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  • 以地震噪訊干涉法探測2018年夏威夷Kilauea火山噴發前的地下岩漿活動
        馮冠芙博士生 國立臺灣大學地質科學系暨研究所
        黃信樺助研究員 中央研究院地球科學研究所
        在2018年五月,Kilauea火山東裂縫帶上鄰近利拉尼莊園(Leilani estates)的地方發生一系列的岩漿噴發(圖五,紅色虛線),一路持續到九月,對當地造成嚴重災損,迫使居民撤離家園。為了解Kilauea火山東裂縫帶岩漿噴發前可能的岩漿侵入過程,我們利用地震噪訊干涉法(Brenguier et al., 2008; Obermann et al., 2013)研究2017年一月至2018年六月期間,Kilauea火山東裂縫帶噴發前的地震波速度變化。透過不同頻段的速度變化分析(0.3-0.6、0.6-0.9與0.9-2.0赫茲),發現並分離出與地震相關的同震速度下降以及與岩漿侵入活動相關的速度變化異常。以測站對DEVL-STCD的結果為例(圖五B),同震速度下降對應地震編號1-3和6,主要反映在0.9-2.0赫茲的頻段上,且皆對應到每日最大地振動速度(PGV)的峰值(圖五C),顯示速度的下降可能造因於地振動造成淺部1公里內地殼介質的改變。
        相反地,與岩漿侵入相關的速度變化約在2017年底開始,僅在0.3-0.6赫茲出現,代表變化深度在1公里以下。在分析與比對不同測站對的速度時空變化與夏威夷火山觀測站的地表觀測資料後(詳見Feng et al., 2020),我們可將此噴發前兆活動分為三個時期(圖六):P1時期深部岩漿主要上侵至較深的SC岩漿庫(Southern caldera reservoir)和上東裂縫帶的脈狀岩漿通道,因而速度變化僅反映在相應深度較深的0.3-0.6赫茲的結果中(圖五B);P2時期岩漿侵入較淺的H岩漿庫(Halemaumau reservoir),GPS和傾斜儀開始紀錄到明顯的地表變形,三個頻段的地震速度因變形同時緩慢增加;到了P3時期,明顯的地震速度下降同時出現在三個頻段中,反應地殼因岩漿庫膨脹持續受壓一段時間後破壞累積超過臨界狀態而彈性係數陡降的介質弱化情形(Olivier et al., 2019),隨後下東裂縫帶即在5月2日噴發。
        本研究利用地震噪訊干涉法發現岩漿侵入活動可能在噴發前六個月就已經開始,自Kilauea主火山的深處上侵、在上東裂縫帶累積至噴發的演化過程。對於現行主要以地表觀測為主(如GPS、遙測影像)的火山監測系統,多頻段的地震噪訊干涉分析能探測不同深度上的地殼變化訊息,提供另一種面向的觀測。
圖五、Kilauea火山地區地震測站分佈與地震速度時序變化(dv/v)結果。(A)黑色倒三角形為地震站;紅色三角形標示此區主要的火山口位置;圓點則標示研究期間芮氏規模大於3.5的淺源區域地震,並以顏色表示其震源深度,發震時間以虛線標示於(B)與(C)中;粉色陰影區為Kilauea火山西南裂縫帶與東裂縫帶;位於東裂縫帶的紅色虛線則為2018年噴發的位置。(B)地震噪訊干涉法分析,以測站對DEVL-STCD為例,紅、橘、藍線分別代表不同頻段的結果。P1-P3為噴發前岩漿侵入活動的三個時期。(C)兩地震站於研究期間內每日最大地動速度值(PGV)。
圖六、2018年Kilauea火山東裂縫帶噴發前岩漿活動演化的示意圖。(a)Kilauea火山東翼三維構造模型。(b-g)主要火山口的岩漿庫與上東裂縫帶的脈狀岩漿通道在噴發前三個時期的岩漿活動,黑色箭頭示意力的方向。剖面位置如(a)藍色方框所示。H:Halemaʻumaʻu reservoir;SC:Southern caldera reservoir。
 
        參考文獻:
Brenguier, F., Shapiro, N., Campillo, M., Ferrazzini, V., Duputel, Z., Coutant, O., Nercessian, A. (2008). Towards forecasting volcanic eruptions using seismic noise. Nat Geosci 1:126–130.
Feng, K. F., Huang, H. H., Wu, Y. M. (2020). Detecting pre-eruptive magmatic processes of the 2018 eruption at Kilauea, Hawaii volcano with ambient noise interferometry. Earth, Planets and Space, 72(1), 1-15.
Obermann, A., Planes T., Larose E., Campillo M. (2013). Imaging preeruptive and coeruptive structural and mechanical changes of a volcano with ambient seismic noise. J Geophys Res Solid Earth 118:6285–6294.
Olivier G, Brenguier F, Carey R, Okubo P, Donaldson C (2019) Decrease in seismic velocity observed prior to the 2018 eruption of Kīlauea Volcano with ambient seismic noise interferometry. Geophys Res Lett 46(7):3734–3744.
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