火山底下的岩浆网是这样的

原文标题：《什么？火山底下的岩浆网是这样的？》

很久之前，我们曾经介绍过火山的相关基础知识，介绍了火山的分类，火山的形成，火山的分布。想必大家对火山有了一定的了解了，如果还没有一定了解的话，出门右转看看之前的推文去！（指路👉汤加火山爆发后，你应该了解的火山故事！（一）、汤加火山爆发后，你应该了解的火山故事！（二））分布在世界的各地火山，或多或少都成为了著名旅游景点，比如日本富士山，中国的长白山天池，以及美国的太平洋珍珠 —— 夏威夷。今天我们就来聊聊这个著名度假景点、旅游胜地，同样也是地球科学研究的热点（真・热点，与地幔柱相关）。

夏威夷位于太平洋中部，由 132 个岛屿组成，这些岛屿由火山爆发而形成，因此海洋中火山爆发是可以造陆的。早在上个世纪，板块理论提出之后，人们发现夏威夷岛并不在板块边缘，那么为什么会存在这么大范围的火山分布呢？业界祖师爷约翰・图佐・威尔逊 (John Tuzo Wilson) 这时候提出了一个绝妙的想法，那就是热点理论，热点理论认为即使不在板块边界，板块内部的单个固定地幔柱也会形成火山。到了 2003 年，研究人员发现其实热点不是固定的，而是移动的，也就是说夏威夷岛现在的分布形状是由于热点移动造成的。对于夏威夷岛的研究从来没有断过，研究越来越细也越来越深入。

不久前，Science 上发布了一篇文章，文章题目是：The magmatic web beneath Hawai'i. 顶尖期刊文章的题目总是这样简洁有力，意思就是夏威夷底下的岩浆网。由于技术手段的限制，人们无法直接的看到地下的结构，你总不可能把地球来个切片吧？这活，可能就“三体人”干的动。以目前我们人类的科学水平还是办不到的，毕竟就算钻井也最多 12km，地壳都没钻透，就更别想研究地幔了。因此就发展更多的间接研究技术，用的最多的就是地球 CT 技术 —— 地震！地震的科普相当多了，大家可以自己搜罗。我们知道利用地震信息可以研究地球内部结构，甚至是地核。因此，更多的地震数据可以帮助我们获得更精细的地下结构。这里面还有更多的分析方向，比如说获得地下地震波速度结构进行研究，以及利用地震定位的数据进行研究。这两者都是研究地下结构的地震学利器，着重的方向不一样，速度结构强调的是整体的结构分析，比如哪一块低速体对应什么构造，哪一块高速体又对应什么构造；而地震定位更容易判断某些边界或者构造活动更强烈的地方，比如说 Benioff zones（贝尼奥夫带），就是俯冲板片的构造。

既然地震定位数据能够判断构造更活跃的地带，那么火山底下的这些岩浆网肯定就是其中之一了。上述提到的这篇文章就是利用地震定位的数据进行岩浆网的识别判定，不过还需要加点其他作料，这个作料就是深度学习算法。深度学习等 AI 算法现在已经广泛应用在了各个行业和领域，无人驾驶汽车等等，在地球科学领域近几年也呈现了井喷式的相关论文数量增长。具体的 AI 算法如何助力地球科学领域，我们会在后续其他推文中单独聊聊。

现在来看夏威夷的岩浆网，文章的中心结论就是通过深度学习算法等得到的地震定位数据，在地幔重构成了一个巨大的岩床，规模达到 15km 长，并通过狭长的地震活动带（25km）和火山相连接，另外还会连通到浅部的一些岩床等。这些结构充分证实了地幔的这个巨大岩床是地下岩浆运输的枢纽，进一步证实了岩浆网的连通性。

至于具体是怎么做的，我们大致描述下：首先，所有的定位数据都是从 2018 年基拉韦厄火山口（Kīlauea）坍塌后开始的，总的数据量达到 20 万个，为什么会有这么多，得益于地震学观测手段的进步（地震台网和流动台站的广泛布设）。自从基拉韦厄火山口坍塌和爆发后，地震活动变得更加强烈。研究者利用这个数据库，通过深度学习的手段进行了处理，并获得了精细的地震目录（空间和时间上都更加精细）。更加精细的地震目录是进行结构分析的基础，这样的地震目录在空间和时间上会更加准确，也更能反演地震活动的空间和时间演化规律。

研究者通过对数据的空间分布和时空演化的研究分析后，识别出 Pāhala 的结构，也就是地幔中的巨大岩床结构。在 2018 年后的 3.5 年内，这个区域总共记录到了 192000 次地震，可谓数量惊人。在进行聚类分析后，研究者们发现其主要是离散的层状近水平结构，整体水平延展 17 公里，向西倾斜约 25°，各簇厚度可达 300m。在时间演化上，各簇在的活跃时间也呈现了明显的不同，显示了其岩浆活动的规律。

左图 AB 为 Pāhala 的地震定位结果以及聚类结果，右图 ABCD 为针对左图四个五角星区域地震结果的时间演化规律（Wilding et al., 2022）

研究者们通过结合深度学习的算法对地震数据进行了精细的处理，并借此对夏威夷火山地下岩浆网进行了精细的成像，获得了明确的岩浆网结构，这是一篇异常精彩的研究文章，也推进了人类对于火山的活动性有了进一步的认识。看来我们人类即使作为虫子也是会积极思索的虫子！（顺带一提，大家快去看三体电视剧，哈哈）

Reference

• Tatsumi Y., Eggins S. Subduction zone magmatism. Cambridge: Blackwell Science, Inc. 1995. 1-49

• Wilding, J. D., Zhu, W., Ross, Z. E., & Jackson, J. M. (2022). The magmatic web beneath Hawai ‘i. Science, eade5755.

本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨

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