Volcanic similar earthquakes driven by aseismic slip associated with volcanic activity at Ogasawara Ioto

在海洋深处，在地球地壳不断移动的地方，火山不仅仅是在喷发。它们在呼吸、膨胀，并伴随着持续的、低水平的地震轰鸣而颤动。为了理解这些躁动的巨兽，科学家们倾听在岩石中起伏的微小震颤，将它们视为揭示火山健康状况的心跳。在这些震颤中，有一种特殊的事件被称为“相似地震”。这些并非随机的震动；它们是彼此近乎完全相同的副本，从同一个地点一遍又一遍地重复发生。当火山产生这些重复性的冲击时，这表明一小块特定的岩石正在反复发生滑动，就像一扇门合页每次开启时都会发出同样节奏的吱呀声。通过研究这些重复的信号，研究人员可以绘制出地下深处岩浆和流体的隐藏运动图谱，即使地表并未出现明显的震动。

在偏远的伊豆—小笠原群岛弧中，一座名为屿保（Ioto，即硫黄岛）的小型火山岛成为了此类活动的焦点。这座岛屿是一座活跃的破火山口火山，是由古代喷发形成的巨大火山口，目前正经历着剧烈的转变。几个世纪以来，整个岛屿一直在缓慢上升，这一过程是由下方推挤上来的岩浆驱动的。虽然这种隆起已被详细记录，但岛屿内部岩石如何响应这种压力的精确方式一直是一个谜。由日本国家研究开发机构地球科学与防灾研究中心的研究人员进行的一项近期研究，终于揭开了这一隐藏活动的帷幕。通过分析五年来收集的数千条地震记录，他们发现该岛持续的上升并非仅仅是平滑、无声的抬升。相反，地面正被一系列隐藏断层处的连续、重复性微小滑动所向上推挤，形成了一种独特的模式，即“相似地震”，讲述了一个关于应力和释放的清晰故事。

研究人员首先筛选了 2018 年至 2023 年间在屿保记录的大约 60,000 次地震的庞大目录。其中大多数事件是高频震颤，既尖锐又短暂，是火山地区的典型特征。他们使用一种旨在寻找噪声中模式的计算机算法，根据波形匹配的紧密程度对地震进行了分组。这有点像在成千上万封手写信件中进行分类，以寻找那些由同一个人书写的信件；其书写风格如此一致，以至于来源清晰可辨。团队识别出了 19 组这类“相似地震”的不同组别，这些地震的波形几乎完全相同，表明它们都来自同一个微小的源头。值得注意的是，这些重复事件约占研究期间检测到的所有火山地震的四分之一，证明了这种重复性滑动是该岛地震生命中一个主要的特征，而非罕见的异常现象。

一旦确定了这些组别，科学家们就开始精准定位这些滑动发生的具体位置。通过结合波形的传播时间、传播方向及其强度，他们绘制了 19 个集群的位置图。结果显示出一个引人注目的模式：相似地震并非随机散布在岛屿各处。相反，它们紧密地聚集在已知的活跃断层周围，特别是在岛屿的西南部。令人惊讶的是，在中央复原穹丘（caldera 的中心，一个巨大的隆起土丘）的正下方没有发现任何相似地震。这种缺失具有重要意义；这表明穹丘正下方的岩石可能由于过热或充满流体，无法以产生这些重复冲击所需的脆性方式发生断裂。相反，压力是在边缘处释放的，即隆起的穹丘与周围岩石摩擦的地方，导致狭窄断层线上产生微小的、重复性的滑动。

这些事件发生的时间提供了另一个关键线索。研究人员发现，相似地震的频率与岛屿上升的速率之间存在强关联。当地面上升得更快时，地震发生的也更频繁。事实上，这些重复性滑动之间的时间间隔非常短，通常仅为几天。这比在主要构造板块边界观察到的重复地震要快得多，在那些地方，此类事件可能会等待数年或数十年才会再次发生。屿保这种快速复发的速度是其快速上升的直接结果，其上升速率高达每年一米。这种剧烈的压力如此迅速地加载到微小的断层片上，使得它们在几乎立即失效并再次滑动，从而创造出一系列快速连发的微型地震。

为了理解这些滑动的物理性质，团队估算了断层片的尺寸和释放的应力量。他们计算出，每次事件中发生滑动的岩石区域极其微小，半径仅约为 21 米。释放的应力量（称为应力降）也非常低，对于几乎所有的集群而言，其测量值均小于一兆帕。为了直观理解，与大规模破坏性地震相比，这是一种非常温和的能量释放。极低的应力和微小的规模表明，这些区域的岩石已被削弱，很可能是由于存在高温火山流体和蒸汽，它们润滑了断层线。由于岩石如此脆弱且滑动区域如此之小，地震始终保持微小，极少超过 1.0 级，这解释了为什么该岛不会经历其他火山遗址常见的破坏性大地震。

研究还观察了这些滑动造成的总运动量。通过累加五年间所有相似地震产生的滑动量，研究人员发现其累积运动达到了约三米。这是一个显著的运动量，但仅占观测到的地表总隆起高度的约 60%。这一差异揭示了拼图中的一个重要部分：虽然相似地震代表了应力的主要释放方式，但它们并非全部。岛屿的大部分上升是通过“无震滑动”（aseismic slip）实现的，即岩石平滑地滑动而不产生任何地震。这意味着岛屿的变形是由剧烈的、微小的跳动和稳定的、无声的流动共同构成的。

研究结果描绘了一幅生动而活跃的火山图像，但其表现形式与通常与爆炸性喷发相关的火山活动截然不同。屿保的重复性、小规模地震是地壳适应上升岩浆巨大压力的声音。它们并不是即将发生灾难性喷发的征兆，而是证明了一个系统正在通过一个由润滑的小型断层网络不断释放压力的过程。研究证实，岛屿的快速上升驱动了这些重复性滑动，并且火山流体的存在对于保持低断层强度起到了关键作用。尽管由于小岛上地震台站数量有限，精确确定断层的几何形状仍具挑战性，但整体图景是清晰的：屿保是一个动态系统，受下方缓慢而强大的地球推力驱动，地面正在不断发生位移、滑动和上升。这种理解有助于科学家更好地监测火山活动，从而区分上升穹丘产生的无害重复调整与可能预示重大喷发的危险信号。