《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：High-frequency volcano seismic tremor at Mt. Etna, Italy: Insights from varying seismic-acoustic amplitude ratios
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埃特纳火山2022年summit区域部署高分辨率地震声学阵列，捕捉到50次罕见高频（12-15Hz）短时震颤事件。分析发现地震-声学幅度比显著变化，表明震颤由不同机制触发：除传统流体迁移假说外，准脆性中尺度弱岩层失效可能是直接源机制，该结论与数值模拟及火山岩实验室实验结果一致，为火山监测提供新视角。
莫里斯·韦伯（Maurice Weber）|克里斯托弗·J·比恩（Christopher J. Bean）|伊万·洛克默（Ivan Lokmer）|西尔维奥·德安杰利斯（Silvio De Angelis）|卢西亚诺·祖卡雷洛（Luciano Zuccarello）
都柏林高等研究院，爱尔兰都柏林
摘要
我们提供了来自意大利埃特纳火山的全面、高分辨率的地震和声学数据集，这些数据是通过在2022年夏季在山顶地区大规模部署地震仪和麦克风获得的，共记录了约50次罕见的高频（12–15 Hz）、短时持续几分钟到半小时的火山地震颤动事件。这些事件表现出不同的地震-声学振幅比，表明其触发机制可能多种多样。分析显示，尽管某些颤动事件与排气过程有关，但其他高频颤动事件则没有伴随声学信号，这表明强烈的排气作用及流体迁移可能并非颤动产生的主要驱动力。我们提出，除了传统上认为需要流体运动来引发颤动的模型外，弱结构材料中的准脆性中尺度破坏也可能直接导致高频颤动的产生。这一解释与之前关于典型低刚性火山材料中地震事件产生的数值模拟研究以及实验室实验结果一致，有助于解释在没有声学信号的情况下发生的浅层地震颤动现象。
引言
地震颤动被认为是火山监测的关键参数，能够提供有关火山活动状态的宝贵信息（例如Konstantinou和Schlindwein（2002年）或最近的Salerno等人（2018年）的研究），同时也是支持喷发预测的重要工具（Chardot等人，2015年）。然而，由于涉及多种过程，目前仍难以全面理解产生这些颤动信号的机制（例如Salerno等人（2018年））。
在这项研究中，我们研究了高频火山颤动（即频率低于10 Hz的颤动），旨在揭示这一较少被研究的频率范围。火山颤动通常发生在0.5至5 Hz的频率范围内（McNutt，1992年）。由于检测到10 Hz以上连续颤动需要非常接近震源（距离约1公里），因此这些高频信号往往被忽视，尽管有一些例外研究，如Heleno等人（2006年）、Matoza和Fee（2014年）以及Reiss等人（2023年）的研究。高频颤动的分析和定位还受到高度复杂波形的影响，这些波形缺乏相位到达特征（Permana等人，2019年），同时高频信号在异质火山结构中会发生显著散射（Ibanez等人，2019年）。本文重点关注在埃特纳火山记录到的高频颤动信号。埃特纳火山的主要颤动频率约为3 Hz，能量主要集中在0.5至5 Hz之间（Di Lieto等人，2007年）。即使在相对平静期（没有喷发活动但仍有排气现象），颤动也几乎始终存在。这种颤动通常被认为与地下流体迁移有关，但由于路径效应的影响，分析较为困难（Di Lieto等人，2007年；Bean等人，2013年）。除了少数研究（例如Cannata等人（2010年）外，对于埃特纳火山10 Hz以下频率的颤动研究非常有限。
这种研究覆盖范围的不足促使我们关注这一较少被研究的高频范围，试图进一步揭示火山颤动背后的复杂机制，探讨地震-声学振幅比及其变化性，方法类似于Matoza和Fee（2014年）的研究。
数据
2022年夏季，在埃特纳火山的山顶地区进行了两次数据采集活动。每次活动都部署了六组短周期地震仪（SMARTSOLO节点，5 Hz），每组包含9到25个仪器。此外，还安装了一个线性阵列，包括4个宽带地震仪（Guralp，60–50 Hz）和7个次声传感器（Nanometrics，Trillium Compact 120，60–50 Hz）。在2022年7月的第一次活动中，...
山顶火山口附近的高频颤动事件
我们部署的地震仪阵列的几何形状及其靠近火山口的特点，使其能够检测到10–20 Hz频率的颤动信号（图2.2）。我们检测到几次频率约为12–15 Hz的罕见颤动事件，每次持续几分钟到半小时（见图3.1）。
我们使用了Seydoux等人（2016年）、Soubestre等人（2018年）和Tong等人（2024年）开发的COVSEISNET颤动检测工具。该方法通过...
地震和声学信号的时间演变
Johnson和Aster（2005年）已经证明，地震-声学振幅比是一个非常有用的参数，可以帮助区分不同的喷发源过程。同样，我们在这里研究地震和声学振幅，试图推断在埃特纳火山无喷发活动但存在持续排气期间产生地震颤动事件的过程。图4.1显示了12–15 Hz频率范围内的地震能量的时间演变...
特征化高频颤动事件
在为期六天的短周期仪器部署期间，我们手动检测到了大约50次12–15 Hz范围内的高频颤动事件，持续时间从几分钟到半小时不等（见图3.1和图4.2）。虽然Cannata等人（2010年）、Heleno等人（2006年）、Matoza和Fee（2014年）以及Reiss等人（2023年）在不同火山上报告了10 Hz以下频率的火山颤动，但在如此高频率下记录到颤动仍然较为罕见...
地震-声学相关性的变化性
如之前的案例研究所示，12–15 Hz频率的地震颤动与3–5 Hz频率的声学信号之间存在潜在的相关性，但并非所有案例都一致。为了更好地说明联合分析地震和声学数据时遇到的复杂性和变化性，我们绘制了感兴趣频率范围内10分钟不重叠时间窗口的中值地震和声学振幅对比图（图6.1）。
火山颤动的驱动机制
上述例子展示了高频颤动信号的复杂性，这些信号具有复杂的地震-声学比和时间演变特征。在如此高的频率下恢复火山颤动本身就是一个罕见的发现，仅有少数例外，如Cannata等人（2010年）或Heleno等人（2006年）报道的高频颤动信号。我们的研究结果表明，高频颤动可能在不同的情况下产生...
结论
我们提供了来自埃特纳火山山顶地区的地震-声学数据集，其中包含了12–15 Hz范围内较少见的高频短时颤动事件。这些颤动信号显示出显著的地震-声学振幅比变化，表明触发高频颤动的可能机制多种多样。因此，仅靠排气作用可能无法解释所有高频颤动的发生。我们提出，准脆性...
作者贡献声明
莫里斯·韦伯（Maurice Weber）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、概念构建。克里斯托弗·J·比恩（Christopher J. Bean）：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构建。伊万·洛克默（Ivan Lokmer）：撰写——审稿与编辑、监督。西尔维奥·德安杰利斯（Silvio De Angelis）：撰写——审稿与编辑。卢西亚诺·祖卡雷洛（Luciano Zuccarello）：撰写——审稿与编辑。
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的研究结果。
致谢
我们要感谢IMPROVE欧洲地平线2020研究与创新计划的支持，该计划资助了本次数据采集工作。此外，还要感谢2022年夏季在埃特纳火山进行野外考察期间提供帮助的Vittorio Minio、Elisabeth Glueck、Regina Maass和Eleanor Dunn。同时，也要感谢Ka Lok Li在阵列配置设计方面的协助。还要感谢以下两个项目：“Progetto...”
