原文標題：《什么？火山底下的巖漿網(wǎng)是這樣的？》

很久之前，我們曾經(jīng)介紹過火山的相關(guān)基礎(chǔ)知識，介紹了火山的分類，火山的形成，火山的分布。想必大家對火山有了一定的了解了，如果還沒有一定了解的話，出門右轉(zhuǎn)看看之前的推文去！（指路👉湯加火山爆發(fā)后，你應(yīng)該了解的火山故事！（一）、湯加火山爆發(fā)后，你應(yīng)該了解的火山故事！（二））分布在世界的各地火山，或多或少都成為了著名旅游景點，比如日本富士山，中國的長白山天池，以及美國的太平洋珍珠 —— 夏威夷。今天我們就來聊聊這個著名度假景點、旅游勝地，同樣也是地球科學研究的熱點（真?熱點，與地幔柱相關(guān)）。

夏威夷位于太平洋中部，由 132 個島嶼組成，這些島嶼由火山爆發(fā)而形成，因此海洋中火山爆發(fā)是可以造陸的。早在上個世紀，板塊理論提出之后，人們發(fā)現(xiàn)夏威夷島并不在板塊邊緣，那么為什么會存在這么大范圍的火山分布呢？業(yè)界祖師爺約翰?圖佐?威爾遜 (John Tuzo Wilson) 這時候提出了一個絕妙的想法，那就是熱點理論，熱點理論認為即使不在板塊邊界，板塊內(nèi)部的單個固定地幔柱也會形成火山。到了 2003 年，研究人員發(fā)現(xiàn)其實熱點不是固定的，而是移動的，也就是說夏威夷島現(xiàn)在的分布形狀是由于熱點移動造成的。對于夏威夷島的研究從來沒有斷過，研究越來越細也越來越深入。

不久前，Science 上發(fā)布了一篇文章，文章題目是：The magmatic web beneath Hawai'i. 頂尖期刊文章的題目總是這樣簡潔有力，意思就是夏威夷底下的巖漿網(wǎng)。由于技術(shù)手段的限制，人們無法直接的看到地下的結(jié)構(gòu)，你總不可能把地球來個切片吧？這活，可能就“三體人”干的動。以目前我們?nèi)祟惖目茖W水平還是辦不到的，畢竟就算鉆井也最多 12km，地殼都沒鉆透，就更別想研究地幔了。因此就發(fā)展更多的間接研究技術(shù)，用的最多的就是地球 CT 技術(shù) —— 地震！地震的科普相當多了，大家可以自己搜羅。我們知道利用地震信息可以研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至是地核。因此，更多的地震數(shù)據(jù)可以幫助我們獲得更精細的地下結(jié)構(gòu)。這里面還有更多的分析方向，比如說獲得地下地震波速度結(jié)構(gòu)進行研究，以及利用地震定位的數(shù)據(jù)進行研究。這兩者都是研究地下結(jié)構(gòu)的地震學利器，著重的方向不一樣，速度結(jié)構(gòu)強調(diào)的是整體的結(jié)構(gòu)分析，比如哪一塊低速體對應(yīng)什么構(gòu)造，哪一塊高速體又對應(yīng)什么構(gòu)造；而地震定位更容易判斷某些邊界或者構(gòu)造活動更強烈的地方，比如說 Benioff zones（貝尼奧夫帶），就是俯沖板片的構(gòu)造。

既然地震定位數(shù)據(jù)能夠判斷構(gòu)造更活躍的地帶，那么火山底下的這些巖漿網(wǎng)肯定就是其中之一了。上述提到的這篇文章就是利用地震定位的數(shù)據(jù)進行巖漿網(wǎng)的識別判定，不過還需要加點其他作料，這個作料就是深度學習算法。深度學習等 AI 算法現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了各個行業(yè)和領(lǐng)域，無人駕駛汽車等等，在地球科學領(lǐng)域近幾年也呈現(xiàn)了井噴式的相關(guān)論文數(shù)量增長。具體的 AI 算法如何助力地球科學領(lǐng)域，我們會在后續(xù)其他推文中單獨聊聊。

現(xiàn)在來看夏威夷的巖漿網(wǎng)，文章的中心結(jié)論就是通過深度學習算法等得到的地震定位數(shù)據(jù)，在地幔重構(gòu)成了一個巨大的巖床，規(guī)模達到 15km 長，并通過狹長的地震活動帶（25km）和火山相連接，另外還會連通到淺部的一些巖床等。這些結(jié)構(gòu)充分證實了地幔的這個巨大巖床是地下巖漿運輸?shù)臉屑~，進一步證實了巖漿網(wǎng)的連通性。

至于具體是怎么做的，我們大致描述下：首先，所有的定位數(shù)據(jù)都是從 2018 年基拉韋厄火山口（Kīlauea）坍塌后開始的，總的數(shù)據(jù)量達到 20 萬個，為什么會有這么多，得益于地震學觀測手段的進步（地震臺網(wǎng)和流動臺站的廣泛布設(shè)）。自從基拉韋厄火山口坍塌和爆發(fā)后，地震活動變得更加強烈。研究者利用這個數(shù)據(jù)庫，通過深度學習的手段進行了處理，并獲得了精細的地震目錄（空間和時間上都更加精細）。更加精細的地震目錄是進行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，這樣的地震目錄在空間和時間上會更加準確，也更能反演地震活動的空間和時間演化規(guī)律。

研究者通過對數(shù)據(jù)的空間分布和時空演化的研究分析后，識別出 Pāhala 的結(jié)構(gòu)，也就是地幔中的巨大巖床結(jié)構(gòu)。在 2018 年后的 3.5 年內(nèi)，這個區(qū)域總共記錄到了 192000 次地震，可謂數(shù)量驚人。在進行聚類分析后，研究者們發(fā)現(xiàn)其主要是離散的層狀近水平結(jié)構(gòu)，整體水平延展 17 公里，向西傾斜約 25°，各簇厚度可達 300m。在時間演化上，各簇在的活躍時間也呈現(xiàn)了明顯的不同，顯示了其巖漿活動的規(guī)律。

左圖 AB 為 Pāhala 的地震定位結(jié)果以及聚類結(jié)果，右圖 ABCD 為針對左圖四個五角星區(qū)域地震結(jié)果的時間演化規(guī)律（Wilding et al., 2022）

研究者們通過結(jié)合深度學習的算法對地震數(shù)據(jù)進行了精細的處理，并借此對夏威夷火山地下巖漿網(wǎng)進行了精細的成像，獲得了明確的巖漿網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是一篇異常精彩的研究文章，也推進了人類對于火山的活動性有了進一步的認識。看來我們?nèi)祟惣词棺鳛橄x子也是會積極思索的蟲子！（順帶一提，大家快去看三體電視劇，哈哈）

Reference

• Tatsumi Y., Eggins S. Subduction zone magmatism. Cambridge: Blackwell Science, Inc. 1995. 1-49

• Wilding, J. D., Zhu, W., Ross, Z. E., & Jackson, J. M. (2022). The magmatic web beneath Hawai ‘i. Science, eade5755.

本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨

總結(jié)

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