我们用声音探测圣托里尼火山 了解地表下面发生了什么

地中海的圣托里尼岛几千年来一直吸引着人们。今天，在深海湾的悬崖上观看太阳落山，周围环绕着钴蓝色的教堂和白色的房屋，感觉很神奇。这个神秘的地方每年吸引大约200万游客，使其成为希腊最受欢迎的目的地之一。

并非所有参观者都认识到圣托里尼岛是一座活火山。公元前1630年，火山爆发并坍塌，留下一个近乎圆形的洞。这是一个火山口 - 今天可以看到一个充满海水和悬崖的海湾。大爆炸覆盖了一个青铜时代的城镇，将建筑物埋在两层深的火山灰中。

在最新的熔岩流喷发在1950年，并扩大了在火山口的中心已经长大的岛屿。最近，在2011 - 2012年，火山经历了一段动荡时期。地面膨胀起来，发生了许多小地震。科学家得出结论认为，在火山口北部约2.5英里(4公里)处注入了少量岩浆。

吸引我到这个标志性地方的是大部分火山都淹没在水下。我是一名地球物理学家，对岩浆如何深入地球感兴趣。在过去的十年中，我一直在使用先进的技术来改善我们“看到”岩浆在世界各地火山下隐藏的通道的方式。

希腊的圣托里尼群岛构成了一座火山的周边，其最近一次大爆炸发生在大约3400年前。现在火山口状火山口的中心充满了海水。图片来源：NASA / GSFC / METI / ERSDAC / JAROS和美国/日本ASTER科学团队，CC BY

用声音看看表面下面是什么

在19世纪80年代，法国科学家费迪南德·富凯(Ferdinand Fouquet)前往圣托里尼(Santorini)观看正在进行的火山喷发。他是第一个意识到火山表面凹陷被称为破火山口的人。当火山喷发期间岩浆从地下水库中排空时，覆盖它的岩石顶部坍塌了。火山的侧翼仍然形成今天在水面上可见的岛屿环。

我的研究项目旨在从字面上深入研究，而不是我们从表面看到的，以弄清楚这座仍然活跃的火山内发生了什么。除了圣托里尼火山顶部以外的所有东西都有一层水，这意味着我可以使用深穿透的海洋声源“照亮”地下结构。我的国际合作者和我想找到岩浆收集的位置和深度以及现在有多少岩浆。

我们从美国海洋地震船R / V Marcus Langseth开展了我们的工作。它是唯一具有能够成像火山深处内部的声源的学术船。由于大声音对海洋野生动物的潜在影响以及石油勘探公司的大量使用，这项技术仍存在争议。

我们花了几个月的时间做环境许可，并找到了实验的最佳设计。该船载有一支经验丰富的生物观察员小组，他们对水上和水下的海洋进行了对声敏或濒危物种的调查。如果在远处观察到任何一个，我们应遵循一套规定的行动，以确保它们不会受到干扰。尽管如此，在这次准备之后，我们在探险期间几乎看不到任何野生动物。

我们的“主动源地震成像”方法就像制作地球内部的CAT扫描图像。但是，我们不是使用X射线建造图像，而是使用由36个沉重的金属罐(称为气枪)产生的声波，这些气囊被拖到船后面的水深处。当气枪打开时，压缩空气推动海水，产生穿过地球的声波。

在这种情况下，声音穿过火山下方的岩石。然后当声音到达时，地震传感器停留在火山另一侧的海底上。该团队在陆地上，圣托里尼岛和附近岛屿上安装了65个这样的站点，并将另外90个站点丢弃到海底。

我们必须使用非常精确的时间来测量声能通过火山不同部分所需的时间。来自声源的能量将通过破碎或炙热并含有岩浆的岩石更慢地传播。当我们从许多不同的方向和许多不同的深度探测结构时，我们可以恢复地球内部的详细图片。

为了从海底获取数据，我们向传感器发送一个特殊的声音信号 - 就像一个鸟叫 - 它命令仪器放下它的锚。然后每个人都在扫描大海寻找乐器。在白天，我们寻找一个欢快的橙色旗帜，在夜间闪光灯使这项任务更容易。我们的船在仪器旁边操纵，机组人员从侧面倾斜，将仪器挂在长杆上并将其拉回到船上。数据在手。

填写地下图片

分析地震数据是一项艰巨的任务。它需要博士的经验丰富的检查。学生Ben Heath和硕士生Brennah McVey。然后我们使用地震层析成像来制作圣托里尼岛地下结构的第一个详细“照片”。术语断层扫描来自切片的希腊语单词“tomos”和绘图的“graphos”。基本上复杂的计算机代码基于通过其传播的速度声波来制作感兴趣对象的三维数字模型。

令人惊讶的是，我们在圣托里尼岛广阔的火山口发现了一片狭窄的坍塌岩石区。对圣托里尼火山喷发的地质研究并没有让我们预料到火山口北部会有一定数量的岩石，声音传播得更慢。相反，我们认为整个破火山口将在浅深处填充这种类型的破碎岩石。我们的发现意味着火山口的倒塌部分比从表面看起来更窄更深。

与6英里宽(10公里)火山口的大小相比，这列被破坏的岩石相距不到2英里(3公里)。该结构落入海湾底部2英里(3公里)的地面。这些岩石必须包含大量充满水的空隙，以充分减缓我们记录的地震能量。

为了弄清楚这个独特的破碎岩石是如何形成的，我们借鉴了圣托里尼最近大爆炸的现有知识，公元前1630年的青铜时代晚期喷发。当岩浆从地下爆发时，它导致上覆的岩石破碎。与此同时，当岩浆和水接触时，地下爆炸使岩石破碎。然后，在这个坍塌的柱子上方，海底凹陷充满了火山爆发本身的多孔火山沉积物。最后，整个海湾下降，迅速的洪水形成了海啸波。

我们的研究结果特别令人感兴趣的是，岩浆继续在破碎的岩石柱下方直接积聚 - 在最初形成火山口的爆炸后数千年。我和我的同事们认为，在坍塌的柱子里破碎的岩石重量减轻之后，上升的岩浆停了下来。

我们的研究有助于解释在主要火山爆发后岩浆系统如何重置和再生。