斯坦福大学的研究人员发现，坎皮佛莱格瑞火山区发生的地震是由地下水压力而非岩浆活动引起的。控制水流或许可以降低该地区的地震风险。
自2022年以来，意大利南部地震频发，且震级越来越高，致使位于菲莱格雷火山区的数十万人面临危险，该区域的地表缓慢起伏。官员们正在权衡疏散计划和灾害应对策略，而研究人员或许已经找到了一种可能的方法来阻止这种反复发生的不稳定现象：管理地表径流或降低地下水水位，从而降低地热储层中的流体压力。
斯坦福大学的科学家利用地下成像和实验室实验证明，当盖层或表层被封死时，坎皮弗莱格赖火山区下方被困的水和水蒸气所产生的压力可引发地震。该研究成果已发表在《科学进展》杂志上。研究发现，这种压力积聚是 20 世纪 80 年代初和最近 15 年来发生地震活动和地面变形的原因，这一发现使研究团队揭示了关键驱动机制。
这些结果挑战了长期以来的一个观点，即该地区的地震是由岩浆或气体从更深的熔融区上升到地表所引起的。相反，本研究揭示了水库中水量的逐渐补充是如何随时间影响陆地变形和高度变化的。
“为解决这一问题，我们可以管理地表径流和水流，甚至可以通过从井中抽取流体来减压，”该研究的主要作者、斯坦福大学可持续发展多尔学院地球与行星科学副教授蒂齐亚娜·瓦诺里奥说。
研究人员分析了坎皮弗莱格赖地区最近两次动荡期间，地下结构和地震成像中反复出现的模式和共同特征。这些动荡以地面隆起和爆发式震动为特征，伴随着隆隆声，这已成为当地民众所熟知的一种标志。科学家怀疑，这些活动预示着蒸汽驱动的爆炸，当地震引发的断裂导致液态水迅速汽化时，就会触发这种爆炸。该研究涵盖了1982年至1984年以及2011年至2024年两次动荡期间的数据。
“我们一直在研究相隔数十年发生的事件，但这些成像之间有着深刻的相似性，这不仅表明该现象具有周期性规律，而且表明存在共同的潜在原因，”意大利那不勒斯费德里科二世大学（University of Naples Federico II）研究员兼斯坦福大学访问学者格拉西亚·德·兰多（Grazia De Landro）是本文的合著者，他说道。“从那时起，我们就开始萌生合作的想法，特别是从岩石物理学角度展开研究。要使用岩石物理学对地下成像进行定量描述，这是唯一的方法。”
坎皮弗莱格雷火山区域位于那不勒斯和维苏威火山以西的波佐利镇下方，拥有一个加盖的地热水库。自1982年至1984年期间发生动荡以来，该区域一直受到持续监测。当时，土地隆起超过6英尺，波佐利港变得非常浅，船只无法再停泊。在那之后，一场4级地震和数千次微震导致波佐利4万人撤离。
“过去三年极具挑战性。许多建筑物因持续震动而损毁，有些人无家可归”，万尼奥里奥说道。他从小在波佐利长大，20世纪80年代被迫撤离。“这个项目是我作为公民现在的目标，而不仅仅是作为地球物理学家的目标，因为研究表明，火山活动可以管控，而不仅仅是监测，这为预防开辟了道路。”
会“呼吸”的土地
费莱格雷火山口是一个宽8英里的破火山口，由大约39,000年前和15,000年前的大规模喷发造成地表塌陷而形成的一大片洼地。即使在没有喷发的情况下，这个破火山口也会经历隆起和沉降，地面会上升和下沉。1982年至1984年发生动荡后，该地区下沉了约3英尺。要发生沉降，必须从地表下释放物质，这些物质可能包括岩浆、水、蒸汽和二氧化碳。
波佐利的居民注意到，这座火山口仿佛在“呼吸”，它喷射着烟尘，震动着地面，有时在短时间内甚至会使地面升降数米。
从历史上来看，火山地区的隆起与岩浆相关的补给过程有关这一观点已被广泛接受，该观点认为岩浆和/或其气体是变形和随后发生地震的主要驱动力——但根据这项研究的发现，情况可能并非总是如此。虽然一些研究人员从十年前就开始探索降水与地震活动之间的关系，但范尼奥里表示，该研究阐明，起作用的并非降雨本身，而是封闭水库中水缓慢而稳定的积聚所产生的压力导致了断裂——以及随之而来的震动。
瓦诺里奥补充道：“我们知道，过去24年来，降雨量的年变化一直在增加，因此需要监测的是地下蓄水的地下水水位，或是确保径流的直接疏导。”
封闭系统
坎皮弗莱格赖地区的一个显著特征是，地热水库顶部的盖层具有纤维状结构。在工程领域，人们使用纤维材料来加固结构，因为它们可以在不变形断裂的情况下发生形变。它们可以累积应力，在火山系统中，这些应力最终可能会通过过热的水、蒸汽和火山灰的突然喷发而释放。
研究人员研究了24年的降雨模式、地下水流的方向以及盖层密封的过程，以了解地热储层的补给及其压力积累情况。在瓦诺里奥的岩石物理与地质材料实验室中，他们展示了盖层裂缝如何通过岩石矿物与热液水和蒸汽之间的相互作用而封闭。
为了测试盖层的特性，研究人员使用了一个水热容器进行了实验，该容器的功能类似于许多意大利人都熟悉的一种工具：摩卡壶，或称意式浓缩咖啡机。他们在容器的底部腔室填充了盐水，顶部填充了维苏威火山地区典型的火山灰和碎岩，然后将容器加热至地热储层中的温度。在一天之内，就形成了矿物纤维，并且岩层中的裂缝也通过胶结作用迅速封闭。
这形成了一个封闭系统，使流体压力不断上升，直到压碎周围的岩石。地震引起的裂缝会导致流体压力突然下降，因为液态水会瞬间变成水蒸气并逸出。“这会产生爆炸性冲击波和该地区特有的轰鸣声，”瓦诺里奥说。
研究人员运用了多学科知识来揭示坎皮弗莱格赖火山作为一个封闭系统的运作方式，其中包括德兰德罗（De Landro）利用地震记录进行的地表以下断层成像，这些成像可以像CT扫描一样进行分析。
“通过地球物理方法勘探地下情况就像老式门铃：它只能告诉我们有人在按门铃，却不会显示是谁。因此，必须在实验室中对层析成像进行解释和检验——这就是地震学与岩石物理学之间合作如此强大的原因，”瓦诺里奥说道。
一个新模型
对断层扫描以及地震发生的位置和范围的分析支持了研究人员的一个理论，即反复隆隆作响可能并非由岩浆补给或该系统释放气体所引发。在两次不安定活动期间，地震均始于盖层，震源相对较浅，约为 1 英里。
“在对地震时间演变的可视化呈现后，你可以看到一个非常清晰的模式——地震随时间推移而加深，”共同作者、地球与行星科学博士后学者郭天阳说道，他将两个时间段的地震数据结合起来进行了可视化解读。
研究人员表示，如果岩浆或其上升到较浅处的气体是不安定的主要原因，那么我们预计会出现相反的模式——地震始于离地表约 5 英里深的融化区域附近，并随着时间的推移逐渐变浅。此外，瓦诺里奥说，岩浆上升却没有喷发，无法解释动荡后的沉降现象。对于沉降现象的一个合理解释是，地震活动造成的裂缝导致观测到水和蒸汽的排放，这自然释放了水库内的压力。
凭借坎皮弗莱格赖火山内部运作的新模型，研究人员希望向当地政府官员阐明导致这一酝酿中的系统动荡不安的潜在机理。
“我称之为地质条件的风暴完美汇合——风暴形成的所有要素都已齐备：系统的燃烧器——即熔融岩浆，地热储层的燃料，以及盖子，”瓦诺里奥说道，“我们无法对燃烧器采取行动，但我们确实有能力管理燃料。通过修复水渠、监测地下水以及管理储层压力，我们可以推动地球科学采取更加积极主动的方法——就像预防性医疗保健一样——以便早期发现风险并在动荡发生之前加以预防。这就是科学为社会服务的方式。”
参考文献：Tiziana Vanorio、Davide Geremia、Grazia De Landro和Tianyang Guo于2025年5月2日在《科学进展》上发表的“坎皮弗莱格赖火山口地球物理现象的再现”。DOI：10.1126/sciadv.adt2067
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