在夏威夷的火山深处，岩浆从一个巨大的扁平的、相互连接的房间中涌出，这似乎是过去七年里大岛上感到的一群无法解释的小地震的原因，尤其是自2018年k火山喷发和山顶坍塌以来。

这些像烙饼一样的岩浆室被称为“窗台”，向横向和向上引导岩浆，为岛上至少两座活火山(莫纳罗亚火山和k ā lauea火山)的岩浆室补充能量。加州理工学院的地球科学家使用机器学习算法，能够使用从岛上地震台站收集的数据绘制出窗台的结构，以前所未有的精度绘制它们，并证明它们连接了火山。

此外，研究人员能够监测岩浆从窗台向上推的过程，并将其与Kīlauea的活动联系起来。他们分析了2022年5月结束的一段时间，所以还不能说他们是否能发现导致11月27日莫纳罗亚火山喷发的岩浆流，但研究小组打算接下来研究。

“在这项研究之前，我们对夏威夷地下深处的岩浆是如何储存和运输的知之甚少。现在，我们有了管道系统重要部分的高清地图，”加州理工学院研究生约翰·d·威尔丁(22届硕士)说，他是一篇论文的共同主要作者，该论文描述了12月22日发表在《科学》杂志上的研究。这项研究代表着科学家们第一次能够直接观察到位于地下这么深的岩浆结构。怀尔丁说:“我们很清楚岩浆在15公里深以上的系统浅层的作用，但到目前为止，这以下的一切都只是推测的主题。”

根据2018年至2022年中期3.5年期间发生的19.2万多次小地震(小于3.0级)的数据，该团队能够绘制出十多个堆叠在一起的基座。最大的约6公里乘7公里。窗台的厚度一般在300米左右，间隔约500米。

“火山地震的典型特征是震级小，在岩浆动荡期间频繁发生，”地球物理学博士后研究员、《科学》杂志论文的联合第一作者朱伟强说。“我们对机器学习，特别是深度学习的最新进展感到兴奋，这有助于准确检测和定位由密集地震网络记录的这些小地震信号。机器学习可以成为地震学家分析大型存档数据集、识别小地震模式、深入了解底层结构和物理机制的有效工具。”

Wilding和Zhu与William E. Leonhard矿物物理学教授Jennifer Jackson合作;地球物理学助理教授、威廉·h·赫特学者扎卡里·罗斯;他们都是论文的资深作者。今年10月，罗斯被任命为2022年帕卡德科学与工程研究员之一，该奖学金将为这项研究提供资金支持。

研究小组不需要放置任何硬件来进行研究;相反，他们依赖于美国地质调查局(United States Geological Survey)在岛上的地震仪收集的数据。然而，罗斯实验室开发的机器学习算法赋予了他们从噪声中分离信号的前所未有的能力，也就是说，可以清楚地识别地震及其位置，从而创建一种3d“点云”来说明基岩。

罗斯说:“这类似于CT(计算机断层扫描)扫描，医生可以通过这种方式可视化病人的身体内部。”“但我们没有使用x射线的可控源，而是使用被动源，也就是地震。”

该团队能够记录的地震数量是以前的10倍，他们能够以不到一公里的误差范围精确定位地震位置;之前的位置是在几公里的误差范围内确定的。这项工作是使用一种深度学习算法完成的，该算法使用之前识别的数百万次地震的训练数据集来识别地震信号。即使是小地震，在地震记录上可能不会引起人眼的注意，该算法也能找到将地震与背景噪声区分开来的模式。罗斯此前曾利用这项技术揭示了地下流体的自然注入是如何导致加州卡韦拉附近持续了四年的地震群的。

这些窗台的深度似乎在36-43公里左右。(作为参考，人类迄今为止钻到地球最深的地方只有12公里多一点。)科学家们早就知道，在夏威夷地下约35公里处存在相位边界;在这样的相边界上，具有相同化学成分的岩石从上面的一组矿物过渡到下面的另一组矿物。通过研究这些新数据，杰克逊认识到，在这块岩石中发生的转变与岩浆注入相结合，可能会发生化学反应和过程，从而使岩石受力或变弱，这可能解释了基岩的存在——进而解释了活跃的地震活动。

Jackson说:“尖晶石向斜长石的转变可能发生在夏威夷地下浅层岩石圈地幔内的扩散迁移、夹闭和岩浆熔体的结晶过程中。”“这种组合可以表现出由耦合变形和化学反应引起的瞬态削弱，这可能促进裂纹扩展或故障激活。反复的岩浆注入会不断地调节基岩复合体中的晶粒尺寸，延长岩石地震变形的条件。这一过程可以利用强度的横向变化来产生和维持我们观察到的横向致密发震特征。”

研究人员说，目前还不清楚大岛下面的基岩是夏威夷独有的，还是这种次火山结构很常见。“夏威夷是世界上监测最好的岛屿，数十个地震台站为我们提供了一扇了解地表下情况的窗口。我们想知道，还有多少其他地方也发生了这种情况?”威尔丁说。

同样不清楚的是，岩浆的运动是如何引发微小地震的。地震描绘出了这些结构，但人们对地震的实际机制还不甚了解。研究人员说，这可能是因为大量的岩浆注入空间会产生很大的压力。

这篇论文的题目是《夏威夷地下的岩浆网》。这项研究由国家科学基金会和喷气推进实验室资助，加州理工学院为NASA管理。本研究的计算是在Resnick高性能计算中心进行的，该中心由加州理工学院的Resnick可持续发展研究所支持。

图片:莫纳罗亚的东北裂谷带裂缝3喷口和熔岩通道。美国地质调查局图片由L. Gallant提供。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。