2011年耶罗火山喷发前的地震活动模式

I.Domínguez Cerdeña C.del Fresno A.Gomis Moreno

0 引言

在火山地区精确定位地震由于几个因素而复杂，包括建立全覆盖适当地震台网的固有难度、速度模型的不均匀性，以及大多数事件通常震级低（Carmona et al，2010）。这些问题往往在台网覆盖受到大小和几何形状或缺少进入通路的限制的火山岛屿更严重（López et al，2012）。震源和特别是地震双差重定位已被证明是分析如基拉韦厄火山（Got et al，1994；Gillard et al，1996）、苏弗里耶尔火山（Rowe et al，2004）和帕里库廷火山（Gardine et al，2011）地震活动的有力工具。这些技术可被用来提高地震活动的某些特征，甚至可以说明在以前目录定位中由于错误所隐藏的新特点（见Battaglia et al，2004；Cerdeña et al，2011；Shelly et al，2013）。

从2011年7月起，在耶罗岛南部2011年10月海底火山喷发前检测到不同的前兆信号（López et al，2012）。在这3个月的不稳定期间定位了约10 000个地震，全球定位系统台站记录到5cm的最大形变。此外，还检测到了其他火山信号，如地球化学异常（López et al，2012；Pérez et al，2012；Padilla et al，2013）。据西班牙国家地理研究所（IGN）的地震目录，地震活动开始于耶罗岛北部，深度为10～15km，但随后水平地向南迁移了20km以上，深度也增加到12～17km（图 1c）。10 月 8 日，该序 列ML4.3的最大地震发生在该岛南部海岸附近12km的深度。在随后的33小时期间，在该岛以南几千米的位置发生了50多个浅源地震（此后称 “喷发前的浅源地震”），震源深度为1～6km，震级为0.5～1.8。10月10日4时15分（世界标准时间），在这个地区检测到了清晰的火山震颤信号，说明火山喷发开始了。

图1 （a）突出显示耶罗岛的加纳利群岛。（b）2011年7月至火山喷发每个台站数据可获取量的总计。垂直虚线表示活动周期的开始。带灰色边的时间线表示本文所用的新数据。（c）耶罗岛火山喷发前M＞1.5的浅源地震的位置（用圆圈表示）。三角形表示地震台站的位置。南北方向的垂直截面（右图）和东西方向的垂直截面（下图）显示了地震的深度。主要喷发口的位置用白色叉号表示。此图的彩色图仅适用于电子版本

在本文中，我们应用重定位技术改善2011年耶罗火山喷发前发生的地震活动的震源位置。我们对计算误差和检查结果的稳健性提出了不同的测试。最后，我们给出地震活动性由重定位揭示的新特征并讨论结果。

1 地质背景

耶罗火山位于加那利群岛的西南边缘（图1a）。它是这个群岛最年轻的岛屿，其出露的最古老陆上岩石年龄据测定为1.12Ma（Guillou et al，1996）。该 岛 由4 000m深度的海底升起的盾形火山构成，最大高度为海平面以上1 500m。相当于3个阶段的3个主要周期形成了耶罗火山：蒂诺尔火山（1.12～0.88Ma）、埃尔戈尔福－拉斯普拉亚斯火山机构（545 176ka）和裂谷火山活动（158ka活动；见Carracedo et al，2001）。3个断陷当前都活跃，分别在该岛中心的西方、东北和南方。最近的研究表明，发生新喷发的最可能区域主要是西裂谷的西部，其次才可能是另外两个裂谷和全部裂谷的海底延长区（Becerril et al，2013）。

2 数据集和地震台网

在2011年7月地震活动开始之前，耶罗岛上仅有两个地震台站。在随后的几个星期，又临时架设了7个可实时数据传输的台站。改变地震台网不是获得均匀地震目录的最好方法；不过，这个台网的主要目的是监测火山，因此其设计不是由单纯的科学目标来确定（更多细节见López et al，2012）。

本文中我们使用了来自两个临时台站的额外数据，这些数据没能实时传输，所以不包括在原始地震目录中（图1c）。在7月和8月，CFAR台站布设在耶罗岛的西部，这样能大大提高该台网的覆盖范围。然而，最终由于通讯不畅，为达到监测目的，该地震仪被迁到CMCL站点。CCUM台作为临时台站运行了一个月，直到8月中旬才被改为实时传输台站。所有台站的运行时间见图1b，在耶罗岛的台站分布见图1c。实时传输台网的传感器特性描述见López等（2012）。在“无通讯”期间CCUM台站使用相同的配置；CFAR台站是一个自然周期为1s的垂直分量短周期台站。

表1 用于定位的速度模型和用于误差计算的变化速度模型

本文分析的数据集只包括地方震级大于1.5的事件，这种限制保证了结果的质量并避免了噪声数据的干扰。这个阈值使目录减少到3 600个地震，大约占全部事件的1／3。这个目录的定位误差在90%置信区间，均值为水平方向上4.7±2.1km，深度方向上4.3±1.8km。我们分析了地震目录中在ML4.3地震和火山喷发开始这段时间发生的54次喷发前的浅源地震。

目录事件由于非实时台站的数据补充得以完善。P波和S波到时通过人工拾取并结合所有已知震相相关的半自动方法选自CCUM和CFAR台站。这包括2011年8月底之前CCUM台站记录的1 000个事件和CFAR台站记录的1 500个事件。为了在后面的分析中包含所有可用的数据，对所有地震通过考虑大约5 000个新的P波和S波震相进行了重新定位。重新定位所用的速度模型是基于Dañobeitia（1980）研究结果的4层模型（表1），并且同样用于确定目录震源。

3 震群

用地震波形的相关性进行了地震分类。该方法已成功地应用到先前的火山构造地震活动研究，如有珠火山（Okada et al，1981）、云仙火山（Umakoshi et al，2008）、代塞普雄岛（Carmona et al，2010）和特内里费火山（Domínguez Cerdeña et al，2011）。波形类似的地震应该有非常相似的震源机制，并近似发源于相同的震源（Okada et al，1981）。

本文所用的方法与Domínguez Cerdeña等（2011）的方法相同，详细描述见该参考文献。使用6个不同台站的水平和垂直分量进行了相关性分析，以确保事件的相似性。所用的地震台站在地震活动期间运行时间最长（CTIG，CTAB，CTAN和CCUM 台站），并补充了2个其他台站（CFAR和CJUL），以提高台网的方位覆盖（见图1）。

对地震波形进行了2～8Hz的滤波。较低的截止频率避免在海岛产生的典型噪声（Braun et al，1996），而较高的截止频率确保不同大小的地震具有可比性。所有台站相关性分析选用的时间窗从P波到时之前2s到之后6s，从而保证了可对每个地震的P波和S波都能比较。为了得到最后结果，我们应用了阈值0.7的相关矩阵层次分析。虽然阈值较低，但是这个值与用类似相关性窗的其他工作所成功应用的阈值相似：0.68（Stephens and Chouet，2001）和0.6（Varley et al，2010；Domínguez Cerdeña et al，2011）。

结果表明存在大量显著震群（超过10个事件）。然而，前10个震群包含所有事件的50%（每个震群超过100个事件）。最大的震群包括333个地震。图2a，b显示出了6个较大的震群。这些震群的波形实例可在图S1～S6（本文的电子版附录）中找到。一般来说，属于各震群的事件按目录位置在同一个区域的进行分组；然而，属于同一震群的事件之间的距离在某些情况下超过了8km。每个震群中如此离散的地震使得我们有必要对它们的位置进行重定位。

4 重定位

4.1 方法

基于双差法用hypoDD算法（Waldhauser and Ellsworth，2000；Waldhauser，2001）对事件进行了重定位。该方法通过加权最小二乘使同一台站地震对的走时残差最小化来提高震源定位。对较大的数据集，我们结合了由人工拾取目录震相之间走时差的相关性计算的走时差。

震相之间的相关性，P波用2s的窗口长度（P波到达之前1s至到达之后1s）计算，S波用3s的窗口长度（S波到达之前1s至到达之后2s）计算。对每个走时差对考虑的权重用Got等（1994）所确定的权重。在重定位过程中只选用超过0.75的相关性。因为相同震群的地震预期来自于震源位置丛集处，我们计算属于同一震群所有事件对之间的相关性差异。此外，还包括震源距离小于3km的不同震群的事件对。在这种目录差异的情况下，我们只选择关联强（至少8个相同震相）和震源距离最大3km的事件。对目录震相赋予的权重依赖于手工拾取的质量，在4个不同的级别（1.0，0.2，0.1和0.05）确定。

最后，用于重定位的走时差总数约为600万个，包括目录走时差和互相关走时差。用于单个事件时间延迟的平均数为3 200个。记录到每个事件数据的平均台站数为6.5个，超过95%的事件在5个或更多的台站有数据。台站数与事件数的百分比直方图如图S7（见电子版附录）。为了避免结果受异常值的影响，删除了只有少量走时差的重定位地震（即少于400个走时差的75个事件）。用于hypoDD重定位的速度模型与国家地震台网原始地震目录（表1）中绝对定位所用的速度模型相同。重定位事件的总数为3 500个。重定位后目录走时差获得的平均残差约为103ms，波形互相关走时差获得的平均残差为29ms。

4.2 结果

6个最大震群的重定位结果在图2a，b中给出。大多数震群的位置得到明显改善，目录中震源位置6～10km的水平间距变成hypoDD重定位的3～4km。发现大多数地震的分布都比重定位前更狭窄和更浅。虽然南部的震群分布表现出最相关的改进，但北部震群也发生变化，而且出现内陆地震。在一些北部震群中，存在明显的北北西－南南东方向震中分布的趋势。

图2 （a，b）属于6个主要震群的地震的分布。无边界的圆形对应于目录中的地震位置，由hypoDD重定位的结果用带黑边的圆圈表示。事件的深度在南北方向（右图）和东西方向（下图）的剖面中显示。（c—h）下列各图表示对6个事件最多的主要震群误差的自助分析结果。点表示用100个样本计算后每个震群所有事件重定位的相对误差。上面的图显示的是水平向视图，下面的图显示的是事件深度的东西向剖面。椭圆中包含了90%的点。注意：震群5和6与前4个震群的尺度不同。此图的彩色版仅适用于电子版本

图3 给出了重定位的整体效果。重定位地震的完整列表见表S1（见电子版附录）。为了给出地震活动的特征，我们把整个时间序列分为10个不规则的时段。在第一周，该震群开始在耶罗岛（i—ii）中部（大致在27.7°N，18.08°W）活跃，到8月3日向北迁移了大约3km。从7月25日至8月25日（ii—vi），地震交替在东西两个方向（图3c）发生。这2个震群间的水平距离约为2km。西部震群区地震活动的特点是比东部地区有更多靠南的事件，且震源更浅和深度分布更宽（图3c）。在这个震群区的交替活动中，在东北震群区的地震活动重新活跃之前（vii）存在数天几乎没有地震活动的空区。9月4日，地震活动开始向南（viii）迁移；9月18日起，震群的深度增加到14～16km（ix）。在火山喷发前的最后时段（x），地震活动向东迁移且深度变浅（12km）。最后，在10月8日发生了最大的ML4.3地震，并可能触发了火山喷发（López et al，2012）。

火山喷发前浅源地震的分布清晰地表明，第一个事件发生在海平面以下2.6km，但随后的地震逐渐上升到700m的深度（图3b）。在这些震中围成的区域中，海洋测深深度从1 000到420m变化。重新定位的地震都发生在海底之下，最后的地震都非常接近海洋的底部。

图3 （a）使用hypoDD算法所得地震重定位的结果。虚线表示东西方向和南北方向上水平距离的零基准位置。灰色矩形表示喷发前浅源地震的活动区。（b）使用自助法计算的喷发前浅源地震重定位结果及其误差椭圆。图片上的刻度表示到火山口的距离。（c）这三幅下图给出了重定位地震在东西距离（上图）、南北距离（中间图）和深度（下图）上的时间演化。用灰白相间的背景突出显示了从（i）至（x）的显著周期。此图的彩色版仅适用于电子版本

图4 （a）速度模型对重定位不确定性的影响。本文使用的速度模型（黑线）超过100种不同的测试模型（灰线）。（b）90%置信区间各个事件震源位置的垂直向偏移（上图）和水平向偏移（下图）

4.3 误差估计

为了检验上述结果的可靠性，我们考虑3种不同的误差来源来进行详细的误差分析。

首先，我们检查由于时间延迟的不确定性所产生的误差。我们应用自助法来检查结果的可靠性（Efron，1982）。这种统计重采样方法包括使用自助采样重复N次重定位过程。通过对原始结果的时间残差进行随机扰动修改所有差分走时来构建每个自助样品（Waldhauser and Ellsworth，2000）。本文中我们用N＝100，并用由此产生的点分布计算每个事件90%的置信区间的误差椭圆。

用这种方法得到的偏差显示出两个明显不同的趋势。9月中旬之前的事件，所得的水平和垂直误差平均值分别为400m和100m；在该时间之后的地震，垂直误差中值下降至60m，水平向误差中值下降至90m。这种差异可能是临近喷发前地震台网改善的结果。在较浅的重定位事件中，水平和垂直误差分别为2.6km和600m。这些巨大的误差可能是由通过相关获得的双差数量较少造成的。

图2c—h显示了6个主要震群所有自助样本的定位结果。一般来说，北部震群（1，5和6）显示出比南部震群更大的误差（2，3和4）。这种差异可能与随时间的推移越来越多的地震台站加入有关联（图1b），因为北部震群对应的是第一个月的活动，而南部震群发生在序列的结尾。还存在的一个明显趋势是，北部震群的水平误差椭圆与震群的空间分布方向相同。

其次，我们使用刀切法（Efron，1982）测试了与台站分布相关的不确定性。该方法通过一次去除一个台站重复对整个数据集定位来确定误差。发现平均误差分别是东西方向为120m，南北方向为215m，垂向为75m。这比自助法计算的定位误差大4倍以上。虽然这样的误差基本上不会改变所得到的结果，但是让我们看到了台网分布的弱点，震群中的一些事件定位误差较大可能是由于方位角覆盖较差所致。

最后，我们还要检查速度模型的不确定性造成的误差。火山地区意味着存在显著的横向不均匀性，这就会导致在重定位中出现假象。我们检查了速度模型的变化和各层可能的倾角的影响。

为了测试速度变化的影响，我们使用相同的数据但不断改变速度模型的情况下运行hypoDD算法100次。速度变化（表1）的范围 根 据 同 一 群 岛 （García－Yeguas et al，2012）的另一个岛，即特内里费岛上观测到的异常选择。图4a给出了测试的全部不同速度模型。图4b给出了90%置信区间下100个重定位结果的水平和垂直误差相对于原始重定位结果的偏移量的时空演化。平均垂直偏移量为400m，平均水平偏移量为700m。只有2%的垂直偏移量大于1km；对于水平偏移量，这个百分比增加到20%。然而，在这两种情况中最大偏移量出现在地震活动向南迁的9月之前。这些值没有高到足以解释耶罗岛观测到的地震构造。当考虑不同的速度模型时，另一种可以观察到的效果是重定位结构的倾斜。我们已发现无论是在经纬度分布上还是在纬度－深度分布上最大倾斜均为3°。

速度模型两层之间边界的倾角会影响地震射线的离源角，甚至可能会产生比直达波更快的绕射波。这个倾角在hypoDD算法使用的速度模型中未予考虑，有可能导致地震分布的重要变化。因为这项工作最有争议的结果是在南部地区，因此我们选择那个地区的合成地震，来测试莫霍面南北方向（在原始模型12km的深度）上倾角对地震定位的影响。对于莫霍面以下的地震，几乎所有台站离源角的变化都小于10°，即使倾角为45°时也如此。对于莫霍面以上的地震，大多数台站产生绕射波的最小倾角大于25°。这两个测试的实例见图S9（可见电子版附录）。这些结果表明，要严重影响图3a中发现的地震几何结构，就需要地层有高和不现实的倾角，然而，这就应完成进一步的研究。

5 讨论与结论

使用hypoDD算法所得重定位的结果揭示了耶罗岛地震活动的新特征。第一个明显的发现是，在重定位之前震群不是像想象的那样开始发生在耶罗岛的北部。由于地震台站较少，7月17日至21日之间发生的地震活动定位不好。然而，14天期间（7月21日至8月3日），部分地震活动发生在靠近该岛的南海岸，直到它向北海岸迁移3km。

另一个有趣的结果是震群第一个月的活动期间在该岛北部存在两个交替发生的地震丛集。Domínguez Cerdeña等（2011）在特内里费岛发现了类似的地震活动行为，虽然两个丛集区相距很远。这些作者描述了在地壳强度不断变化条件下两个不同（但连接）的上升岩浆侵入体产生地震活动的情况。在我们的例子中，各震群的间距随时间越来越大（图3c），可能表明侵入体不断扩大。交替出现的震群也可以解释为围绕同一膨胀岩浆体的断层发生连续破裂。

另一个显著结果是在原始地震目录中观测到的南部事件深度加深的现象得到验证。López等（2012）提出，这种现象可能由台网分布或速度模型的横向变化产生。我们进行了不同的测试，以检查震源重定位的稳定性。结果表明，台网布设和速度模型的不确定性都不会在南部地震深度上导致如此大的增加。对存在的速度层的倾角也进行了测试，结果显示对莫霍面下方地震重定位的影响较低。南部事件14km的深度与喷发过程中抛射物的岩石学研究比较吻合（Meletlidis et al，2012；Martí，Castro et al，2013）。

在喷发前的浅源地震活动中观测到了明显的向上迁移，但这些地震的成因仍然不清楚。一方面，震中位于最终主喷发口以南3～5km处，对此 Martí，Pinel等（2013）认为，可能说明火山喷发是在这一地区开始，并且随后喷发裂隙朝向主喷发口开裂。另一方面，浅源地震活动出现在深度2.6km的4.3级地震23分钟后，距离以前的地震活动超过13km。如果ML4.3地震致使岩浆管道张开（López et al，2012；Martí，Pinel et al，2013），而且浅源地震是岩浆上升的结果，那么岩浆上升的速度应该为10m／s。这个值似乎太高，因为岩浆快速上升的速率在玄武火山中只能达到1.7m／s左右（基拉韦厄火山，Klein et al，1987）。如下这两种假设只有一种是对的：不是ML4.3地震并未触发岩浆上升，就是浅源地震并不反映岩浆上升期间的位置。由于85%的岩浆上升通道是无震的，我们给出了两种解释：不是浅源地震是岩浆上升和脱气引起压力增加导致地壳浅层应力场变化的结果，就是ML4.3地震发生之前岩浆已经上升了。

总之，我们大大改善了2011年耶罗岛火山喷发前震群的震源位置。我们的研究结果揭示了一些新的特点，这对理解导致海底火山喷发的岩浆运移过程具有特别重要的意义。然而，有些事实，如岩浆快速上升到海面并未诱发地震，至今仍然无法解释。

数据与来源

地震原始目录，包括震相，来自国家地震台网（IGN），可 见 http：／／www.ign.es／ign／layoutIn／volcaFormularioCatalogo.do（最后访问时间2013年7月）。地震目录中地震的定位使用了LocSat算法（Bratt and Bache，1988）。这项研究使用的地震记录图由国家地震台网的火山监测组收集，在这篇文章的提交时不方便向公众开放。耶罗岛火山活动的信 息 可 以 浏 览 http：／／www.ign.es／ign／layout／volcaVolcanologia.do（最后访问时间2013年7月）。

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