火山喷发前兆：科学家发现火山喷发前兆的微弱信号——“Jerk”方法成功预测92%的喷发

一种名为“Jerk”的新方法能够探测到由岩浆上升引起的极其细微的地面运动，从而为火山喷发提供早期预警。在一项为期十年的测试中，该方法成功预测了世界上最活跃的火山之一的92%的喷发。（来源：Shutterstock）

提前预测火山喷发，以便警告当局和附近社区，仍然是火山学中最大的挑战之一。发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上的一项研究描述了一种新的探测技术，名为“Jerk”，由巴黎地球物理研究所（Institut de Physique du Globe de Paris, IPGP）和德国地球科学研究中心（GFZ Helmholtz Centre for Geosciences）的研究人员和工程师开发。该方法依赖于单个宽频地震仪来探测与地下深处岩浆入侵相关的极其细微的地面运动。

这些微弱的信号可以实时揭示火山活动的最早阶段。研究团队在留尼汪岛（La Réunion）的一个火山观测站对该方法进行了为期十年的测试。在此期间，该系统成功预测了2014年至2023年间发生的24次喷发中的92%。警告时间从喷发开始前几分钟到最多八小时不等。大约14%的警报并未导致喷发。然而，这些警报仍然探测到火山下方的岩浆运动。由于它需要的设备相对较少，Jerk系统可能成为一个重要的早期预警工具，特别是对于那些没有受到密切监测的火山。（背景延伸：宽频地震仪是一种能够记录非常宽频率范围地震波的仪器，相比于传统地震仪，它能捕捉到更多关于地球内部结构和地震活动的信息。）

为什么预测火山喷发很困难

火山在喷发前通常会显示出警告信号。这些可能包括地震活动增加、地面变形以及火山气体排放或成分的变化。虽然这些信号是众所周知的，但准确解释它们仍然很困难。科学家们仍在努力确定喷发何时发生、持续多长时间以及威力有多大。

误报也构成了一个严重的问题。不正确的警告可能导致代价高昂的疏散、经济中断以及公众对监测系统的不信任。因此，提高喷发预测的可靠性是研究火山灾害的科学家的主要目标。

探测上升岩浆引起的微弱地面运动

许多以前的喷发预测方法依赖于概率分析，这意味着它们在大型监测数据集中寻找统计关系。相比之下，由巴黎地球物理研究所的François Beauducel博士和波茨坦德国地球科学研究中心的Philippe Jousset博士领导的团队开发的新方法侧重于直接探测与岩浆运动相关的物理信号。

“Jerk”方法识别出当岩浆侵入地壳时发生的极小地面运动。这些信号表现为非常低频的瞬变信号，即在水平地面运动中记录的脉冲式过渡或沉降信号，包括加速度和倾斜。研究人员表示，这些信号可能源于喷发前发生的动态岩石破裂过程。

科学家们在十多年前分析留尼汪岛富尔奈斯火山（Piton de la Fournaise）先前喷发的大量数据集时，首次发现了这些信号。这些信号非常小，仅为每秒立方纳米（nm/s3）的几纳米。即便如此，它们也可以用单个超宽频地震仪检测到。

该系统包括专门的数据处理，可以校正地球潮汐等因素。当特征信号超过某个阈值时，自动系统会立即发出警报。（背景延伸：地球潮汐是指地球受到月球和太阳引力作用而产生的周期性形变现象，会影响地球表面的应力分布。）

十年实时火山监测

该系统于2014年4月安装在由巴黎西岱大学（Université Cité Paris）的巴黎地球物理研究所（IPGP）运营的富尔奈斯火山火山观测站（OVPF-IPGP, 留尼汪岛）。该工具是WebObs监测系统的自动组件，并使用来自全球地科Scope网络（Geoscope network）的宽频地震台站的数据，该台站位于火山顶峰8公里处（Rivière de l'Est）。

第一次警报发生在2014年6月20日。该系统在喷发开始前1小时2分钟发出了警告。

在接下来的十年中，Jerk检测系统持续运行。它为2014年至2023年间记录的24次喷发中的92%生成了自动警报。根据事件的不同，警告的发布时间从岩浆到达地表前几分钟到8.5小时不等。

富尔奈斯火山是世界上受到最严密监测的火山之一，使其成为测试新方法的理想场所。科学家们能够使用其他监测指标（包括地震活动、地面变形和火山气体测量）来确认Jerk警报。这些独立的观测证实了岩浆入侵已经发生，并且喷发的可能性很高。该系统还使用1998年至2010年间24次喷发的历史数据进行了评估，其中Jerk信号始终出现在喷发事件之前。

“这项工作最伟大的独创性在于，Jerk方法在超过10年的时间里以自动和无人监督的方式进行了实时测试和验证，而不是像文献中发表的绝大多数喷发前兆研究那样在数据的后处理中进行，”该研究的合著者、德国地球科学研究中心2.2地球物理成像部门的科学家Philippe Jousset博士解释说。

理解误报

虽然该系统总体表现良好，但一些警报并未导致喷发。当系统发出警报时，这些“误报”发生在14%的情况下。然而，进一步的分析表明，这些事件不是随机错误。相反，它们对应于真正的岩浆入侵，但最终没有产生喷发。科学家有时将这些事件称为“中止喷发”。

地震活动、地面变形和火山气体测量等其他观测证实了在这些警报期间火山下方存在岩浆。“除了Jerk警报对喷发的有效性之外，该工具还被证明是岩浆入侵的完美而明确的探测器，”Philippe Jousset总结道。

最近的一个例子发生在2025年12月5日富尔奈斯火山发生的地震危机期间。除了小的变形变化和气体异常外，科学家们还记录到一个微弱的Jerk信号，仅为0.1 nm/s3。该信号证实岩浆已侵入火山下方。

在其他火山上测试该方法

在留尼汪岛进行了十多年的连续实时监测后，研究人员认为Jerk系统可以作为其他火山的实用早期预警工具，特别是那些监测基础设施有限的火山。

该团队计划扩大该方法的测试范围，将其应用于其他活跃火山。首批目标之一将是意大利的埃特纳火山（Mount Etna）。“POS4dyke”项目将部署一个新的来自波茨坦地球物理仪器库（GIPP Geophysical Instrumental Pool of Potsdam）的宽频地震仪网络，以检测Jerk信号。预计将于2026年与意大利国家地球物理和火山学研究所（INGV, Italy）合作开始安装。

这项工作还将与SAFAtor项目联系起来，该项目正在探索如何使用光纤电缆来改进地震和火山喷发的早期预警系统。总之，这些努力可以显著提高科学家探测和预测世界各地火山活动的能力。