摘要：火山岩浆系统的动态演化是理解火山活动机制、实现喷发预测与灾害预警的关键。然而，在分钟尺度下解析岩浆迁移及喷发等快速动态过程仍面临重大挑战。美国加州理工学院李嘉轩等提出了一种基于低频分布式光纤地震传感的“光纤大地测量学”新方法，依托现有通信光纤构建超高密度、实时地壳应变观测网络，在冰岛Grindavík地区成功实现了九次岩浆侵位过程的分钟级监测。研究发现，喷发前15–22分钟岩浆侵位速率系统性达到峰值，并开发了自动化预警系统，显著提升了火山喷发的预测精度与响应速度。光纤地震传感作为地球物理学的前沿方向，结合传统观测手段，有望突破现有观测技术的时空分辨率瓶颈，为全球火山等灾害的实时监测与风险防范提供创新性解决方案。
火山岩浆系统作为连接地球深部与地表的关键纽带，其动态演化不仅是理解火山活动机制的基础，更是实现火山喷发预测与灾害预警的关键。近年来，岩石学、矿物学与地球物理学等多学科研究表明，火山系统普遍表现出垂向分层结构特征(Cashman et al. 2017)，包括广泛存在的低熔融程度、高结晶含量的晶粥区（crystal mush zone），以及通过结晶分异、熔体抽取等过程形成的高熔融程度、低粘度、富挥发份、易喷发的岩浆囊（magma reservoir）。浅部岩浆囊的动态演化过程，如挥发份脱气、岩浆侵位与喷发等，通常会引发地表形变并伴随火山地震活动，是火山喷发前最重要的前兆信号之一。对浅部岩浆囊的长期连续监测，不仅有助于揭示其内部压力状态演化、岩浆迁移路径及其与围岩的相互作用，更是建立岩浆系统动力学模型、提升喷发预测能力与风险评估水平的关键。
目前，常用于监测火山岩浆动态演化的方法包括InSAR卫星雷达干涉、GNSS高精度定位、地震学观测和地球化学分析等。其中，InSAR和GNSS作为约束火山区地表形变、解析浅部岩浆通道几何结构与迁移特征的重要手段，具备较高空间分辨率，能够揭示从天到数年尺度的岩浆积聚与迁移过程(Sigmundsson et al. 2024)。然而，要实现分钟尺度乃至实时捕捉岩浆迁移过程的高时间分辨率演变，仍面临重大挑战。例如，GNSS实现毫米级精度通常需依赖日均处理，而InSAR则需数天才能获取重复观测。因此，要满足火山动力学研究和喷发预测的迫切需求，亟需发展超越传统GNSS与InSAR的新型高时间分辨率监测技术。
美国加州理工学院地震实验室李嘉轩（现为休斯敦大学助理教授）、Ettore Biondi、詹中文等组成的研究团队提出了一种基于低频分布式光纤地震传感（Low-frequency Distributed Acoustic Sensing,LFDAS）实现分钟尺度岩浆迁移动态监测的方法，即光纤大地测量学(Li et al.)。分布式光纤地震传感（DAS）技术通过将现有通信光纤转化为密集的地震传感器阵列，实现了高密度、长期、实时的地震观测模式创新。在冰岛西南部火山活动频繁的Grindavík地区，研究团队与冰岛科学家及电信公司合作，基于通信光缆构建了覆盖约100公里、包含上万个地震道的超高密度地壳应变实时观测系统（图1）。与传统大地测量技术相比，LFDAS具备米级空间分辨率和分钟级时间分辨率，能够精准捕捉岩浆迁移及其引发的地壳变形。基于低频（<0.01 Hz）DAS观测记录，团队成功捕捉到九次岩浆侵位过程，首次实现了分钟级时间分辨率下对岩浆体积、侵位速率及扩展路径的约束，揭示了喷发前15–22分钟岩浆侵位速率系统性达到峰值的特征，为理解喷发前地下岩浆演化提供了全新视角（图2，图3）。值得注意的是，其中两次岩浆侵位过程仅在LFDAS记录中被观测到，其信号幅度低于GNSS和InSAR的噪声水平，体现了LFDAS在高时间分辨率下捕捉微弱地壳变形方面的独特优势。此外，团队基于LFDAS开发了自动化预警系统，可在喷发前20–30分钟发出预警，显著优于传统GNSS与InSAR监测手段的时间分辨率。该研究不仅验证了低频DAS的观测优势及基于通信光缆构建大规模、低成本、高效率地震监测网络的可行性，也为未来火山灾害监测与风险评估开辟了新方向，标志着火山监测技术与分布式光纤传感应用的一次重要跨越。
图1 冰岛西南部Grindavík地区岩脉几何形态、地震活动分布及分布式光纤地震传感网络（红线表示，数字为地震道号）
图2 九次岩浆侵位事件的12小时应变率观测记录。图A中标出光缆与岩脉相对位置，红线为喷发时间，黑色箭头表示喷发后快速出现的极性变化
图3 九次岩浆侵位事件的岩浆迁移及地震活动演化
分布式光纤地震传感是地球物理学的热点与前沿方向，在地震、火山、海洋、极地、行星与环境等领域展现出巨大潜力。近年来，随着光纤地震传感技术快速发展，其解调距离已显著提升（>100 km），低频响应能力（<0.01 Hz）不断增强，不仅可实现大范围、高密度的应变与振动监测，还具备在复杂环境（如火山、海洋区域）下长期稳定运行的独特优势。相比传统宽频带、短周期地震仪、GNSS和InSAR等观测手段，光纤地震传感在时间分辨率与空间分辨率上表现突出，并因其可依托现有通信光缆，大幅降低部署与维护成本，为构建覆盖偏远陆地乃至海底的监测网络提供了全新思路。从仪器发展角度，光纤地震传感正朝着更长距离、更低频、多分量、通信-感知一体化方向演进；从科学应用角度，未来结合光纤地震传感的独特优势，并与大地测量、地震、电磁等多学科观测协同整合，有望突破当前在时间分辨率、空间覆盖等方面的瓶颈，为全球地震、火山、海洋等重大灾害的实时监测与风险防范提供创新性解决方案。
主要参考文献
Cashman K V,Sparks R S J,Blundy J D. Vertically extensive and unstable magmatic systems: a unified view of igneous processes[J]. Science,2017,355(6331):eaag3055.
Sigmundsson F,Parks M,Geirsson H,et al. Fracturing and tectonic stress drive ultrarapid magma flow into dikes[J]. Science,2024,383(6688):1228-1235.
Li J,Biondi E,Heimisson E R,et al. Minute-scale dynamics of recurrent dike intrusions in Iceland with fiber-optic geodesy[J]. Science,eadu0225.（原文链接）
（撰稿：王新/地球与行星物理学科中心；李嘉轩/休斯敦大学）
