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火山地震机制与应力场分析：基于2025年圣托里尼-阿莫洛斯地震序列的概率源反转和火山构造特征研究，显示65%地震为纯双力偶机制，主应力与区域正断层一致，低摩擦值表明构造主导，岩浆活动触发。
K. Lentas|V.K. Karastathis|F. Gkika|E. Mouzakiotis|P. Koutsovitis
雅典国家天文台，地球动力学研究所，Lofos Nymfon，雅典，11810，希腊
摘要
我们研究了2025年1月底至3月初桑托里尼-阿莫尔戈斯地震序列最活跃阶段的震源特征，以揭示驱动地震爆发的过程以及构造应力与岩浆/流体活动之间的相互作用。通过概率震源反演方法，我们估算了一组代表性地震的偏差张量和全张量（包括非偏差张量）。研究结果表明，在考虑了由于速度模型和震中间误差导致的计算不确定性后，约65%的地震显示出纯粹的双力矩机制（即正断层机制）。此外，通过分析地震波形的频率特征，我们确认了这次地震群的火山-构造特性。对所得张量进行的应力反演显示，主要应力方向与该地区的正断层带一致，并且摩擦值较低，这表明构造因素在地震群中起到了重要作用；地震可能由地壳内的岩浆上升引发，并受到岩浆流体释放的促进，从而影响了原有的断层系统。
引言
2025年1月底，桑托里尼岛和阿莫尔戈斯岛之间的海域观测到了显著的地震活动，震源深度在10公里至15公里之间，这与2011-2012年的地震群不同（后者主要集中在桑托里尼火山口和Kolumbo地区，震源深度较浅（Chouliaras等人，2012年；Newman等人，2012年；Feuillet，2013年；Konstantinou等人，2013年；Papadimitriou等人，2015年）。2025年的地震活动在2月1日达到高峰，每天记录数百次地震事件（图1）。这种高地震活动持续了至少六周后逐渐减弱（补充材料中的图S1）。当时的地震强度非常高，导致桑托里尼岛及周边岛屿的居民以及当局担心可能会发生火山喷发，因此采取了一些预防措施（Mavroulis等人，2025年）。
桑托里尼火山位于爱琴海南部，被认为是世界上最猛烈的火山之一，据信它导致了克里特岛上米诺斯文明的毁灭（Preine等人，2024年）。这座成层火山是一个多周期的破火山口（Preine等人，2024年），以其历史上的剧烈喷发活动而闻名。破火山口的形成经历了多次交替的爆发性和溢流性喷发（Druitt等人，2016年），其中普林尼式米诺斯喷发发生在3600年前，喷出物体积相当于40-80立方公里的致密岩石（Cottrell等人，1999年；Lanzafame等人，2020年），形成了现今呈新月形的桑托里尼火山口及其周围的五个岛屿。这个部分淹没的环状结构围绕着一个被水淹没的破火山口，其中包含前米诺斯时期的Thera、Therasia和Aspronisi三个岛屿；而破火山口内的Palea Kameni和Nea Kameni岛屿则是随后火山活动形成的（Lanzafame等人，2020年）。其他邻近的火山活动区域包括位于桑托里尼西南方向约20公里的Christianna群岛，以及位于桑托里尼东北方向7公里的Kolumbo海底火山。Kolumbo火山在公元1650年喷发，此前该地区经历了长达一年的强烈地震活动（Hübscher等人，2015年），它位于一个明显的NE-SW走向的裂谷带中，形成了Anydros沉积盆地（图1），该盆地还包括19个较小的海底火山锥（Nomikou等人，2012年）。
桑托里尼岛和阿莫尔戈斯岛之间的海域存在多条NE-SW走向的活跃正断层，其中最重要的是Ios断层、Santorini-Anafi断层以及与1956年7.8级阿莫尔戈斯地震相关的断层（Okal等人，2009年），这些断层都向南东方向倾斜。这些断层带形成了该地区的三个主要盆地：桑托里尼和阿莫尔戈斯之间的盆地、桑托里尼东北方向的较深较长的盆地（由Anydros山脉分隔），以及阿莫尔戈斯南侧的较小盆地（Nomikou等人，2018年）。另一条向西北方向倾斜的较小正断层Anydros断层构成了Anydros山脉的北缘（Nomikou等人，2016年；Nomikou等人，2018年）。在该区域内还分布着更多同向倾斜的较小断层（图1）。此外，在Anydros以东和阿莫尔戈斯以西还识别出两条主要的NW-SE走向的横向构造带（Bohnhoff等人，2006年；Sakellariou等人，2017年；Tsampouraki-Kraounaki等人，2021年）。
与陆地火山环境不同，海洋环境中的火山活动难以通过大地测量观测来监测（Parks等人，2025年；Walsh等人，2025年），因为在桑托里尼和阿莫尔戈斯海域，GNSS（全球导航卫星系统）数据的应用受到水体覆盖和GPS（全球定位系统）站点稀少的限制。例如，Parks等人（2012年）使用了卫星雷达干涉测量（InSAR）和GPS数据，但他们的研究仅限于桑托里尼岛。此外，利用能够揭示复杂火山-构造相互作用的海洋地球物理调查通常成本高昂且耗时较长（Preine等人，2022年；Preine等人，2024年）。相比之下，地震机制的研究提供了一种直接了解火山-构造系统力和复杂过程的方法（Saraò等人，2001年；ágústsdóttir等人，2016年；Andinisari等人，2021a；Sandanbata等人，2021年）。
迄今为止，基于波形数据的地震震源机制分析主要揭示了非双力矩机制，表明地震是由岩浆流体驱动的裂缝张开引起的（Fountoulakis和Evangelidis，2025年；Zahradnik等人，2025年）。在本研究中，我们采用了不同的方法来探讨构造过程和岩浆过程之间的复杂相互作用。我们利用在该地区部署的地震站的第一运动极性数据，确定了2025年桑托里尼-阿莫尔戈斯地震危机期间的地震机制。我们认为，如果拉伸裂缝确实是主导机制，那么极性数据在立体网上的分布应符合垂直CLVD（补偿线性矢量偶极）类型的机制，这通常是由于岩浆房的存在（Gudmundsson和Nilsen，2006年；Shuler等人，2013年；Sandanbata等人，2021年），或者是与岩浆侵入相关的体积变化（Mizuno等人，2015年；Saraò等人，2001年；Andinisari等人，2021a）所致；尤其是对于震级小于或等于4.5级的地震，它们更有可能偏离纯粹的双力矩机制类型。为此，我们为桑托里尼-阿莫尔戈斯地震群手动选取了大量第一运动极性数据，并应用了贝叶斯张量技术（Pugh等人，2016b）来研究其机制类型。为了进一步验证我们的发现，我们进行了一系列真实的合成测试，以量化数据和方法不确定性对全张量反演的影响，这些不确定性是表征复杂地震震源的关键因素，包括拉伸张开或闭合以及体积变化。
小节片段
最小速度模型和地震事件位置
在本研究中，我们使用了VELEST算法（Kissling，1988年；Kissling等人，1994年）来计算研究区域的最优一维速度模型。该算法解决了非线性耦合的震中间-速度模型问题，即震中间位置和局部地震速度结构都是未知量（Crosson，1976年；Ellsworth，1978年；Thurber，1981年；Kissling等人，1994年）。这个问题通过迭代方法解决。
数据集描述
研究区域的范围是纬度36.32°至36.83°，经度25.27°至26.18°，时间跨度从2025年1月25日至3月3日。根据空间和时间上的地震活动密度，随机选取了217个地震事件（图2及补充材料中的图S1、S3）。在震级方面，我们仅选择了震级大于或等于3.0的地震。
纯双力矩张量
我们在南基克拉泽斯群岛的桑托里尼岛和阿莫尔戈斯岛之间模拟了10个地震事件。这些模拟地震的参数在空间和断层平面参数上与2025年桑托里尼-阿莫尔戈斯地震序列的观测结果相似，以便反映地震站分布对震源机制确定的影响。具体来说，模拟地震的震中间参数是随机选择的，覆盖了
地震机制
本研究中的地震群的一个常见特征是地震事件在几秒钟内连续发生，导致相位到达时间严重混叠（补充材料中的图S10），尤其是在局部震中的地震站。尽管在某些情况下可以较低不确定性地识别出晚地震的起始时间，但无法确定其极性。因此，在选定的217个地震中，有40个地震的极性无法确定。
地震震源特性
本研究通过确定地震事件的震源机制，探讨了2025年桑托里尼-阿莫尔戈斯地震活动是否为火山-构造群。为此，我们使用了高质量的手动选取的第一运动极性数据。与基于波形的技术相比，这种数据可以更有效地应用于较小震级的地震，因为后者受到噪声和未建模地球结构的影响较大。
结论
2025年2月，桑托里尼岛和阿莫尔戈斯岛之间发生了前所未有的地震群，记录了超过15000次地震事件。小震级地震（震级小于或等于4.0）的波形频率特征强烈表明这是一次火山-构造群事件。通过对130个地震进行约束双力矩和张量反演（使用贝叶斯张量技术，Pugh等人，2016b），确定了它们的震源机制。
CRediT作者贡献声明
K. Lentas：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。V.K. Karastathis：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。F. Gkika：撰写——审阅与编辑、可视化、数据管理。E. Mouzakiotis：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、软件。P. Koutsovitis：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
