论文分享:帕里库廷火山附近的反复地震群：墨西哥米却肯-瓜纳华托火山区一座新的单成因火山诞生的前兆？

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  Paricutin于1943年2月20日出生在玉米地，其活动持续了九年多，直到1952年3月4日。我们在这里使用“出生”一词，因为它经常用于单成因火山。在我们的案例中，在1943年新的帕里库廷火山突然出现之前，玉米地里没有火山，这是一个诞生。这一分类法也被用于三本书：《墨西哥帕里库廷火山的诞生和发展》、《帕里库廷：墨西哥玉米地的火山》和《火山》。Paricutin锥主要在其活动的第一年生长，两个喷口在东北-西南方向与锥对齐（图2，UNAM-IGEOL 1945）。
El Astillero和El Pedreal单成因火山相距约3.5公里，形成于公元500–700年左右的同一喷发期间。它们位于Tancítaro的西南下斜坡上，距离其顶峰约15公里，距离Paricutin的西南约25公里。Paricutin、El Astillero和El Pedregal以及Tancítaro的顶峰也沿东北-西南方向排列，并位于以陡崖为标志的主要断层沿线（图2）。这条北东-西南走向的断层及其附属系统可能被穿过地壳最后几公里上升的岩墙用来为这些喷发提供能量。
由于El Astillero、El Pedregal和Paricutin彼此非常接近，与同一区域断层有关，并且都是在近代（分别为公元500-700年和1943年）诞生的，因此该地区仍然显示出活动迹象并不奇怪，这里检查的地震群表明该地区新的单成因火山很有可能诞生。
MGVF中火山的熔岩和火山灰岩成分显示出从玄武岩到流纹岩的巨大多样性。然而，大多数产品都是安山岩，并遵循钙碱性趋势。岩石的主要元素和微量元素差异很大，同位素组成揭示了一个复杂的起源，该起源于一个不均匀的地幔楔，受到显著的含水俯冲作用和少量地壳污染的影响。这些成分被认为是几个单独的小岩浆批次上升的结果，这些小岩浆批次在地幔深度的新岩浆批次侵入它们并触发它们的快速上升和随后的喷发之前，在中/上地壳中停滞。这一过程也与它们不同的晶体car-gos以及喷发过程中成分的变化相一致。当喷发持续数年时，这一点尤其明显



图2 Tancitaro Stratovolcano和晚全新世单成因火山Paricutin、 El Astillero和El Pedregal、El Jabalí、El Metate和Janamo。地震群和当地地震台网。红色椭圆显示了2020年地震群。还指出了乌鲁阿潘市以及Tancitaro和Paracho市。1997年（蓝色）、1999年（绿色）、2006年（黄色）和2020年（红色）安装的地震仪（倒三角形）和相应地震群（点，相同颜色代码）的位置
•1997年：由5宽带组成的临时局部地震网络地震仪。PERI被转移到PASO，SNIC在安装其他四个站一周后被添加。1997年3月2日至15日252次地震的地点
•1999年：由四个宽带地震仪组成的临时本地地震网络（实验期间移动了两个）。1999年6月4日至7日89次地震的地点
•2006年：由10个宽带地震仪组成的临时本地地震网络。2006年5月28日至6月29日期间143次地震的地点
•2020年：由5台宽带地震仪组成的临时本地地震台网。2020年2月2日的地震地点

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方法论：
  在过去的25年里，在1997年、1999年、2000年和2006年，在Tancítaro和Paricotin之间探测到了六个地震群，以及在2020年和2021年。然而，记录这些震群的地震网络的几何形状各不相同。此外，用于定位地震的速度模型和方法也不同，导致在比较结果时存在一些困难。因此，我们重新处理了原始地震数据，并使用相同的方法重新定位了1997年、1999年、2006年和2020年震群的地震。2000年和2021年的震群没有被当地的临时地震网记录下来，因此没有在这里进行再处理。对于1997年和1999年的地震群，在它们被记录之前，使用STA/LTA技术（在短时间窗口和长时间窗口上计算的信号绝对振幅的平均值之间的比率）自动检测事件，而对于2006年和2020年的地震群来说，检测是根据连续记录的数据手动进行的。最大地震的P波和S波到达时间是由同一个人为所有研究的震群手动选择的。这是必要的，因为许多来自早期地震群的原始采集已经丢失或变得不可用，并且需要相同的采集标准来比较所有地震群的最终位置。我们通过应用广义Wadati图测试来检查读数是否存在可能的误差（所有地震站每次地震的P波和S波到达时间之间的双重差异）。如图3所示，这种广义Wadati图测试还允许通过假设该比率在过去25年中保持不变来计算所有数据集的Vp/Vs=1.71比率。独立地，我们从Spica等人的区域地震噪声层析成像中提取了局部速度模型（见表1）。我们发现，表面和10km深度之间的建模平均Vp/Vs=1.70几乎与推导的1.71比率相同。注意，Vp不是在断层扫描中直接测量的，而是从断层扫描中测量的Vs值和Vp和Vs之间的Brocher多项式关系推导出来的。对于介于2.2和4 km/s之间的Vs值，Brocher关系式给出a Vp/Vs~1.70,对应于深度在3到30km之间的预期值。我们使用HYPOINVERSE-2000代码，使用该速度模型重新定位了1997年、1999年、2006年和2020年震群的所有地震。由于记录的数据质量好（信噪比高），所以数据没有失真。用于地震深度的零位是海平面。由地震台站的近距离及其数量（≤5）得出的小震中距离产生了一个小的均方根（RMS）误差，通常小于0.1 s。1997年、1999年、2006年和2020年的震群也采用了同样的方法，使我们能够比较震源的纬度/经度及其深度。






表1  从本研究中使用的3D地震噪声层析成像中提取的3D速度模型。我们认为常数Vp/Vs=1.71（见图3）





图3 广义Wadati图：1997年、1999年、2006年和2020年震群的每对地震台（8147个组合）之间的S波到达时间（ts）之间的差值与P波到达时间之间的差值。该图的斜率产生Vp/Vs＝1.71的比率。垂直的颜色条显示点数

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地震地点
1997年、1999年、2000年和2006年的地震群
  墨西哥国家地震局国家地震网络于1997年2月首次探测到地震群。2月21日出现了活动高峰，发生了5次局部震级在3.9至4.0级之间的大地震。这导致SSN从3月1日起安装了一个由五个宽带地震仪组成的本地地震网络（图2中的蓝色倒三角形），该网络一直运行到3月18日地震活动停止后被拆除。我们使用至少四个地震仪（图2和图4中的蓝点）重新定位了252次地震。这些是在1997年3月2日至15日期间发现的。
  1999年的地震网络由SSN安装，包括四个宽带地震仪（图中显示了六个）。2是因为在地震群期间，两个被移到了其他位置。我们定位了1999年6月4日至7日的89次地震，如图2和图4中的绿点所示。这些数据尚未公布。
  2000年的火山群最早被塔尼塔罗火山和帕里库廷火山周围的当地居民注意到，后来墨西哥负责监测火山的国家预防中心（CENAPRED）也进行了报道。不幸的是，当地临时地震网络没有记录到这个震群。因此，我们无法在这里显示这个震群的位置，但它们似乎大约位于1997年的震群附近
  对于2006年的震群，我们使用了最近的十台MARS宽带地震仪。这些是图2中的黄色倒三角形。MARS数据可在美国地质调查局地震灾害项目网站上获得：https://earthquake.usgs.gov/.最近的地震站位于距离震群15-20公里的地方，四个地震站位于<60公里的地方。我们处理了2006年5月28日至6月29日发生的143次最大、位置最好的地震。





图4 1997年（蓝色）、1999年（绿色）、2006年（黄色）和2020年（红色）地震群的地震位置

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2019-2020年地震实践和2020年地震群
  我们于2019年12月10日在1997年、1999年、2000年和2006年震群震中附近的位置安装了一个120秒QA Nanometrics宽带地震矩计（带宽在120秒和145赫兹之间）和一个半人马座采集系统（图2和4）。该装置的目的是确定该地区小震级地震群的频率。安装后仅25天，2020年的地震群就开始了。一旦SSN探测到第一次地震，就在Tancítaro周围安装了四个额外的宽带地震仪（图2）。两个是Nanometrics Trillium 120 s QA仪器，带有Centaur Nanometrics24位采集系统，一个是Nanomitrics Meridian紧凑型120 s Posthole，两个是Guralp CMG-40 T 60 s，带有CMG-DAS Guralp 24位采集系统。在实验开始时将采样率设置为200Hz，并在2个月后切换到500Hz。这些站点具有全球定位系统时间同步功能，但由于该地区缺乏设备和数据传输困难，无法进行实时数据传输。在这里，我们展示了第一批安装的三台地震仪检测到的2020年2月2日的475次最佳位置地震，它们有非常清晰的P波和S波记录（见图5中的一个例子）。在该数据集中，P波在南北和东西水平分量上非常微弱，因为地震几乎直接发生在台站下方。这使得很难通过使用来自单个台站的P波来确定地震的方位角（从而定位地震）。出于这个原因，我们在这里只显示使用这三个本地站的数据获得的位置

2021年的地震群
  2021年5月30日至9月3日，SSN记录到一个额外的地震群，位于图2的红色轮廓内。然而，由于附近缺乏地震仪，相关的位置误差大，以及难以使用相同的方法，这些数据没有在这里进行处理。这意味着结果将无法与1997年、1999年、2006年和2020年地震群的位置进行比较。
  我们在表2中总结了所有六个地震群的主要特征。没有给出每个震群的地震次数，因为这在很大程度上取决于地震仪的数量、位置和检测方法。所有地震群的深度主要在8到17 km之间（图4），最大震级为3.9到4.2，典型持续时间为1个月，尽管2020年和2021年的最后一个地震群的深度更长，这两个地震群的震级最高，时间间隔最小（表2）。


表2 过去地震群的日期、持续时间和最大震级


图5 三个台站记录的1小时29分钟的地震（2020年2月2日）原始数据示例。TA01=埃斯孔迪达，TA02=圣洛伦佐，TA03=杜拉锌

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详述
地震群的相似位置
  1997年、1999年、2000年、2006年和2020年的震群是由不同的地震网络、不同的地理结构和不同数量的台站记录的，最初使用不同的速度模型和不同的人进行处理。为了比较不同震群的地震位置，不仅要像这里所做的那样应用标准方法，而且要进行误差估计。此类错误主要取决于：

•地震仪的数量（如图6所示）；

•它们相对于地震活动源的空间分布（例如，中给出的台站间隙
图5）；

•P波和S波到达拾取的质量，主要取决于数据的质量（信噪比）；

•人员阅读到达时间的技能；

•速度模型；

•用于定位震源的方法。



图6  1997年、1999年、2006年和2020年蝗虫群的纬度、经度（转换为公里）和深度误差柱状图。还显示了用于定位地震的地震仪数量、每个地震位置的地震台间距（以度为单位）以及RMS（均方根）误差（以秒为单位）


  在本研究中，站点的数量及其分布（问题1和2）对于每种情况（群体）都是不同的。然而，在重新处理数据时采用的标准方法会使与问题3至6相关的错误在所有情况下都是常见的。通常，由计算机程序自动提供的误差不会考虑这里考虑的所有六个误差源，因此误差通常被低估。误差的主要来源通常来自速度模型，加上地震仪的数量和空间分布。由于P波和S波到达时间选择引起的地震定位误差通常较小，特别是对于局部地震。在我们的情况下，速度模型（表1）受到独立方法的很好约束。在我们的情况下，主要误差因此来源于地震仪的数量和空间分布。这对于2006年的地震群来说是显而易见的。尽管与1997年、1999年和2020年的震群相比，有更多的台站（10个）可用，但在2006年，地震仪位于震群源之外，距离更远。因此，绝对误差较大。这表明了建立一个永久性的本地地震网络来监测未来地震群的重要性。尽管存在这些问题，但1997年、1999年、2006年和2020年火山群的总体误差相对较小（只有几公里，见图6），因此我们能够确认这些火山群都发生在塔尼塔罗火山北部扇下的一个小区域内。

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岩浆群起源

  1997年、1999年、2006年和2020年火山构造地震群的位置相似（图2和图4）。尽管我们无法检查2000年震群的位置，但CENAPRED的一份报告提到，这些地震的震中与1997年的震群相似。一个重要的问题是这些岩群是岩浆成因还是构造成因。由于两个突出的断层系统（San Juanico Buenavista断层走向西北-东南，另一条断层走向东北-西南，图2）在Tancítaro Paricutin地区相交，1997年的震群最初被认为是纯粹的构造成因。尽管如此，2006年震群的b值计算值很高，远大于构造震群的典型值，Pinzán等人将其解释为深部岩浆侵入，Gardine等人也提出了这一点。。我们同意这一结论，并认为Tancítaro的NE扇下方8–15公里的震源深度揭示了深层岩浆侵入。此外，这种地震活动与Tancítaro火山的复活无关，因为它被认为已经灭绝。相反，它可能代表了新的单成因喷发之前的初始活动阶段，这种喷发可能发生在当前火山群的震中附近。下一座单成因火山不一定会诞生在地震群震中，因为岩浆仍需通过地壳再迁移约8公里，并且由于垂直应力变化，或通过与预先存在的断层、岩墙和岩床相交，可能会遵循复杂的路径。然而，与这些震中相关的爆发不太可能发生在距离震群几十公里的半径之外。岩浆在上升穿过上地壳最后一公里的过程中，很可能会使用预先存在的浅层断层，例如图2的NE-SW区域断层，该地区最年轻的单生火山的岩浆也是如此。不同岩群的相同位置表明，岩浆遵循相同的垂直岩墙网络（深度约8公里以下），但不一定使用相同的岩墙。

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VT位置是否反映了岩浆储存区域？

  对于2020年的火山群，岩浆停滞在约8公里的深度，这与MGVF火山岩石学研究中确定的矿物平衡深度相似，表明这是一个暂时的岩浆储存和脱气区。在El Metate，Chevrel等人（2016）发现了一个位于El Metate平均海拔以下7至10公里（约2公里）深处的岩浆储存区，对应于5至8公里bsl的深度，与我们的8至15公里bsl深度相当。在附近的其他单成因火山（即扎卡普火山群），岩石学估计在平均海拔校正2公里后，产生了一个深度在6-8至13公里bsl之间的岩浆储存区，这也与这里的区域相当。在北纬15公里处观测到的更深的地震活动对应于从更深处升起的岩浆。一个悬而未决的问题是8-15公里深度地震活动的开始与5-8公里深度岩浆储存之间存在的关系。我们认为，该批次的底部可能位于15km深处，从那里岩浆开始垂直向上向岩墙和/或沿岩床水平迁移，形成岩浆储层聚集（图7）。岩浆通常停滞在与中性浮力水平相对应的深度，有几公里的小超调。在这一水平上积累的岩浆处于重力平衡状态，但由于浮力的作用，可能会被堤坝侵入。岩浆储存区是通过我们的地震活动的位置来识别的。由于地震不是在岩浆中发生的，该区域不可能是一个完全充满岩浆的腔室，而是一个由抗震的岩浆流脉组成的异质区域，周围是更冷、更脆弱的发震带。这种储存带结构是Hill（1977）提出的，在地壳的脆性体积内有成群的岩浆溢出的岩墙，地震群序列沿着共轭断层面系统以梯队的形式出现以斜角设置的堤尖。我们在图7中对此进行了说明，其中地震绘制在由红色“fngers”表示的堤坝区域之外。



图7 ~8 km深度的岩浆迁移和储存示意图（根据Chevrel等人2016修改）。停滞的岩浆是一个深度在8到15公里之间的岩浆库（粉红色部分），它可以使用一条未知的路径（在上地壳上用问号标记）到达地表，在一个难以预测的地方（在表面用问号标记）

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  与震中相比，我们的地震深度没有受到很好的信息传输，因为与深度处没有地震仪相比，地震仪在水平表面上的空间分布通常是地震位置的情况。图2和图4显示了震源从1997年的较深位置到2020年的较浅位置的轻微上升时间迁移，尽管公认的误差大到足以引起怀疑。然而，垂直误差要小得多（图6），比震源的深度（8-15 km）小得多。这些深度远离该区域可观察到的浅层断层。因此，它们可能与这些浅层构造断层无关，而是与水平震中分布所表明的熔岩脉有关。图4中观察到的从北到南的总体“迁移”（约8公里）似乎更真实。这个N-S方向可能是一个岩浆流脉或一系列亚平行脉的方向。我们位置上几公里的误差（图6）太大，无法区分紧密分离的堤坝。1997年至2020年记录的南北8公里的明显时间水平地震迁移（图4）并不一定意味着岩浆在这样的距离上水平迁移。相反，它可能对应于几个独立的小型垂直岩浆侵入体，每个侵入体都有自己的伴生脉网和相关的地震群。地震活动性没有以系统的方式从N向S移动，这一事实突显了这一运动。1999年的震群位于1997年震群的N，而2006年的震团位于1997年地震群的S（图4），2020年的地震群位于2006年的S。因此，1997年至1999年，地震活动首先向N方向移动，然后在1997年至2020年向S方向移动。正如附近火山的岩石学研究所提出的那样，这些地震群可能以独立的小岩浆批的形式反映了重复的垂直岩浆迁移
  对这些火山群的进一步监测应能发现未来的垂直和横向迁移，这对评估Tancítaro地区的火山灾害至关重要。由于这些原因，永久性地震网络应该持续监测该地区，因为最终岩浆上升可能会迅速发生，几乎没有时间安装新的地震网络。

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结论

尽管本研究中使用的过去的地震网络具有非常不同的空间几何形状，但我们展示了如何使用这些数据的集成来一致地将存储区约束在单成因系统之下。在塔尼塔罗，1997年、1999年、2000年、2006年和2020年的地震群位于塔尼塔洛成层火山东北下扇下方8-15公里的一个小区域内，可能是由岩浆向上迁移到地表的反复尝试引起的。所分析的所有四个震群的震中和深度相似，这表明重复使用相同或附近的岩浆路径，形成了一个亚平行的脉网。地震活动在约8公里的深度停止，上升的岩浆可能在那里停滞并积聚在一个小但不断增长的储层中。1997年至2020年记录的明显时间南北水平地震迁移可能对应于几个独立的小型垂直岩浆侵入体，每个侵入体都有自己的伴生脉网和相关的地震群。

米却肯-瓜纳华托火山区的单成因火山不是随机分布的，有几个地区的发生频率很高。其中之一是Tancítaro地区，在那里已经发现了几座全新世晚期的火山，包括Paricutin。因此，这些地震群可能是该地区新的单成因火山诞生的前兆。

形成这些震群的地震震级较小（通常＜4级），持续时间较短（约1至2个月），并在超过25年的时间内反复发生。由于单成因火山发生在Tancítaro Paricotin地区的不同位置，它们的岩浆上升到地壳最后8公里的路径对每座火山来说都是不同的，尽管有些火山可能源于一个更深的岩浆储层系统，深度在~8公里至至少15公里之间。

我们监测和分析Tancítaro Paricotin地区地震群的经验可能使我们能够对新的单生火山诞生的前兆进行一些界定。因此，利用局部连续的地震网络对这些单成因省份的地震活动进行持续监测，以研究、理解和跟踪震源的时空演变是很重要的。鉴于爆发事件可能在新的火山群爆发后数小时至数天内开始，在高风险地区，应提前安装此类网络。监测土壤脱气率、当地泉水化学成分的变化、土壤温度和地面变形也很重要。正如在其他“失败”喷发后观察到的那样，岩浆快速上升到地表只会提供很短的反应时间。