科学家可能找到了阻止意大利超级火山苏醒的方法

自2022年以来，意大利南部经历了越来越强烈的地震群，使坎皮佛莱格瑞火山地区的数十万人面临危险，该地区的地表缓慢起伏。随着官员们继续权衡疏散计划和灾害应对策略，研究人员可能已经找到了一种阻止这种反复发生的动乱的潜在方法：管理地表水径流或降低地下水位以降低地热储层中的流体压力。

斯坦福大学的科学家利用地下成像和实验室实验证明，当盖层（或表层）被封闭时，坎皮佛莱格瑞火山下方滞留的水和蒸汽产生的压力可能会引发地震。这项研究发表在《科学进展》杂志上，发现这种压力的积累是20世纪80年代初以及最近15年间地震活动和地面变形的原因，这使得研究小组发现了关键的驱动机制。

这些结果挑战了长期以来的观点，即该地区的地震是由岩浆或气体从较深的熔融区上升到地表引起的。相反，这项研究揭示了水逐渐补给水库是如何随着时间的推移影响土地变形和海拔变化的。

“为了解决这个问题，我们可以管理地表径流和水流，甚至可以通过从井中抽取液体来降低压力，”资深研究作者、斯坦福杜尔可持续发展学院地球与行星科学副教授蒂齐亚娜·瓦诺里奥 (Tiziana Vanorio) 说。

坎皮佛莱格瑞火山区位于波佐利镇地下，摄于2018年。20世纪80年代，火山快速隆升导致该镇港口水深过浅，无法停靠船只。图片来源：库尔特·希克曼

研究人员分析了坎皮佛莱格瑞最近两次动乱时期地下结构和地震成像中反复出现的模式和共同特征。此次动乱以陆地隆起和类似爆发的震动为特征，并伴有已成为当地居民标志性特征的隆隆声。科学家们怀疑，这种活动预示着蒸汽驱动的爆炸，这种爆炸是由地震引起的断裂过程中液态水迅速闪蒸成蒸汽引发的。这项研究涵盖了1982-1984年和2011-2024年动乱的数据。

“我们一直在观察相隔几十年发生的事情，但成像结果却显示出深刻的相似性，这不仅表明该现象具有周期性，也表明存在一个共同的根本原因，”论文合著者、意大利那不勒斯费德里科二世大学研究员、斯坦福大学访问学者格拉齐亚·德兰德罗说道。“从那时起，我们就有了合作的想法，尤其是在岩石物理学方面的研究。利用岩石物理学是定量分析地下成像的唯一方法。”

坎皮佛莱格瑞火山区位于那不勒斯和维苏威火山以西的波佐利镇地下，拥有一个覆盖式地热储层。自1982年至1984年骚乱以来，该地区一直受到持续监测。当时，地表上升了超过6英尺（约1.8米），波佐利港的水位变得非常浅，船只无法停靠。此后，一场4级地震和数千次微震迫使4万人从波佐利撤离。

从相反角度拍摄的照片，相隔180度。从左侧2016年的一个小型天然泉池，到2024年一个宽阔的充满水的盆地，这组照片捕捉到了地震活动后地热系统流量的稳步增长——这是坎皮佛莱格瑞水动力活动加剧的清晰视觉证据。到2024年，围栏的木杆将被淹没在水下。图片来源：从左到右：Alessandro Gandolfi、Tiziana Vanorio

“过去三年来，这一直是一个挑战。许多建筑物因持续的地震而受损，有些人无家可归，”在波佐利长大、于20世纪80年代被迫撤离的瓦诺里奥说道。“这个项目现在不仅是作为一名地球物理学家，更是作为一名公民的目标，因为这项研究表明，骚乱是可以得到管控的，而不仅仅是监控，这为预防骚乱开辟了道路。”

坎皮佛莱格瑞火山口宽约8英里，是一个巨大的洼地，由大约3.9万年至1.5万年前的大型火山喷发形成，导致地表塌陷。即使没有火山喷发，坎皮佛莱格瑞火山口也会经历隆起和沉降，地表也会上升和下沉。在1982-1984年的动荡之后，该地区下沉了约3英尺。地表沉降的发生需要地下物质的释放，这些物质可能包括岩浆、水、水蒸气和二氧化碳。

波佐利的居民注意到火山口“呼吸”的方式，它释放出烟雾并移动地面，有时会在短时间内上升或下降数米。

自2015年以来，坎皮佛莱格瑞火山区地震的延时演变。地表上，地震震中最初聚集在波佐利-皮西亚雷利泉附近，水最终汇聚于此，汇聚至下游。随着时间的推移，地震范围逐渐扩大，覆盖水文流域内越来越宽的圆形区域，这与20世纪中期岩石和土壤物理实验的结果相符，实验中点源水以大致球形的模式扩散。数据来自西班牙国家地质和火山研究所（INGV）。图片来源：Tiziana Vanorio 和 INGV

历史上，火山地区的隆升被广泛认为与岩浆相关的补给过程有关，这种观点认为岩浆和/或其气体是地壳变形和地震的主要驱动因素——但根据这项研究的结果，情况可能并非总是如此。瓦诺里奥表示，虽然一些研究人员在过去十年开始探索降水与地震活动之间的关系，但这项研究澄清，导致地壳破裂的并非降水本身，而是水在密封水库中缓慢但稳定的积聚所产生的压力，最终导致了地壳震动。

“我们知道，过去 24 年来，降雨量的年变化一直在增加，因此需要监测地下水的蓄积量，或确保水径流的直接引导，”瓦诺里奥补充道。

坎皮佛莱格瑞火山的一个显著特征是地热储层顶部盖层的纤维性质。纤维材料在工程中用于结构加固，因为它们可以变形而不会立即断裂。它们可以积累应变，而这些应变在火山系统中最终可能通过过热水、蒸汽和火山灰的突然喷发而释放出来。

研究人员研究了24年来的降雨模式、地下水流向以及盖层封闭过程，以了解地热储层的补给及其压力积累。在瓦诺里奥的岩石物理和岩土材料实验室，他们演示了盖层裂缝是如何通过岩石矿物与热液和蒸汽的相互作用而封闭的。

位于地下水流向波佐利地区的地热井图片。图片显示，从2018年（左图）到2024年，水压水平明显上升。图片来源：从左到右：Terme di Agnano 和 Tiziana Vanorio

为了测试盖层的特性，研究作者使用一个热液容器进行了实验，该容器的功能类似于许多意大利人熟悉的工具：摩卡壶，即炉灶式浓缩咖啡机。他们在底部腔室中注入盐水，在顶部腔室中注入坎皮佛莱格瑞典型的火山灰和碎石，然后将容器加热到地热储层的温度。在一天之内，矿物纤维形成，岩层中的裂缝通过胶结作用迅速被封堵。

这就形成了一个封闭的系统，使流体压力不断积累，直至压裂周围的岩石。地震造成的压裂会导致流体压力突然下降，因为液态水会瞬间变成蒸汽逸出。“这会产生该地区典型的爆炸声和轰隆声，”瓦诺里奥说。

研究人员运用多种学科来揭示坎皮佛莱格瑞如何作为一个封闭系统运作，包括地下断层扫描，德兰德罗利用地震记录构建地下图像，可以像 CT 扫描一样进行分析。

“通过地球物理方法对地下进行成像就像老式的门铃：它告诉我们有人在按门铃，但不会告诉我们来者是谁。因此，断层扫描图像的解读必须在实验室中进行测试——这正是地震学和岩石物理学之间合作如此强大的原因，”瓦诺里奥说。

对断层扫描图像以及地震发生地点和范围的分析，进一步证实了研究人员的理论：反复出现的隆隆声可能并非由岩浆补充或系统气体喷发所致。在两次地震中，地震都始于盖层内部，深度相对较浅，约为1英里（约1.6公里）。

这张图展示了用于研究坎皮佛莱格瑞火山口碎裂岩石如何自我封闭并生长出微米级和纳米级矿物纤维的实验室装置。该装置（B）的工作原理类似于摩卡咖啡壶（A）：底部腔室代表地下储层，漏斗状过滤器容纳碎裂岩石（模拟盖层），下方的加热板模拟从地球深处升起的热量。在图像的底部，显微镜照片（G-H）显示了在实验室中形成的纤维状矿物，与坎皮佛莱格瑞天然盖层中发现的纤维状微结构（I）非常相似。图片来源：Tiziana Vanorio 和 Dolly Q. Mantle

“在对地震的时间演变进行可视化之后，你可以看到一个非常清晰的模式——地震随着时间的推移而加深，”论文合著者、地球和行星科学博士后郭天阳说，他将两次地震的数据结合起来进行视觉解释。

如果岩浆或其气体上升至较浅深度是地壳动乱的主要驱动因素，我们预期会出现相反的模式——地震始于更靠近较深熔融区域的地方，距离地表约5英里，并随着时间的推移逐渐变浅，研究人员表示。此外，瓦诺里奥表示，岩浆上升而没有火山喷发无法解释地壳动乱之后的沉降。沉降的一个合理解释是，地震活动导致地壳破裂后，水和蒸汽被排放出来，这自然会释放储层内的压力。

研究人员希望利用他们对坎皮佛莱格瑞内部运作的新模型，向意大利当地政府官员传达导致该系统动荡的机制。

“我称之为地质学上的完美风暴——它具备了引发这场风暴的所有要素：系统的燃烧器——熔融的岩浆、地热储层中的燃料以及盖层，”瓦诺里奥说道。“我们无法对燃烧器采取行动，但我们有能力控制燃料。通过修复水道、监测地下水和管理储层压力，我们可以将地球科学转向更积极主动的方法——例如预防性医疗保健——以便及早发现风险，并在动乱爆发之前将其阻止。这就是科学服务社会的方式。”

编译自/ScitechDaily