美国黄石国家公园在沸腾冒泡的间隙泉和泥浆之下，隐藏着北美最大且仍处于活跃状态的“超级火山”，在过去两百万年中，它曾数次以巨大能量爆发，对整个北美、甚至全球产生了极大影响。火山系统的稳定性，在很大程度上受控于上部岩浆储库的深度，以及挥发性气体的析出过程。尽管已有大量物理和化学证据表明，黄石火山口下方存在上地壳岩浆储库，但由于缺乏高度局部化的观测，岩浆储库顶部的深度及其物性特征是一个长期未得以明确的科学问题。过去一段时间，利用透射体波或面波进行地震成像所生成的平滑波速图，虽然可大致反映岩浆储库的几何形态和平均内部性质，但因其边界模糊、分辨率不足，导致了对储库顶部的深度估算范围在约3–8公里之间。如此大的不确定范围，必然导致在不同深度下，挥发性气体的析出量以及相应的火山稳定性条件存在显著差异。
由莱斯大学、新墨西哥大学、犹他大学等组成的研究团队，在黄石火山口东北区域，用一辆重达约2.4万公斤的重型震动地震卡车（vibroseis truck）作为垂直轴震动震源（其扫描频率范围为6–30 Hz，峰值激振力约220,000 N，相当于在地表激发了近百个微小地震），将地震波送入地下，并以超过600台提前布设的地震仪记录震动信号。通过上述“可控振动源观测系统”研究团队完成震动信号采集（图1a）。
然而，原始三分量地表速度数据和经过包络（envelope）变换后的数据，都因信噪比过低看不到任何反射信号。基于此，研究团队进一步在包络数据上施加短时平均与长时平均比（STA/LTA）函数，这一方法能够在强烈尾波中识别出较弱的震相。将STA/LTA数据按100米的偏移距区间进行叠加后，显示出与P波反射（PzP）及P至S波转换反射（PzS）一致的信号特征（图1b-d），说明这些地震相来自同一反射界面。
图1：(a)黄石火山口东北区域可控振动源观测系统（图中所标示的“泥火山”是一个富含岩浆气体释放的集中区域）。(b–d)STA/LTA数据中的反射信号。图引自Duan等(2025)。
研究团队接着利用STA/LTA数据进行全波场伴随成像（adjoint imaging），成功揭示出岩浆储库顶部的存在一条清晰盖层，该盖层位于黄石火山口东北部，深度约为3.8公里（图2）。PzP图像（图2a）中反射最为强烈的部分为靠近“泥火山（Mud Volcano）”的热液（hydrothermal）活动集中区域。结合在整个测线上更为连续的 PzS图像（图2b），揭示出该盖层极有可能在横向上持续分布约25公里。
图2：PzP和PzS反射图像显示在大约3.8公里深处存在一个明显的岩浆储库顶部界面。虚线表示剪切波速度变化（dVS）等值线。图引自Duan等(2025)。
岩浆上升至3.8公里的上地壳浅层，由于压力和温度的降低，原本在较深地壳条件下溶解于岩浆中的挥发性气体开始析出，并可能在岩浆储库顶部聚集气泡，这一过程在现代火山系统中通常难以直接观测到。
为进一步研究该盖层的物质成分，研究团队使用弹性波场正演模拟，对比了两类模型中PzS/PzP 振幅观测值随偏移距的变化（温度为700 °C，压强为100 MPa）：一类模型假设孔隙中仅填充硅酸盐熔融的岩浆体，另一类模型假设孔隙中填充硅酸盐岩浆与超临界流体（supercritical fluid）气泡的混合物（图3）。需要说明的是，在该温压下，气液（主要成分为H₂O，亦存在少量CO₂和硫化物）处于临界转换状态，因此称为超临界流体。
结果表明，当总孔隙率为10–14%时，充填超临界水和熔融流纹岩的模型能够更好地拟合观测到的PzS/PzP 振幅比。最佳拟合模型的卡方残差为2.6，对应总孔隙率为14%，其中一半为超临界水（可相应算出岩浆挥发分的体积分数为7%），一半为流纹岩岩浆。相比之下，孔隙中仅存在无气泡的流纹岩熔体的模型表现很差，其卡方残差大于300。由此证明，岩浆库顶部盖层附近的孔隙空间被超临界流体气泡与流纹岩熔体的混合物所填充。
图3：(a-b) 不同总孔隙率和流体类型条件下，PzS/PzP振幅比随偏移距变化的拟合结果。最佳拟合结果对应总孔隙率为14%，且孔隙中由等体积分数的超临界水与流纹岩熔体组成的充分混合流体。若孔隙中充满无气泡的流纹岩熔体，拟合效果显著变差。(c)岩浆库构造示意图。该岩浆库主体由晶体组成，岩浆只占据晶体间的孔隙空间。岩浆库顶部的薄层中，气泡在上升过程中暂时积聚其中，并停留在晶体与部分熔体之间的孔隙中形成富含气泡的临界态。图引自Duan等(2025)。
以上这些结果表明：从一个富含挥发气体成分的地幔源持续向地壳供给岩浆的过程中，上地壳储库中析出的气泡被部分保留下来，虽然气泡聚集产生的压力积累最终可能导致岩浆喷发，但当前通过地震学方法估算的储库顶部盖层中气泡的体积分数低于喷发前常见的估计值。同时，结合对黄石热液系统的观测，显示有大量岩浆挥发性气体持续释放至地表，由于气泡上升较快并通过热液系统通道排出，黄石火山岩浆储库目前处于一种稳定状态。
本文揭示了黄石火山的当前状态，以及影响其喷发的可能性因素，采用的技术方法对未来美国乃至全球活火山的研究起到积极推动作用。该研究成果以“A sharp volatile-rich cap to the Yellowstone magmatic system”为题发表于国际学术期刊《Nature》（DOI：10.1038/s41586-025-08775-9）。段成龙为第一作者及通讯作者, Brandon Schmandt为共同通讯作者，共同作者还包括：Wenkai Song、Jamie Farrell、David Lumley、Tobias Fischer、Lindsay L. Worthington、Fan-Chi Lin。该研究受美国国家科学基金（NSF grants EAR-1950328）资助。数据采集在黄石国家公园研究许可 （YELL-2020-SCI-8146）下进行。计算资源由Texas Advanced Computing Center提供。
图文：南大地科院地质工程专业2015届硕士毕业生 段成龙
审核：唐朝生
