通过综合监测揭示了平成新生山熔岩穹丘的长期变形和表面变化

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Long-term deformation and surface change of the Heisei-Shinzan lava dome revealed by integrated monitoring

　　大桥隆人（Rikuto Daikai）| 克里斯托弗·戈麦斯（Christopher Gomez）| 本田纪文（Norifumi Hotta）| 真野原嘉典（Yoshinori Shinohara）
日本神户大学海洋学研究生院、沉积灾害与灾害风险实验室，神户658-0022

**摘要**
云仙火山的平成新山熔岩穹丘至今仍是一个潜在的危险源，因为在其喷发结束后，变形和表面变化持续了很长时间。在这项研究中，我们整合了地面合成孔径雷达（GBSAR；2013–2025年）、电子测距（EDM；2007–2025年）和多时相数字高程模型（DEMs；2011–2024年）的数据，以调查该熔岩穹丘的长期喷发后变形和十年尺度的地形变化。这些综合数据记录了持续性但空间异质性的视距（LOS）位移，表现为监测区域内的多种时间模式，同时记录了累积的地形改变以及2011年至2024年间大约11,600立方米的净表面损失。由于GBSAR和EDM仅测量视距位移，因此对运动几何的解释需要谨慎。局部正向或接近零的视距趋势应被解释为表面运动的投影效应，而非真正的抬升证据。结合DEM数据来看，观察结果表明平成新山熔岩穹丘的长期演变涉及表面逐渐退化以及内部结构的调整。尽管在研究期间没有记录到灾难性的崩塌事件，但长期的变形和地形变化始终存在。这些结果强调了综合长期监测在提高长期存在的熔岩穹丘稳定性评估和危险性评估中的重要性。

**引言**
熔岩穹丘是高黏度岩浆在火山口或其附近堆积形成的陡峭结构。它们的形态和力学行为反映了岩浆流变学、挤出速率、冷却历史、渗透性演变以及内部断裂之间的相互作用，这些因素共同决定了熔岩穹丘是作为一个相对连贯的体块生长，还是演变成一个结构上异质且容易失效的建筑（Fink和Griffiths，1998；Fink和Anderson，2000；Voight，2000；Giordano等人，2024）。由于熔岩穹丘的生长通常会导致斜坡过陡、断裂网络的形成以及不同程度的角砾化和焊接作用，因此它们本身就容易受到重力不稳定的影响（Voight，2000）。失败可能发生在活跃的挤出过程中，但即使挤出结束后，由于被动崩塌和熔岩穹丘表面的逐渐退化，不稳定性也可能持续存在，其时间和方式还受到机械异质性、地形环境、材料性质和热液变化的影响（Harnett等人，2019；Harnett和Heap，2021；Heap等人，2021；Carr等人，2022）。关于熔岩穹丘崩塌的经典文献主要集中在喷发期间的失败现象，其中挤出、内生压力和重力载荷共同作用引发了崩塌及相关火山碎屑流（Calder等人，2002；Sparks等人，2002；Hale等人，2009）。然而，岩浆挤出的结束并不一定意味着机械上的稳定。越来越多的证据表明，喷发后的熔岩穹丘在喷发间歇期或喷发后的不稳定状态下仍然具有危险性，即使喷发活动减弱后，崩塌的可能性仍然存在（Spiller等人，2020）。在西纳邦火山，被动崩塌和熔岩穹丘表面的退化在喷发后仍然持续，表明即使没有新的挤出事件，危险的崩塌也可能发生（Carr等人，2022）。类似的长期喷发后演变现象也在圣海伦斯山有记录，该火山的熔岩穹丘在2004–2008年喷发周期结束后继续发生变化，包括显著的沉降（Sobolewski等人，2025）。尽管取得了这些进展，但对于熔岩穹丘的长期喷发后演变了解仍然相对有限，特别是在挤出驱动力减弱后，重力调整、表面退化和结构异质性如何相互作用方面（Harnett等人，2019；Spiller等人，2020）。

日本云仙火山的平成新山熔岩穹丘为此类研究提供了一个极好的自然实验室。该熔岩穹丘形成于1991–1995年的云仙-福根岳喷发期间，这次喷发伴随着反复的重力崩塌和毁灭性的火山碎屑流（Nakada和Fujii，1993；Nakada等人，1999）。尽管岩浆挤出在1995年停止，但三十多年过去了，该熔岩穹丘仍然完整地存在于陡峭的山顶斜坡上，而没有完全被破坏或转变为一个稳定的低起伏残余体。先前的研究和持续监测表明平成新山熔岩穹丘的变形和表面不稳定性仍在继续（Matsushima和Takagi，2000；Hirakawa等人，2018；Shi等人，2018）。这种异常长的存续状态使云仙火山成为研究熔岩穹丘在喷发阶段结束后是否以及如何保持运动活性的理想对象。

**研究方法**
此类研究的一个关键挑战是大多数变形监测技术只能提供部分三维运动的约束。特别是EDM和干涉雷达技术只能记录沿视距（LOS）的位移，因此观测到的信号仅代表了可能更复杂的三维变形的投影。在陡峭的火山斜坡上，视距变化可能反映了向下、侧向或旋转运动，而不仅仅是垂直抬升或沉降。这种几何限制是根本性的，在解释火山运动时必须予以明确考虑（Schaefer等人，2019）。同时，基于视距的观测仍然非常宝贵，因为它们可以解析微妙的位移模式、识别空间异质性，并检测不稳定性的时间变化，特别是当与互补的地形和地貌信息结合使用时（Di Traglia等人，2018；Di Traglia等人，2021）。地面合成孔径雷达（GBSAR）特别适用于这项任务。在过去二十年里，由于其高位移灵敏度、密集的空间采样和快速的重复观测能力，它已成为不稳定斜坡、火山壁和熔岩穹丘环境的成熟且经过广泛验证的监测技术（Monserrat等人，2014；Schaefer等人，2019）。在火山环境中，GBSAR已被证明有助于追踪崩塌前的变形，并将雷达观测与地震或地貌数据结合起来，以表征演变中的不稳定性（Di Traglia等人，2018；Calvari等人，2016）。然而，跨越十多年的长期喷发后GBSAR记录相对少见，尤其是当与独立的测量和多时相地形数据结合使用时（Di Traglia等人，2021）。没有任何一种方法可以单独充分描述长期存在的熔岩穹丘演变。GBSAR提供了空间连续的视距变形，但无法唯一地重建完整的位移矢量。EDM提供了在固定目标处的长时间、精确的视距记录，当从多个站点观测时，有助于确认雷达得出的趋势的一致性。多时相数字高程模型（DEMs）则提供了表面降低、沉积和体积变化的独立证据，从而将变形信号与地貌表现联系起来。整合这些数据集为评估持续的不稳定性提供了比单一数据集更坚实的基础，同时仍需仔细关注每种测量方法的几何和方法学限制。

**研究内容**
本研究通过整合2013年至2025年的GBSAR观测数据、2007年至2025年的EDM测量数据以及2011年至2024年的多时相DEM数据，来研究平成新山熔岩穹丘的长期喷发后演变。我们没有试图仅从视距数据重建一个独特的三维运动场，而是利用这些互补的数据集来评估熔岩穹丘内的持续变形和地貌变化。我们采用了一种基于块的分析框架，将熔岩穹丘表面划分为形态不同的单元，从而可以明确地检查空间变化的变形模式。本研究的目标是：（1）量化平成新山熔岩穹丘的长期变形；（2）使用块级分析评估变形的空间变异性；（3）评估这些观测结果对熔岩穹丘喷发后稳定性和危险性的影响。通过这种方式，我们展示了如何通过长期综合监测来约束持续的不稳定性，并澄清基于视距的熔岩穹丘演变观测的固有限制。

**云仙-福根岳的位置和地质背景**
云仙-福根岳（32.761° N, 130.299° E；海拔1483米）是位于日本九州西部岛根半岛中心的活安山岩-英安岩层状火山（图1a）。该火山体位于别府-岛根裂谷内，属于妙见破火山口的东缘，长约20公里（东西向），宽约25公里（南北向），包括多个熔岩穹丘、厚厚的熔岩流以及相关的火山碎屑和火山碎屑沉积物（Hoshizumi等人，1999）。

**分析框架概述**
本研究整合了三个独立的数据集——地面合成孔径雷达（GBSAR）、电子测距（EDM）和多时相数字高程模型（DEMs）——来研究平成新山熔岩穹丘的长期喷发后变形。每个数据集为熔岩穹丘的演变提供了互补的约束：GBSAR解析了空间分布的视距（LOS）位移，EDM提供了来自不同观测方向的精确点基视距测量……

**结论**
本研究整合了长期的GBSAR、EDM和多时相DEM观测数据，以研究平成新山熔岩穹丘的喷发后演变。综合数据记录了持续性但空间异质性的变形，表现为多种基于视距的时间模式，以及研究期间的累积地形改变和净表面损失。这些观测结果表明，熔岩穹丘在喷发后的演变通过渐进的、空间变化的过程持续进行……