2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球物理学在火山喷发研究中的应用

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球物理学在火山喷发研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简述地震波（P波、S波）在探测火山下方结构（如岩浆房）中的作用和原理。二、火山喷发前后，地表重力场通常会发生怎样的变化？解释这种变化可能反映了地下发生了什么物理过程。三、火山震、长周期震和爆炸震在波形特征、震源机制上有哪些主要区别？它们各自通常与火山活动的哪个阶段或哪种过程相关？四、利用地热数据（如地热梯度、温泉化学成分）可以推断火山活动的哪些信息？简述其基本原理。五、为什么火山活动常常伴随着地表变形？可以列举几种主要的火山地表变形类型，并简述其与地下过程可能的联系。六、简述利用遥感技术监测火山活动的主要手段，并说明每种手段大致可以获取哪些信息（例如，监测火山灰云、气体排放、地表温度等）。七、为什么仅依赖单一地球物理方法进行火山喷发预测通常是不可行的？请结合至少两种不同方法，论述进行综合监测的重要性。八、设想你正在对一个处于活动期的火山进行监测。请列举你wouldconsider使用的主要地球物理方法，并简要说明选择这些方法的原因以及你希望通过这些方法获得什么样的信息。九、火山震源机制解通常揭示哪些关于火山下方岩浆室或断裂构造的信息？解释如何从震源机制解的符号（如正负号组合）推断可能的喷发机制（如拉伸、挤压、剪切）。十、重力和磁法在探测火山深部结构（如岩浆房）时各自面临哪些主要的挑战或局限性？试卷答案一、地震波（特别是P波和S波）在探测火山下方结构中的作用是提供关于地下介质物理性质（密度和波速）分布的信息。P波速度的变化对密度的变化相对不敏感，但对波速的变化较敏感，因此P波到时、走时和振幅的变化可以反映地下温度、孔隙度和流体饱和度的变化。S波只能在地壳固态介质中传播，其速度对密度的变化较敏感，且S波不通过流体，因此S波的不连续性（如S波缺失区）通常被解释为存在液态熔融体（岩浆房）的标志。通过分析地震波的传播特征（如走时异常、震相分岔、震源深度变化、震中分布变化），可以推断火山下方岩浆房的位置、大小、形状、边界以及围岩的性质。二、火山喷发前后，地表重力场通常会发生变化，具体表现为喷发区域及其附近的异常重力值可能增强（正异常）或减弱（负异常）。这种变化主要反映了地下物质密度的改变。喷发过程中，部分地下较轻的熔融物质（岩浆）被输送到地表形成新的火山锥或熔岩流，导致地下上部密度降低，从而在相应地表区域形成或增强负重力异常。同时，喷发也可能导致地下空虚空间（如破火山口）的形成，或者喷出物堆积，这些也会改变局部地下密度分布，进而引起重力异常的变化。因此，重力异常的增强或减弱可以指示岩浆的上升、富集或喷出等过程。三、火山震、长周期震和爆炸震的主要区别在于波形特征、震源机制和来源。火山震（VolcanicTremor）通常表现为频谱较宽、持续时间较长（几秒到几分钟）的连续振动，波形类似海浪，震源机制通常显示为纯拉伸（T）型，被认为是岩浆房中熔融体或部分熔融体晃动、搅动或体积变化引起的。长周期震（Long-PeriodSeismicity,LP）频率较低（通常<1Hz），持续时间较长，震源机制解常显示为走滑（R）或纯剪切（S）分量，一般认为起源于岩浆房顶部或上覆地壳的薄层破裂，与岩浆上升和压力变化有关。爆炸震（ExplosiveEarthquakes）波形与一般地震相似，但频谱较宽，能量较大，震源机制解常显示为压缩（P）型，类似于普通断层错动，通常与火山碎屑锥的形成或岩浆-气体系统中的快速释放过程有关。它们与火山活动的关联性：火山震常与岩浆房动态活动、喷发前兆或持续性喷发相关；长周期震通常指示岩浆上升和浅层压力变化，也是重要的喷发前兆之一；爆炸震则直接与喷发事件本身（如爆破、碎屑流）相关。四、利用地热数据可以推断火山活动的信息，其原理基于地下热源（主要是岩浆活动）及其热量传递过程。地热梯度（单位深度温度变化率）的增加通常表明有热物质（岩浆或热流体）正在接近地表或位于浅部，是岩浆活动活跃的直接证据。温泉或热泉的化学成分（如气体组分、元素含量）会受到地下热液系统温度、压力以及流体-岩石相互作用过程的影响，其变化（如化学成分突变、同位素比值变化）可以反映岩浆房的活动状态、岩浆成分变化、流体循环路径和深度等。因此，通过监测地热梯度和温泉/热泉的时空变化，可以评估火山活动的强度、深部岩浆系统的状态以及预测未来喷发。五、火山活动常常伴随着地表变形，这是因为地下岩浆的运移和储存会改变地下应力状态和物质分布，进而引起上覆地壳的变形。主要的火山地表变形类型包括：1）准静态变形（如火山锥的隆起、破火山口的沉降、地裂缝的张开或剪切错动），主要由岩浆房的生长、萎缩或侧向运移引起，通常变形速率较慢，可通过GPS、水准测量等监测。2）振动变形（如火山震动、长周期震引起的地表晃动），由地下流体或熔融体的快速扰动引起，变形是动态的、暂时的。3）热效应引起的变形，岩浆房附近地壳受热膨胀或冷却收缩可能导致地表形变。这些地表变形与地下过程可能的联系是：隆起和破裂通常与岩浆房充填和扩张相关；沉降可能与岩浆房抽空或喷发后物质卸载有关；地表形变模式（如裂缝走向）可以反映地下岩浆通道或断裂系统的方向和性质。六、利用遥感技术监测火山活动的主要手段及其可获取的信息包括：1）热红外遥感：探测火山地表温度异常，识别新形成的熔岩流、炽热的破火山口或喷气孔，评估喷发活动强度和持续状态。2）多光谱/高光谱遥感：通过分析地物光谱特征变化，监测火山灰云的分布、范围和成分（如判断火山灰成分），评估气体排放（如SO2）的量和空间分布，识别火山气体羽流的动态变化。3）雷达遥感（如InSAR）：利用合成孔径雷达干涉测量技术，探测火山地表毫米级到厘米级的形变（如隆起、沉降、裂缝张合），这对于监测岩浆运移引起的预喷发信号至关重要。4）光学/激光雷达（LiDAR）：获取高精度的火山地形数据，用于绘制火山地貌、计算火山锥体积变化、更新数字高程模型，为危险区评估提供基础。5）卫星雷达高度计：测量火山湖或喷发前后火山口/破火山口的水位或形态变化。七、仅依赖单一地球物理方法进行火山喷发预测通常是不可行的，因为火山系统极其复杂，单一方法往往只能提供地下信息的一个侧面，且容易受到多种因素的影响。进行综合监测的重要性在于：1）相互验证与补充：不同方法探测的深度和范围不同（如地震波可探测深部岩浆房，而地热和地表变形更接近浅部活动），结合多种方法可以获得更全面、更可靠的地下图像。2）提高分辨率与信噪比：单一数据可能包含噪声或被多种地质现象混淆，综合分析可以相互印证，剔除干扰，提高对真实火山信号的识别能力。3）识别复合信号：火山活动可能同时触发多种物理现象（如岩浆运移、流体压力变化、应力调整），单一方法可能无法区分，而多种方法的综合分析有助于识别不同过程的叠加信号，理解喷发前兆的复杂性。4）提高预警能力：综合监测系统可以提供更早期、更明确的喷发前兆信号组合，从而提高预测的准确性和及时性。例如，地震活动增强通常与岩浆上升有关，同时地热异常和地表变形的同步出现则可能指示岩浆房压力增大并接近临界状态。八、对一个处于活动期的火山进行监测，我会考虑使用的主要地球物理方法包括：1）地震学方法（包括常规地震台网监测、地震定位、震源机制解分析、地震层析成像）：用于探测火山活动相关的地震活动（火山震、长周期震、爆炸震），确定震源位置、深度和机制，推断岩浆活动状态和喷发机制，探测深部岩浆房。2）重力和磁法（包括重力梯度测量、磁异常测量）：用于探测火山下方与岩浆活动相关的密度异常（岩浆房）和磁化异常，反演岩浆房的可能位置、大小和形状。3）地热学方法（包括地热梯度测量、温泉/热泉温度和化学成分监测）：用于评估地下热流状态，监测岩浆活动引起的温度变化，判断岩浆系统的活跃程度。4）地表形变监测（包括GPS、水准测量、InSAR）：用于监测火山锥、破火山口及周边地区的准静态和动态形变，探测岩浆运移引起的隆起或沉降，识别预喷发信号。选择这些方法的原因是它们覆盖了从深部到浅部、从地震活动到热液系统、从体变化到形变的不同方面，能够提供关于火山活动状态的多维度信息。希望通过这些方法获得的信息是：火山下方岩浆房的位置、大小、形状和动态变化（充填/抽空）；岩浆活动的强度和状态（如是否接近临界点）；浅部岩浆通道和应力变化的信息；喷发前兆信号的早期识别；评估火山喷发的潜在危险性。九、火山震源机制解通常揭示关于火山下方岩浆室或断裂构造的几何形状、空间方位和物理性质（应力状态）的信息。震源机制解通过分析P波初动符号分布，推断出震源破裂面的走向、倾向和滑动方向，以及与破裂面正交的轴（张力轴T、挤压轴P、剪切轴R）的空间方位。具体信息包括：1）岩浆室的形状和边界：对于深部岩浆房，震源机制解通常显示为纯拉伸（T-T）型，表明岩浆房处于三轴拉伸应力状态，可能呈椭球状或扁平状。浅部或与喷发相关的震源可能显示剪切（R-R）或拉伸（T-R）型，可能对应于岩浆通道或浅层断裂。2）断裂构造的方位：震源机制解直接给出了火山区主要断裂系统的空间方位，有助于理解区域构造应力场和岩浆活动的通道方向。3）喷发机制：震源机制解的符号（如T-P-R组合）可以反映岩浆运移或喷发过程中的应力状态变化，有助于区分是岩浆房扩张、收缩还是断裂活动主导了喷发过程。4）围岩性质：震源机制解有时也能间接反映上覆地壳的力学性质和脆性程度。通过震源机制解分析，可以推断岩浆室的存在、大小、形状以及控制其周围应力环境的构造背景，进而理解火山活动的力学过程。十、重力和磁法在探测火山深部结构（如岩浆房）时各自面临的主要挑战或局限性包括：1）重力法：a）分辨率有限：重力异常主要与地下密度体有关，对于尺寸较小或形状复杂的岩浆房，其引起的重力信号可能较弱或被其他密度异常（如含水层、基岩构造）掩盖，导致难以精确定位和确定形状。b）对围岩影响敏感：岩浆房周围的围岩密度变化也会影响重力异常，使得解释复杂化。c）难以区分纯密度变化：无法仅凭重力异常区分是岩浆房存在还是其他原因（如构造破碎带、热液活动）引起的密度降低。2）磁法：a）火山岩本身磁性复杂：火山岩的磁化率受岩浆