个磁场分量（Hx，Hy和Hz）和两个电场分量（Ex和Ey）。磁场使用磁棒（MTC-180）进行测量，而电场则使用20-30米长的偶极子，在两端用不极化的Pb-PbCl2电极接地。在大多数地点，数据记录时间超过12小时，包括夜间；但在某些地点，仅在白天记录了3小时。为了提高数据的信噪比，我们对同时测量的每个数据集运用了远程参考技术（Gamble et al. 1979; Gaubau et al. 1984），使用Empower软件（Phoenix Geophysics Ltd.）在10,000至2 Hz之间的频率计算MT响应（阻抗张量和地磁传递函数）。为了确定水平电阻率分布的大致趋势，使用阻抗张量的旋转不变量之一计算视电阻率分布。下图显示了采用阻抗张量实部行列式（det(ReZ)）之一计算的四个典型频率的视电阻率分布，该行列式相对准确地反映了3-D电阻率结构的特征（Szarka和Menvielle 1997）。

反演
使用一种可以包含地形起伏的非结构四面体网格的3-D反演代码FEMTIC进行了反演。

结论
我们于2020年进行了一次音频大地电磁测量调查，以澄清经历了2018年小规模火山喷发的本白根山浅层热液系统的电阻率结构。从推断的三维电阻率结构模型中得出了以下结果。

本白根山地下结构基本上由高电阻率层（R1）和对应于下方的新近纪熔岩的低电阻率（C1）组成的双层结构。解释为低电阻率层的是草津白根火山的地下岩石基底。
在2018年的火山口下面并未发现具有低电阻标志层，这可能是因为部分导电的基岩被喷发破坏了，标志着喷发可能发生的位置。
低阻区（R2）中的中等电阻率区可以成为流体储集层。2018年的喷发被认为是由于在喷发前立即通过现有裂缝向该区域快速供应高温火山流体而发生的。
我们已经估算出了2018年喷发的机制，然而，火山内部流体流动仍存在不确定性。基于本研究的发现，再现喷发前的热液过程将成为未来研究的方向。