西馬塔海底火山噴發的超遠程水聲監測

魏士儼, 楊燕明*, 阮海林

1 自然資源部第三海洋研究所, 福建廈門 361005 2 福建省海洋物理與地質過程重點實驗室, 福建廈門 361005

0 引言

世界上約75%的火山噴發活動發生在海底,其對地球生命起源、極端環境生物生態系統以及成礦作用具有極其重要的意義(Crisp, 1984; Embley et al., 2006).但由于海水的遮擋,人們對海底火山噴發活動的時空分布知之甚少(Embley et al., 2006),也很難直接觀察到海底火山的噴發過程(Tepp and Dziak, 2021).海底火山活動表現為氣體噴發、巖漿脫氣、熱液和微地震等,持續時間可達數年(Tepp and Dziak, 2021).其產生的地震能量通常較低且地震波在固體地球內部的傳播衰減較強,而地震臺主要分布在陸地上,限制了地震儀對海底火山的有效探測范圍.海水具有聲傳播損失相對較低的特點,使得水聲觀測系統正成為海底火山活動長期監測的重要手段之一.其中,近場水聲監測通常采用無海底纜的自容式水聽器陣列或海底水聽器(Ocean Bottom Hydrophone, OBH),水聽器具有分析頻帶范圍較寬且噴發活動記錄細節豐富的特點(Bohnenstiehl et al., 2014; Dziak et al., 2008, 2012).但設備能源供給及電纜通信方式、高通量衛星通信成本都無法支持水聲數據長期、遠距離和近實時的傳輸;同時,由于自容式設備電池容量有限,為了能夠獲取有效的水聲觀測數據,需要預先估計海底火山的噴發區域和時間,才能適時適地布放設備.遠距離水聲監測是基于低頻聲信號能夠在聲定位和測距聲道(Sound Fixing and Ranging Channel, SOFAR)內以極低的能量損失遠距離傳播的特性,利用通過海底電纜連接的水聽器,對海底火山進行超遠程近實時監測.然而較遠的距離導致聲傳播路徑及與界面的相互作用復雜,因此超遠程水聲傳播過程分析將有助于提升火山活動監測的可靠性.

隨著海洋觀測技術的快速發展,在21世紀初的二十年中,研究人員已經成功地開展了部分海底火山的觀測和研究.其中,針對關島東北部北馬里亞納群島海底火山(NW Rota-1)的爆發活動,Embley等在2004年至2005年使用遙控潛水器進行了兩次現場觀測及采樣(Embley et al., 2006).Dziak等利用該火山附近的水聲監測數據對火山噴發時的氣體通量進行了估算,結果表明海底火山是淺海CO2重要和持續性的來源之一(Dziak et al., 2008).2009年8月該火山的噴發引起了重大的海底滑坡事件(Chadwick et al., 2012),直至2010年仍能在現場觀測到持續釋放的二氧化碳氣泡且伴有間歇性的爆炸式氣體釋放(Chadwick et al., 2014).Dziak等利用四個OBH對新西蘭東北部克馬德克海的兄弟火山進行近場監測,得到了該火山噴發期間微震較為集中的區域和頻次,并以此對熱液口的數量進行了估算(Dziak et al., 2012).Heaney等利用遠程聲觀測系統對西太平洋Sarigan島海底火山的一次噴發活動進行了定向和傳播損失分析,觀測距離超過了2200 km(Heaney et al., 2013).Metz等利用該系統對位于太平洋西北部北馬里亞納群島的阿伊火山為期15天的噴發過程進行監測并對估算了總聲能(Metz et al., 2018).Tepp等利用部署在阿拉斯加伯格斯洛夫火山附近的次聲陣列和水聽器,開展了8.5個月的觀測,并對火山噴發不同階段的聲學特性進行了分析(Tepp et al., 2020).

西馬塔是位于湯加弧北部Lau盆地的海底火山,距離薩摩亞島約200 km.2008年11月在火山頂約175 m處發現了富含顆粒的羽流,美國海洋大氣局(NOAA)的科學家于2009年5月使用Jason2遙控潛水器觀測到該火山兩個噴口(深度約1208 m)的爆炸性噴發活動,釋放了大量的H2O、CO2和硫,整個噴發活動持續了至少2.5年(Resing et al., 2011).這兩個活躍的火山口分別位于火山山頂(海平面下約1159 m)西南方50 m和150 m處,通過比較1996年和2008—2010年船基測深的結果,發現該噴口位置的噴發活動可能已經持續了十多年(Clague et al., 2011).2009年1月至2010年4月,Bohnenstiehl等利用布設在Lau盆地的短基線水聲陣列獲取的噪聲數據,對盆地附近的火山噴發活動進行了探測分析,發現薩摩亞和智利大地震后火山噴發探測率有所增加,他們認為大地震可能會對地球海底火山系統產生一定的影響(Bohnenstiehl et al., 2014).

本文利用全面禁止核試驗條約組織(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization,CTBTO)國際監測系統(International Monitoring System,IMS)的2套水聽器三聯體(H03N和N10N),在2009年1月1日—2010年2月27日期間,對位于西南太平洋的西馬塔海底火山進行了為期14個月的監測;通過水聲信號檢測方法和聲傳播模型仿真研究,對該火山噴發活動的時段、頻次和能量等進行了分析.本研究將為我國海底火山監測與研究提供一種新的途徑.

1 水聲觀測系統

CTBTO-IMS擁有6個水聲站(見圖1),每個站由兩個底部系泊的水聽器三聯體(距離約100 km)組成,由附近海島上的控制中心通過海底電纜進行供電和數據傳輸,其主要目的是用于監測水中和近岸發生的核爆炸.在有可能接收到西馬塔火山信號的水聲臺站中,H04站因故于2017年才恢復觀測,錯過了該火山的噴發期;H11站與火山的聲傳播路徑受多座海山阻擋,沒有接收到該火山的信號;而H03站和H10站分別存在到火山的大圓和非大圓路徑,因此,本文采用這兩個站北部的三聯體H03N和H10N開展火山監測研究,這2套三聯體分別由約830 m和約850 m深的三個同步采集水聽器組成,如圖1b和圖1c所示,水聽器間距為2 km,采樣率為250 Hz.

圖1 水聲站和火山分布圖

2 海底火山活動信號檢測

2.1 信號檢測方法

CTBTO水聲站的觀測范圍較大,數據中存在大量非火山噴發的其他信號和噪聲,為了實現對火山活動的有效監測,需要對火山活動信號進行判別.海底火山噴發可以產生短暫或持續的脈沖信號,持續時間由幾十秒到數分鐘,最長可達數十分鐘(Green et al., 2013; Metz and Grevemeyer, 2018; Tepp et al., 2019; Wohletz, 2003).

H03N和H10N水聽器三聯體探測遠距離水聲信號的最佳頻段是4～12 Hz(Hanson and Bowman, 2006),因此,本文采用4～12 Hz帶通濾波對水聲數據進行處理,這也有助于減少部分非火山信號(海洋大尺度運動、鯨類、航行器和人為活動等產生的低頻聲信號)的干擾.由于三聯體水聽器深度相近且火山位于遠場(>9000 km),可以采用基于平面波擬合的陣列定向算法(Del Pezzo and Giudicepietro, 2002)計算到達信號的后向方位角和傳播速度.陣列中水聽器間距為X,則信號延遲時間T表示為

T=p·X,

(1)

其中,X=Δxij和T=tij分別為水聽器i與j間的距離和信號時延,p≡(px,py)是平面波經過三聯體的慢度.將濾波后聲數據分割為1 min時長、不重疊的數據段,對每一段數據分別采用互相關處理.由于火山噴發信號通常由多個相似的脈沖信號組成,可能出現多個相關系數峰值,產生時延模糊.為了提高時延估計的可靠性,本文提出了一種基于Hilbert變換的多尺度相關技術.

(2)

圖2 2009年6月14日00∶39—00∶44信號時延分析

ct=tij+tik+tkj.

(3)

理論上,應滿足ct=0.考慮誤差影響,有學者在印度洋和太平洋CTBTO三聯體數據處理中采用12個采樣點(采樣率250 Hz)作為時延和的閾值,取得了較好的效果(Graeber and Piserchia, 2004; Metz and Grevemeyer, 2018).因此,本文中時延和ct有效范圍同樣設為±48 ms,ct值不滿足該范圍的信號段將被排除.由于聲波傳播距離較遠,會出現明顯的信號長度增加和幅度峰值位置變化等情況;同時,遠距離傳播過程中可能經歷不完全深海聲道,將導致三聯體接收的信號出現非典型深海聲道的信號到達結構.本文根據水聽器間信號的相關系數建立權重因子,采用加權最小二乘法求解公式(1)得到慢度p,則平面波通過三聯體的速度和后向方位角為

(4)

φ=tan-1(px/py).

(5)

為了消除非SOFAR聲道傳播到達的信號,以聲速為約束條件,僅保留公式(4)聲速在1481±50 m·s-1范圍內的結果.其中,1481 m·s-1是用混合坐標大洋環流模式(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model, HYCOM)數據估算的聲接收位置處的年平均聲速,±50 m·s-1是聲接收位置處聲速誤差的最大范圍.

當到達水聽器三聯體的信號短時間內穩定于某個方向時,表明該信號來自一個固定的、準連續的聲源,可以采用基于密度的空間聚類算法(DBSCAN)(Ester et al., 1996)對其進行識別.結合西馬塔火山與H03N站的固定方位關系,對火山持續活動信號進行聚類,以提高信號檢測的準確性.DBSCAN算法需要輸入兩個參數:形成聚類的最少數目和參數空間的搜索半徑.本文中聚類最少數目設定為60個信號段,即60 min時長.參數空間由時間和方位角構成,時間半徑為12 h,約為該火山爆發高峰期內噴發活動暫停的時間間隔(Bohnenstiehl et al., 2014);方位角設為0.5°,符合該類型水聽器三聯體的定向精度(Hanson and Bowman, 2006).

2.2 監測結果

2009年1月1日—2010年2月27日,H03N和H10N信號檢測結果的后向方位角分布如圖3所示.西馬塔火山沿大圓路徑到達H03N的實際后向方位角為254.7°,圖3a中H03N在該方位存在持續、穩定的檢測結果,而圖3b中,206.4°附近的檢測結果則是經非大圓路徑到達H10N的,這表明兩個三聯體均能夠檢測到來自西馬塔火山的信號.為了進一步證明檢測結果的可靠性,根據傳播距離估算火山信號到達兩者的時間差約為76 min,選取2009年6月13日兩套三聯體各自1號水聽器的數據,經過濾波處理(4～12 Hz)和聲壓級計算(1 min窗口),對H03N1聲壓級結果增加76 min的時間偏移量,兩個水聽器聲壓級的對比結果如圖3c所示,可以發現兩者一致性較好.由于該火山與H03N距離更近且存在聲傳播的大圓路徑,因此,利用H03N開展火山噴發活動的分析.以254.7°±5°作為有效方位角區間,該范圍包括了湯加弧的大部分區域,共檢測到31234個信號;其中,采用DBSCAN算法檢測到持續火山活動37組、共29183個信號,即93%的檢測結果都與西馬塔火山的持續活動有關,這表明西馬塔火山是湯加弧區域該時段內的主要低頻聲源之一.對該火山噴發過程的現場觀察(Resing et al., 2011)及近場聲觀測(Bohnenstiehl et al., 2014)都證實了本文的監測結果.選取2009年5月15日H03N2水聽器數據的處理結果進行展示(見圖4).圖4a是采用2.1節方法得到信號檢測結果,后向方位角分布范圍為254.7°±0.22°(3倍標準差),這可能是由于火山存在多個噴口或是火山產生的T波經非大圓路徑傳播導致的后向方位角差異.圖4b是4～12 Hz帶通濾波數據的平均聲壓級,通過計算瞬態聲壓的均方根得到;由圖4c可知,火山噴發能量主要集中在低頻部分.

圖3 2009年1月1日—2010年2月27日檢測結果的后向方位角

圖4 2009年5月15日H03N2水聽器數據的處理結果

從圖4b和圖4c中發現在08∶20左右出現了較強的信號,其特征與地震信號相似,但在圖4a中該時段的檢測結果為空,說明其并不是來自西馬塔火山.圖4d和圖4e是經帶通濾波和歸一化的水聲信號時域波形.圖4d是一段火山噴發的信號,該過程由一系列短促的信號組成,持續時間達到7 min,與前人的研究結論相似(Green et al., 2013; Metz and Grevemeyer, 2018; Tepp et al., 2019; Wohletz, 2003);而圖4e中除了火山噴發的信號外,還存在著伴隨火山活動的地震信號.

3 討論與分析

3.1 傳播損失仿真分析

為了證明西馬塔火山活動產生的聲波能夠沿著SOFAR聲道傳播至9000 km以外的H03N,采用基于拋物方程(Parabolic Equation,PE)的距離相關聲場模型(Range of dependent Acoustic Model, RAM)(Collins, 1993a)對聲傳播過程進行了仿真分析,如圖5所示.聲源頻率為10 Hz、深度為1200 m,水聽器接收深度為830 m,聲速剖面和海底地形分別采用混合坐標大洋環流模式(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model, HYCOM)和全球海洋通用水深 (General Bathymetric Chart of the Oceans, GEBCO)的數據.聲傳播路徑首先經過了深度較淺的湯加弧,傳播損失明顯增加;當經過東太平洋海隆時,受海山的影響,1500 m以下深度出現了較強聲傳播衰減;在H03N水聽器接收位置的傳播損失約為127 dB.低頻聲波在遠距離傳播過程中,水平反射和折射影響是不可忽略的,本文還采用絕熱簡正波拋物方程(Adiabatic Mode Parabolic equation, AMPE)模型(Collins, 1993b)對第一模態的傳播損失進行了三維仿真,聲源和接收端參數與上述二維仿真的相同,結果如圖6所示,得到H03N水聽器接收位置的傳播損失約為125 dB.已有研究結果表明,海底火山噴發的聲源級可達209 dB(Dziak et al., 2012).根據WENZ深海噪聲曲線(Wenz, 1962),10 Hz處的噪聲級至少為60 dB,因此,西馬塔火山活動產生的水聲信號可以經SOFAR聲道遠距離傳播至H03N并以一定的信噪比被檢測到.

圖5 基于RAM模型的沿西馬塔火山到H03N站大圓路徑二維聲傳播損失仿真(10 Hz)

圖6 基于AMPE模型的西馬塔火山到H03N站三維傳播損失仿真(10 Hz)

3.2 火山活動分析

對西馬塔火山活動檢測結果的累計數量和單日數量進行了分析,如圖7a和圖7b所示.單日最多可檢測到1315個1 min時長的信號,在整個火山活動期內,平均每天約200個信號,相當于每8 min就能收到一個火山活動的信號.2009年9月19日和2010年1月13日分別出現了64天和46天的平靜期,火山噴發釋放的能量極低甚至可能出現活動停止的情況.雖然該時段也提取到一些與火山方位一致的結果(見圖3),但是不具有持續性,可能是火山零星噴發活動產生的水聲信號,也可能是非火山信號.對DBSCAN算法的聚類結果進行平均聲壓級估算,如圖7c所示,H03N接收到的火山活動事件信號在4～12 Hz頻段的平均聲壓級為86～96 dB;每一組噴發活動的持續時間從最短幾小時至最長十幾天,半數時長超過2天;其中,2009年6月11日和8月12日分別出現了長達9天和17天的持續性火山噴發活動.

圖7 2009年1月—2010年2月H03N站所檢測到的西馬塔火山噴發活動結果

4 結論

利用CTBTO-IMS的H03N和H10N這2套水聽器三聯體,對9000 km以外的西馬塔海底火山進行了為期14個月的監測,發現在該火山活躍期內噴發活動頻繁且釋放能量較高,但不同時刻噴發活動能量變化大.2009年9月和2010年1月分別出現了超過40天的火山噴發冷靜期.對西馬塔火山至H03N的2D和3D聲傳播仿真結果表明CTBTO-IMS水聲站具有對海底火山的超遠程水聲探測能力.提出了多尺度時延估計技術,通過基于加權慢度計算和聚類分析的信號檢測,CTBTO-IMS水聲監測系統能夠實現對海底火山活動長期、近實時地監測,并獲取已知海底火山的多種重要信息(是否處于噴發活動中、噴發起止時間、整個過程能量釋放強度的變化等),為火山、熱液等研究提供重要數據,為深潛器現場觀測和采樣提供重要的決策依據;同時,該系統的監測范圍可達上萬公里,能夠為未知海底火山的發現提供位置和時間等重要線索.

致謝感謝全面禁止核試驗條約組織(CTBTO)提供的水聽器數據,HYCOM(www.hycom.org)提供的海水溫度和鹽度數據,GEBCO(www.gebco.net)提供的海底地形數據.