斯坦福大學研究人員的最新研究表明，意大利坎皮佛萊格瑞火山口的地震可能源于地下水的壓力而非巖漿，控制水流壓力或許可以預防未來的混亂。

自2022年以來，意大利南部經歷了越來越強烈的地震群，使坎皮佛萊格瑞火山地區的數十萬人面臨危險，該地區的地表緩慢起伏。隨著官員們繼續權衡疏散計劃和災害應對策略，研究人員可能已經找到了一種阻止這種反復發生的動亂的潛在方法：管理地表水徑流或降低地下水位以降低地熱儲層中的流體壓力。

斯坦福大學的科學家利用地下成像和實驗室實驗證明，當蓋層（或表層）被封閉時，坎皮佛萊格瑞火山下方滯留的水和蒸汽產生的壓力可能會引發地震。這項研究發表在《科學進展》雜志上，發現這種壓力的積累是20世紀80年代初以及最近15年間地震活動和地面變形的原因，這使得研究小組發現了關鍵的驅動機制。

這些結果挑戰了長期以來的觀點，即該地區的地震是由巖漿或氣體從較深的熔融區上升到地表引起的。相反，這項研究揭示了水逐漸補給水庫是如何隨著時間的推移影響土地變形和海拔變化的。

“為了解決這個問題，我們可以管理地表徑流和水流，甚至可以通過從井中抽取液體來降低壓力，”資深研究作者、斯坦福杜爾可持續發展學院地球與行星科學副教授蒂齊亞娜·瓦諾里奧 (Tiziana Vanorio) 說。

坎皮佛萊格瑞火山區位于波佐利鎮地下，攝于2018年。20世紀80年代，火山快速隆升導致該鎮港口水深過淺，無法停靠船只。圖片來源：庫爾特·希克曼

研究人員分析了坎皮佛萊格瑞最近兩次動亂時期地下結構和地震成像中反復出現的模式和共同特征。此次動亂以陸地隆起和類似爆發的震動為特征，并伴有已成為當地居民標志性特征的隆隆聲。科學家們懷疑，這種活動預示著蒸汽驅動的爆炸，這種爆炸是由地震引起的斷裂過程中液態水迅速閃蒸成蒸汽引發的。這項研究涵蓋了1982-1984年和2011-2024年動亂的數據。

“我們一直在觀察相隔幾十年發生的事情，但成像結果卻顯示出深刻的相似性，這不僅表明該現象具有周期性，也表明存在一個共同的根本原因，”論文合著者、意大利那不勒斯費德里科二世大學研究員、斯坦福大學訪問學者格拉齊亞·德蘭德羅說道。“從那時起，我們就有了合作的想法，尤其是在巖石物理學方面的研究。利用巖石物理學是定量分析地下成像的唯一方法。”

坎皮佛萊格瑞火山區位于那不勒斯和維蘇威火山以西的波佐利鎮地下，擁有一個覆蓋式地熱儲層。自1982年至1984年騷亂以來，該地區一直受到持續監測。當時，地表上升了超過6英尺（約1.8米），波佐利港的水位變得非常淺，船只無法停靠。此后，一場4級地震和數千次微震迫使4萬人從波佐利撤離。

從相反角度拍攝的照片，相隔180度。從左側2016年的一個小型天然泉池，到2024年一個寬闊的充滿水的盆地，這組照片捕捉到了地震活動后地熱系統流量的穩步增長——這是坎皮佛萊格瑞水動力活動加劇的清晰視覺證據。到2024年，圍欄的木桿將被淹沒在水下。圖片來源：從左到右：Alessandro Gandolfi、Tiziana Vanorio

“過去三年來，這一直是一個挑戰。許多建筑物因持續的地震而受損，有些人無家可歸，”在波佐利長大、于20世紀80年代被迫撤離的瓦諾里奧說道。“這個項目現在不僅是作為一名地球物理學家，更是作為一名公民的目標，因為這項研究表明，騷亂是可以得到管控的，而不僅僅是監控，這為預防騷亂開辟了道路。”

坎皮佛萊格瑞火山口寬約8英里，是一個巨大的洼地，由大約3.9萬年至1.5萬年前的大型火山噴發形成，導致地表塌陷。即使沒有火山噴發，坎皮佛萊格瑞火山口也會經歷隆起和沉降，地表也會上升和下沉。在1982-1984年的動蕩之后，該地區下沉了約3英尺。地表沉降的發生需要地下物質的釋放，這些物質可能包括巖漿、水、水蒸氣和二氧化碳。

波佐利的居民注意到火山口“呼吸”的方式，它釋放出煙霧并移動地面，有時會在短時間內上升或下降數米。

自2015年以來，坎皮佛萊格瑞火山區地震的延時演變。地表上，地震震中最初聚集在波佐利-皮西亞雷利泉附近，水最終匯聚于此，匯聚至下游。隨著時間的推移，地震范圍逐漸擴大，覆蓋水文流域內越來越寬的圓形區域，這與20世紀中期巖石和土壤物理實驗的結果相符，實驗中點源水以大致球形的模式擴散。數據來自西班牙國家地質和火山研究所（INGV）。圖片來源：Tiziana Vanorio 和 INGV

歷史上，火山地區的隆升被廣泛認為與巖漿相關的補給過程有關，這種觀點認為巖漿和/或其氣體是地殼變形和地震的主要驅動因素——但根據這項研究的結果，情況可能并非總是如此。瓦諾里奧表示，雖然一些研究人員在過去十年開始探索降水與地震活動之間的關系，但這項研究澄清，導致地殼破裂的并非降水本身，而是水在密封水庫中緩慢但穩定的積聚所產生的壓力，最終導致了地殼震動。

“我們知道，過去 24 年來，降雨量的年變化一直在增加，因此需要監測地下水的蓄積量，或確保水徑流的直接引導，”瓦諾里奧補充道。

坎皮佛萊格瑞火山的一個顯著特征是地熱儲層頂部蓋層的纖維性質。纖維材料在工程中用于結構加固，因為它們可以變形而不會立即斷裂。它們可以積累應變，而這些應變在火山系統中最終可能通過過熱水、蒸汽和火山灰的突然噴發而釋放出來。

研究人員研究了24年來的降雨模式、地下水流向以及蓋層封閉過程，以了解地熱儲層的補給及其壓力積累。在瓦諾里奧的巖石物理和巖土材料實驗室，他們演示了蓋層裂縫是如何通過巖石礦物與熱液和蒸汽的相互作用而封閉的。

位于地下水流向波佐利地區的地熱井圖片。圖片顯示，從2018年（左圖）到2024年，水壓水平明顯上升。圖片來源：從左到右：Terme di Agnano 和 Tiziana Vanorio

為了測試蓋層的特性，研究作者使用一個熱液容器進行了實驗，該容器的功能類似于許多意大利人熟悉的工具：摩卡壺，即爐灶式濃縮咖啡機。他們在底部腔室中注入鹽水，在頂部腔室中注入坎皮佛萊格瑞典型的火山灰和碎石，然后將容器加熱到地熱儲層的溫度。在一天之內，礦物纖維形成，巖層中的裂縫通過膠結作用迅速被封堵。

這就形成了一個封閉的系統，使流體壓力不斷積累，直至壓裂周圍的巖石。地震造成的壓裂會導致流體壓力突然下降，因為液態水會瞬間變成蒸汽逸出。“這會產生該地區典型的爆炸聲和轟隆聲，”瓦諾里奧說。

研究人員運用多種學科來揭示坎皮佛萊格瑞如何作為一個封閉系統運作，包括地下斷層掃描，德蘭德羅利用地震記錄構建地下圖像，可以像 CT 掃描一樣進行分析。

“通過地球物理方法對地下進行成像就像老式的門鈴：它告訴我們有人在按門鈴，但不會告訴我們來者是誰。因此，斷層掃描圖像的解讀必須在實驗室中進行測試——這正是地震學和巖石物理學之間合作如此強大的原因，”瓦諾里奧說。

對斷層掃描圖像以及地震發生地點和范圍的分析，進一步證實了研究人員的理論：反復出現的隆隆聲可能并非由巖漿補充或系統氣體噴發所致。在兩次地震中，地震都始于蓋層內部，深度相對較淺，約為1英里（約1.6公里）。

這張圖展示了用于研究坎皮佛萊格瑞火山口碎裂巖石如何自我封閉并生長出微米級和納米級礦物纖維的實驗室裝置。該裝置（B）的工作原理類似于摩卡咖啡壺（A）：底部腔室代表地下儲層，漏斗狀過濾器容納碎裂巖石（模擬蓋層），下方的加熱板模擬從地球深處升起的熱量。在圖像的底部，顯微鏡照片（G-H）顯示了在實驗室中形成的纖維狀礦物，與坎皮佛萊格瑞天然蓋層中發現的纖維狀微結構（I）非常相似。圖片來源：Tiziana Vanorio 和 Dolly Q. Mantle

“在對地震的時間演變進行可視化之后，你可以看到一個非常清晰的模式——地震隨著時間的推移而加深，”論文合著者、地球和行星科學博士后郭天陽說，他將兩次地震的數據結合起來進行視覺解釋。

如果巖漿或其氣體上升至較淺深度是地殼動亂的主要驅動因素，我們預期會出現相反的模式——地震始于更靠近較深熔融區域的地方，距離地表約5英里，并隨著時間的推移逐漸變淺，研究人員表示。此外，瓦諾里奧表示，巖漿上升而沒有火山噴發無法解釋地殼動亂之后的沉降。沉降的一個合理解釋是，地震活動導致地殼破裂后，水和蒸汽被排放出來，這自然會釋放儲層內的壓力。

研究人員希望利用他們對坎皮佛萊格瑞內部運作的新模型，向意大利當地政府官員傳達導致該系統動蕩的機制。

“我稱之為地質學上的完美風暴——它具備了引發這場風暴的所有要素：系統的燃燒器——熔融的巖漿、地熱儲層中的燃料以及蓋層，”瓦諾里奧說道。“我們無法對燃燒器采取行動，但我們有能力控制燃料。通過修復水道、監測地下水和管理儲層壓力，我們可以將地球科學轉向更積極主動的方法——例如預防性醫療保健——以便及早發現風險，并在動亂爆發之前將其阻止。這就是科學服務社會的方式。”

編譯自/ScitechDaily