《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：In-soil radon at Mt. Etna (2015–2023): Insights into magma dynamics and applications to volcano monitoring
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本研究針對如何有效監(jiān)測像埃特納這樣人口密集區(qū)的活火山活動這一關鍵問題，研究人員通過對該火山東南翼監(jiān)測站長達八年（2015-2023）的連續(xù)土壤氡氣數(shù)據(jù)進行分析，結合創(chuàng)新的數(shù)學算法過濾環(huán)境噪聲，揭示了氡氣異常與火山噴發(fā)事件、淺層巖漿侵入及地震群之間的顯著相關性。研究結果將土壤氡氣確立為追蹤巖漿補給、遷移和相互作用的有效地球化學示蹤劑，證明了其作為火山活動補充監(jiān)測工具的潛力，為推進火山災害預警的地球化學方法提供了重要依據(jù)。
火山，地球上最壯麗也最令人敬畏的自然現(xiàn)象之一，其下蘊藏著巨大的能量與破壞力。對于像意大利西西里島埃特納火山這樣人口密集區(qū)域附近的活火山而言，準確預測其活動至關重要。傳統(tǒng)的火山監(jiān)測手段，如地震學、大地測量學和氣體地球化學，已經(jīng)取得了長足進展，但科學家們?nèi)栽诓粩鄬で笮碌摹⒏`敏的參數(shù)來“傾聽”地球深處的脈動，以期更早地捕捉到火山系統(tǒng)失衡的信號。這其中，氡氣（222Rn）作為一種天然的放射性惰性氣體，因其半衰期短（約3.8天）且對地下應力變化和流體運移高度敏感，長期以來被視為探測地震和火山活動前兆的潛在指標。然而，如何從長期、連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，將可能與火山活動相關的氡氣信號從復雜的季節(jié)性環(huán)境噪聲（如溫度、降雨）中有效分離出來，并系統(tǒng)性地驗證這些信號與巖漿過程的具體關聯(lián)，一直是該領域面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
為了解決這些問題，以意大利國家地球物理與火山學研究所埃特納觀測臺（INGV-OE）的 Salvatore Giammanco 為首的研究團隊，進行了一項開創(chuàng)性的研究。他們聚焦于埃特納火山東南翼一處位于1989年噴發(fā)形成的干裂縫上的監(jiān)測站（ERN8），分析了從2015年至2023年共八年多的連續(xù)土壤氡氣數(shù)據(jù)。這是迄今為止埃特納火山最長的氡氣時間序列，也是全球活火山中時間跨度最長的數(shù)據(jù)集之一，覆蓋了從溢流式到高度爆發(fā)性的多種噴發(fā)類型。為了揭示隱藏在數(shù)據(jù)中的火山信號，研究人員運用了創(chuàng)新的數(shù)學算法（如連續(xù)小波變換和信號多分辨率分析）對原始氡氣時間序列進行過濾，以去除由環(huán)境因素引起的周期性噪聲。他們將過濾后的“清潔”氡氣信號，與同一時期的火山噴發(fā)活動、地震序列以及基于火山噴出物（熔巖和火山灰）巖石學分析所得的巖漿補給歷史進行多學科交叉比對。這項研究首次在埃特納火山實現(xiàn)了對長時間尺度土壤氡氣排放數(shù)據(jù)的綜合分析與多參數(shù)驗證，旨在評估氡氣作為追蹤巖漿動力學和火山-構造流體活動新參數(shù)的效能，其研究成果已發(fā)表在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》上。
主要研究方法：
研究人員在位于埃特納火山東南翼、海拔1620米的ERN8監(jiān)測站，使用BARASOL BMC2探頭（一種對α粒子敏感的無源硅探測器）進行連續(xù)土壤氡氣濃度（單位：Bq/m3）監(jiān)測，采樣頻率為每小時一次。為了從數(shù)據(jù)中提取與火山活動相關的信號，他們采用了復雜的數(shù)學算法進行數(shù)據(jù)過濾。首先，他們將整個數(shù)據(jù)集（因存在較大數(shù)據(jù)間隙而分成三個時段處理）進行了頻譜分析和連續(xù)小波變換（CWT），以識別并量化由溫度等環(huán)境因素引起的周期性噪聲（如年周期、半年周期、數(shù)日至數(shù)月周期）。隨后，他們運用信號多分辨率分析（SMA）和最大重疊離散小波變換等固定帶寬方法，針對性地濾除了這些周期性環(huán)境干擾，最終得到了一條能夠反映深層地質過程變化的過濾后氡氣時間序列。此外，他們應用了基于正態(tài)概率圖的圖形統(tǒng)計方法，設定了區(qū)分“正常”值和不同強度“異常”值的統(tǒng)計閾值。最終，他們將過濾后的氡氣異常與INGV-OE發(fā)布的官方火山活動周報、地震數(shù)據(jù)以及已發(fā)表的巖石學數(shù)據(jù)（利用晶體環(huán)帶和擴散年代學推斷巖漿補給時間）進行綜合對比分析，以建立氡氣異常與特定火山/巖漿事件之間的關聯(lián)。
研究結果與發(fā)現(xiàn)：
1. 數(shù)據(jù)概覽與濾波處理
原始的土壤氡氣數(shù)據(jù)顯示出極大的變異性，標準偏差高達154,340 Bq/m3。時間序列中存在一系列顯著的正峰值，最劇烈的峰值出現(xiàn)在2019年9月至10月間，濃度接近1350萬 Bq/m3，比整個序列的平均值高出近三個數(shù)量級。同時，空氣溫度數(shù)據(jù)顯示出明顯的年周期性。頻譜和連續(xù)小波變換分析證實了氡氣數(shù)據(jù)中存在多種周期性信號（如12小時、約6個月、1年等），這些被認為主要源于環(huán)境噪聲。通過應用信號多分辨率分析（SMA）等數(shù)學濾波器，研究人員成功去除了這些周期性干擾，獲得了能夠更清晰反映火山動力學信號的過濾后數(shù)據(jù)序列。
2. 氡氣異常與火山活動的關聯(lián)
過濾后的數(shù)據(jù)揭示了氡氣異常與埃特納火山活動之間存在明確的相關性。
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與劇烈噴發(fā)事件的關聯(lián)：最顯著的氡氣異常序列發(fā)生在2019年9月至10月，包含多個高達數(shù)百萬Bq/m3的峰值。這些異常與2019年9月開始、持續(xù)至2020年5月的沃拉吉內(nèi)（VOR）和博卡努奧瓦（BN）火山口的斯通博利式和溢流式活動在時間上重合。研究人員認為，這可能是由于火山通道系統(tǒng)內(nèi)部巖漿壓力劇增（導致氣體大量釋放）或與同期影響火山東翼的地震群有關，地震前巖石微破裂導致滲透性改變，從而引起氡氣大量釋放。
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作為巖漿補給前兆：研究發(fā)現(xiàn)，許多較低強度的氡氣異常（根據(jù)正態(tài)概率圖定義為B和F類群）往往出現(xiàn)在噴發(fā)活動之前。例如，在2015年12月3-5日和2016年5月的猛烈噴發(fā)（巖漿噴泉）事件前約1個月，均觀測到了明顯的氡氣異常振蕩。巖石學證據(jù)表明，這些時段恰好發(fā)生了來自火山管道系統(tǒng)深部的鎂鐵質、富揮發(fā)分巖漿的補給事件。這表明，氡氣異常可以作為深部巖漿補給和向淺部遷移過程的有效地球化學示蹤劑。
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與地震序列的對應：氡氣異常也與特定地震序列相關。例如，在2018年12月24-27日側翼噴發(fā)及其伴隨的強烈地震序列（包括12月26日發(fā)生的M4.9地震）之前，從2018年9月中旬至12月中旬觀測到了清晰的氡氣異常。同樣，2017年8月的一次強烈地震序列也伴隨著長期的氡氣異常。
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對近期噴發(fā)活動的指示：在2020-2022年東南火山口（SEC）的猛烈噴發(fā)序列期間，也觀察到了氡氣的短期振蕩。例如，在2020年12月13-14日首輪噴發(fā)前約三周（11月下旬），以及2021年5月19日噴發(fā)序列重新開始前，均出現(xiàn)了顯著的異常。2023年的幾次噴發(fā)活動（如5月21日、11月12日和12月1日的噴發(fā)）也顯示出與之相關的氡氣信號變化，特別是在噴發(fā)前出現(xiàn)先升后降的振蕩模式。
3. 機制模型解釋
為了解釋觀測到的氡氣異常模式，研究者提出了幾種可能的物理化學模型：
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長周期氣體壓力波模型：當富含揮發(fā)分的巖漿在深處上升和侵位時，氣體相出溶產(chǎn)生壓力波，以天至周為周期在火山體內(nèi)（主要通過斷層）傳播，導致地表氡氣排放先增加后減少的正弦式振蕩。
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短周期氣體壓力擾動模型：在導致猛烈噴發(fā)的巖漿快速向地表遷移前夕，會發(fā)生短壽命的氣體超壓。這首先會引起“氣體活塞”效應，使氡氣排放急劇增加；隨后，快速上升的巖漿可能產(chǎn)生類似伯努利效應的“氣體抽吸”作用，將氣體（及其攜帶的氡）更多引向山頂火山口而非側翼，導致監(jiān)測點氡氣濃度隨后急劇下降。這解釋了在猛烈噴發(fā)前觀察到的先急劇升高后快速降低的尖峰狀異常。
- 3.
巖石物理性質改變模型：與淺層巖漿侵入相關的強地震群發(fā)生前，構造應力的積累會導致巖石（特別是其滲透性）發(fā)生強烈變化（微破裂增多），從而引起氡氣釋放的顯著增加。
結論與重要意義
本研究表明，通過對長期、連續(xù)的土壤氡氣時間序列進行精密的數(shù)學過濾和多學科交叉驗證，可以成功分離出與火山活動密切相關的信號。研究證實，土壤氡氣異常能夠有效指示埃特納火山系統(tǒng)的深部巖漿補給、遷移過程以及伴隨的淺層地震活動。具體而言：
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長期（數(shù)周至數(shù)月）的氡氣振蕩通常與深部巖漿補給和儲存相關。
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短期（數(shù)小時至數(shù)天）的劇烈尖峰狀異常，則常與即將發(fā)生的猛烈噴發(fā)（巖漿噴泉）事件相關聯(lián)。
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這些異常可以通過深部巖漿氣體釋放產(chǎn)生的壓力波傳播，或與地震相關的巖石滲透性變化等機制得到合理解釋。
這項研究的意義重大。它首次在埃特納火山長達八年的時間尺度上，系統(tǒng)地將土壤氡氣數(shù)據(jù)與巖石學證據(jù)相結合，不僅確認了氡氣作為火山活動有效前兆的潛力，還深化了對不同時間尺度巖漿動力學過程的理解。研究成果有力地支持了將土壤氡氣監(jiān)測整合到INGV-OE現(xiàn)有的實時火山監(jiān)測網(wǎng)絡之中，作為一種補充性的地球化學監(jiān)測工具。這為提升火山災害的預警能力和風險評估的準確性提供了新的科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，凸顯了多參數(shù)綜合監(jiān)測方法在火山學與地球科學研究中的關鍵價值。
