2025年大学《地球物理学》专业题库- 火山地震与火山喷发的机制研究

2025年大学《地球物理学》专业题库——火山地震与火山喷发的机制研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、解释下列术语（每条2分，共10分）1.火山地震(VolcanicEarthquake)2.长周期地震(Long-periodSeismicity,LP)3.火山震源机制解(VolcanicFocalMechanismSolution)4.岩浆过饱和度(MagmaSupersaturation)5.火山通道耦合(VolcanicConduitCoupling)二、简答题（每题5分，共20分）1.简述火山地震与深部构造活动（如俯冲带）的关系。2.火山喷发前，地壳形变通常表现出哪些特征？这些特征可能暗示了什么物理过程？3.影响岩浆粘度的主要因素有哪些？它们如何影响喷发方式？4.简述利用地震波形数据推断震源机制解的基本原理。三、计算题（共15分）某火山地震台站记录到一次火山震源事件，其P波初动图（极坐标）显示震源机制解的三个节面解分别为：节面1：走向150°，倾向40°，倾角70°节面2：走向350°，倾向160°，倾角80°节面3：走向20°，倾向310°，倾角85°假设该震源事件为纯剪切破裂。（1）请判断该震源事件位于地壳的哪个深度范围？（给出依据，3分）（2）请定性描述该震源事件可能对应的物理过程（如膨胀、收缩或剪切滑移），并解释理由。（4分）（3）若已知震源深度为8km，该震源机制解的震源时间函数是单次的破裂事件还是持续的过程？（3分）四、论述题（共25分）火山地震活动和火山喷发是火山系统活动的两个重要外在表现，它们内部存在密切的物理联系。请结合火山物理学的基本原理，论述：1.岩浆房（MagmaChamber）的膨胀和收缩如何分别引发不同类型的火山地震活动？请描述相应的地震频谱特征和震源深度分布变化。（8分）2.火山通道中的物理过程（如堵塞、再通畅）如何通过地震活动性（频率、震源位置、震相特征）体现出来？试述其可能的地球物理监测方法。（8分）3.综合利用火山地震、地表形变（如GPS、InSAR）和火山气体（如CO2、SO2）数据，可以构建怎样的火山活动监测和预警体系？如何通过多学科数据的综合分析推断火山喷发的潜在机制？（9分）试卷答案一、解释下列术语1.火山地震(VolcanicEarthquake):由火山活动直接引起的地震，通常与岩浆运移、岩浆房压力变化、围岩破裂、气体释放等过程相关。**解析思路：*定义要抓住“火山活动直接引起”和“相关过程”两个关键点。2.长周期地震(Long-periodSeismicity,LP):一种频谱具有长周期（低频）特征、振幅随时间衰减的火山地震，通常认为与岩浆房或通道中熔体的振荡、膨胀或收缩有关。**解析思路：*定义要包含“长周期低频”、“振幅衰减”和“岩浆体振荡/膨胀/收缩”等核心特征及其关联。3.火山震源机制解(VolcanicFocalMechanismSolution):利用地震波（特别是P波和S波）的极性资料，通过反演方法确定的火山地震震源在三维空间中的破裂方式（如剪切破裂面）和力学性质（如应力张量），揭示震源处的物理过程。**解析思路：*定义要涵盖“利用地震波极性”、“反演方法”、“确定破裂方式和力学性质”以及最终目的“揭示物理过程”。4.岩浆过饱和度(MagmaSupersaturation):指岩浆中气体（主要是水蒸气）的实际分压超过该温度和压力条件下气体在熔体中的溶解度时的状态。过饱和度的增加会导致气体从熔体中析出，形成气泡，显著降低岩浆粘度，并可能引发爆炸性喷发。**解析思路：*定义要明确“气体分压超过溶解度”，并点出其关键物理后果“气体析出、降低粘度、引发爆炸”。5.火山通道耦合(VolcanicConduitCoupling):指岩浆房与火山通道之间通过熔体流动、压力传递等方式存在的物理连接状态。通道的堵塞或通畅会改变岩浆房的压力和应力环境，反之亦然，这种相互作用影响岩浆运移和喷发行为。**解析思路：*定义要强调“岩浆房与通道的物理连接”和“相互作用影响”两个核心要素。二、简答题1.简述火山地震与深部构造活动（如俯冲带）的关系。*答：深部构造活动（如俯冲带）产生的应力场可以为火山活动提供触发机制或应力背景。例如，俯冲板块的俯冲作用、上覆地壳的缩短和挤压，可以产生局部应力集中，导致地壳破裂，形成火山地震；俯冲板片脱水释放的流体（水、流体包裹体）可以降低上覆地壳岩石的强度，诱发岩浆房深部或浅部岩体发生滑动或破裂，产生火山地震；俯冲带的改造也可能激活原有的构造断裂，使其活动并产生地震。**解析思路：*回答需阐述深部构造活动（以俯冲带为例）如何通过“提供应力”、“诱发破裂”、“流体作用”、“激活断裂”等方式与火山地震产生联系。2.火山喷发前，地壳形变通常表现出哪些特征？这些特征可能暗示了什么物理过程？*答：火山喷发前，地壳形变通常表现出近场、长期、持续性的特征。主要表现为：*水平扩张或压缩：GPS观测显示火山口附近及岩浆房上方区域出现径向的水平扩张（膨胀），或径向压缩（挤压）。*垂直形变：InSAR或GPS等大地测量技术可监测到地表的抬升（岩浆房膨胀或上侵）或沉降（岩浆房收缩或抽离）。*这些特征通常暗示了岩浆房体积或压力的变化。水平扩张和抬升主要对应岩浆房体积膨胀（Inflation），表明岩浆大量注入或岩浆房压力显著升高；水平压缩和沉降则对应岩浆房体积收缩（Deflation），表明岩浆从岩浆房中移除或压力降低。这些形变是火山喷发的重要前兆。**解析思路：*列举主要的形变特征（水平、垂直），并指明这些特征是岩浆房“体积或压力变化”的直接反映，强调其作为“喷发前兆”的意义。3.影响岩浆粘度的主要因素有哪些？它们如何影响喷发方式？*答：影响岩浆粘度的主要因素包括：*温度：温度升高，粘度降低。高温岩浆粘度低，易于流动，倾向于形成溢流式喷发。*气体含量（尤其是水）：气体含量越高，在达到相同过饱和度时，气泡更容易形成并聚集，显著降低粘度。高气体含量通常导致高爆炸性。*硅酸盐含量（玄武质、安武质、流纹质）：硅酸盐含量越高，网络结构越复杂，粘度越高。流纹质岩浆粘度最高，易形成爆炸性喷发。*晶体含量与类型：晶体含量增加，会提高岩浆粘度。不同矿物的存在也会影响粘度。*压力：压力升高，会提高气体溶解度，降低粘度；但高压也可能增加岩浆的刚性。*这些因素综合影响岩浆的流动性和气体释放方式。低粘度岩浆易于流动和气体扩散，倾向于形成平静的溢流；高粘度岩浆阻碍气体上升和扩散，导致气体在通道中迅速积累，当压力超过通道围岩强度时发生猛烈爆炸。**解析思路：*列举主要影响因素，并简要说明每个因素如何作用。最后重点阐述这些因素如何通过影响“流动性和气体释放”最终决定喷发是“溢流”还是“爆炸”。4.简述利用地震波形数据推断震源机制解的基本原理。*答：利用地震波形数据推断震源机制解的基本原理是：假设震源是一个小的、理想的刚性破裂面，其破裂方式（两个节面的方位和倾角）和受力状态（由应力张量描述）决定了地震波在介质中传播的路径和强度。通过分析记录到的P波和S波的极性（初动方向）数据，可以推断出满足这些观测数据的、能够代表震源破裂方式和受力状态的一组或几组可能的解（节面解）。常用的方法是StressDrop方法或FocalMechanismInversion方法，这些方法寻找能使理论计算的震源破裂模式与实际观测到的地震波形数据（极性、走时等）之间差异最小化的震源参数。**解析思路：*阐述核心假设（刚性破裂面），解释P波/S波极性与震源破裂/受力状态的关系，说明分析方法的目标是“寻找最佳匹配的震源参数”。三、计算题（1）判断震源深度范围：*答：该震源机制解的节面倾角均大于70°，表明震源破裂面向上和向下的延展都相对有限，主要局限于一个较浅的深度范围。结合地震学的一般规律，此类震源机制解通常对应地壳浅层（如几公里到十几公里深处）的源区。**解析思路：*根据震源机制解的“节面倾角”特征（大倾角）推断震源深度相对较浅。结合地震学常识给出具体深度范围。（2）定性描述物理过程及理由：*答：该震源机制解显示两个节面近乎垂直，其中一个节面走向接近南北向，倾向东或西。这种解通常对应纯剪切破裂。结合震源深度较浅的特点，该震源事件最可能对应岩浆通道中发生的剪切滑移过程。理由是：火山喷发前后，通道内的应力状态会发生变化。例如，在岩浆上升或排放过程中，通道壁之间可能发生应力调整，导致局部发生剪切滑动；或者岩浆房压力变化通过通道传递，引发通道壁或通道内壁的剪切破裂/滑移。这种剪切事件会辐射出具有特定震源机制解的地震。**解析思路：*首先识别震源机制解的特征（纯剪切），然后结合深度信息，将这种剪切事件与火山通道内的具体物理过程（如应力调整引起的滑移、压力传递引起的破裂）联系起来。（3）震源时间函数判断：*答：虽然题目没有给出具体的波形图，但根据震源机制解由三个节面解组成，且没有明确说明是单一解还是多解，这通常暗示震源过程可能比较复杂。然而，如果题目背景或常识暗示为一次典型的地震事件，那么由三个节面解确定的震源机制解更倾向于代表一个单次的、完成的主破裂事件。如果存在持续的破裂或振荡过程，通常期望观测到更复杂的波形特征或震源时间函数。在没有更多信息的情况下，倾向于判断为单次破裂事件。**解析思路：*分析震源机制解的数学表示（三个节面解）通常对应单次主破裂。结合“纯剪切”和“地震事件”的常见理解进行判断。指出这是基于有限信息的推断。四、论述题1.岩浆房膨胀/收缩与火山地震活动：*答：岩浆房的膨胀（Inflation）和收缩（Deflation）是岩浆房内部状态变化的重要过程，它们通过改变岩浆房的压力和应力环境，引发不同特征和强度的火山地震活动。*膨胀（Inflation）：当岩浆房中岩浆量增加或压力升高时，岩浆会对上覆地壳施加更大的顶压，导致岩浆房周围及上覆地壳发生应力变化。这种膨胀过程通常伴随着：*地震频度增加：尤其是在岩浆房浅部及上覆区域，地震活动性增强。*震源深度变化：地震震源深度可能随岩浆房膨胀而整体上移变浅。*频谱特征：可能出现更多与岩浆体振荡相关的长周期（LP）地震或低频地震。*波形变化：地震波速可能受岩浆房压力变化影响而发生变化。*收缩（Deflation）：当岩浆从岩浆房中移除或压力降低时，岩浆房体积减小，对上覆地壳的顶压减弱，同时岩浆房周围可能形成空腔，产生应力调整。收缩过程通常伴随着：*地震频度增加：地震活动性可能再次增强，有时甚至比膨胀期更强。*震源深度变化：地震震源深度可能随岩浆房收缩而下移，或者集中在岩浆房顶部或空腔壁附近。*频谱特征：可能出现与空腔形成、围岩应力调整相关的地震，震源机制解也可能发生变化。*波形变化：同样可能影响地震波速和波形。**解析思路：*分别论述膨胀和收缩两种过程，每个过程都要说明其对上覆地壳的力学影响（压力变化、应力调整），并详细阐述这些影响如何导致地震活动性、震源深度、频谱特征等方面的变化。2.通道过程与地震活动性及监测方法：*答：火山通道是岩浆从岩浆房上升到地表的通道，其内部的物理过程（如堵塞、再通畅、压力变化）对火山地震活动有显著影响，并可通过多种地球物理方法进行监测。*通道堵塞与再通畅：*堵塞：当通道中析出的气泡聚集形成气塞，或结晶物、碎屑堵塞通道时，会阻止岩浆顺利上升。这会导致岩浆房压力异常升高，并可能在堵塞点附近产生应力集中，引发地震。地震活动可能表现为：*频率增加，震源集中在通道附近。*震源机制解可能反映剪切破裂或挤压作用。*可能出现与流体压力异常相关的低频震动或隆起相关震动。*再通畅：当堵塞物被上涌的岩浆清除或压力升高导致堵塞物变形/破碎时，岩浆会快速通过通道上升，岩浆房压力迅速下降。这个过程可能伴随：*快速的扩张性地震活动，震源机制可能与拉张或快速剪切有关。*长周期（LP）地震活动性可能增强，反映岩浆快速流动或气泡形成/释放。*地球物理监测方法：*火山地震学：精确监测地震的频度、震源位置、震源机制、频谱特征（特别是LP地震）和振幅变化，是识别通道过程的重要手段。*大地测量学：GPS监测地表形变（如通道两侧的快速扩张或沉降），InSAR可监测更大范围的地表形变，识别与通道活动相关的隆起或沉降特征。*地热学：监测火山口附近地表温度、地热梯度变化，通道活动（尤其是快速岩浆流动）可能导致局部地热异常。*火山气体地球物理学：监测火山气体（如CO2、SO2）的排放量和成分变化，气体含量的快速增加或变化与通道中岩浆的快速上涌或压力变化密切相关。**解析思路：*首先解释通道堵塞和再通畅的物理含义及其可能引发的应力变化和地震响应，描述相应的地震特征。然后列举并简述用于监测这些过程的地球物理方法（地震学、大地测量学、地热学、气体地球物理学），并说明每种方法如何反映通道状态。3.多学科火山活动监测与预警体系及机制推断：*答：构建火山活动监测和预警体系需要综合运用火山地震学、大地测量学、地热学、火山气体地球物理学等多种地球物理方法，以及地质学、地球化学等其他学科手段，实现对火山活动状态和潜在风险的全面评估。*监测体系构成：*地震监测网络：布设密集的地震台网，实时监测火山地震活动（震相、震源定位、震源机制、LP地震频次与震源深度）。*大地测量系统：部署GPS、InSAR、GPS-IMU等设备，监测火山区域的地表形变（水平位移、垂直位移），追踪岩浆房体积变化和应力状态。*地热监测：