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一座以炽热熔岩湖闻名的火山，其地下深处隐藏着一套出人意料地复杂的岩浆系统。宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用卫星观测数据，在尼加拉瓜活跃的马萨亚火山下方发现了两个此前未被识别的岩浆储库的证据，这为理解熔融岩石如何在地表之下运移提出了新的问题。该发现之所以尤为重要，是因为约有200万人居住在距该火山13英里（约21公里）范围内，而马萨亚同时也是尼加拉瓜首都马那瓜附近的国家公园和热门旅游目的地。

“这些观测有助于科学家更好地理解岩浆在马萨亚下方如何运移，并可能改善未来的监测与喷发预报，”论文第一作者、今年5月获得宾夕法尼亚州立大学地球科学学士学位的Lizzie Johnson表示。

为何马萨亚火山受到密切监测

马萨亚是一座地质结构复杂的火山，拥有多个相互重叠的火山口和破火山口。破火山口是地下岩浆房中的岩浆被抽走后地面塌陷形成的大型洼地。尽管科学家已研究马萨亚多年，但岩浆在其地下储库和通道中的运移方式仍知之甚少，且这些系统会随时间变化，使得准确判断火山下方正在发生什么变得困难。

“全面了解马萨亚的火山活动及其相关灾害至关重要，因为约有200万人生活在马萨亚附近，而且该破火山口是国家公园和热门旅游目的地，”Johnson说。“虽然马萨亚上一次产生大规模熔岩流是在1772年，但其持续脱气常常产生危险的高浓度二氧化硫火山气体。”二氧化硫是岩浆接近或停留在地表附近时释放的一种潜在有害火山气体。即使没有大规模喷发，升高的浓度也可能对游客和周边社区构成危险。

今年夏天在宾夕法尼亚州立大学完成地球科学博士学位的Young Cheol Kim解释说，持续监测火山对于区分正常活动与可能预示火山灾害增加的变化至关重要。“持续监测使我们能够了解基线活动，并识别情况是否正在发生变化，”他说，火山行为的某些变化可能表明进入活动加剧期或可能发生喷发。“然后，如果有必要警告人们，我们可以及时做到这一点。”

卫星揭示火山下方的隐藏运动

为了研究马萨亚的地下活动，研究人员分析了哨兵一号卫星收集的测量数据，该卫星大约每12天对火山进行一次观测。团队使用了一种称为干涉合成孔径雷达（InSAR）的技术，该技术可以探测地球表面海拔的极微小变化。通过比较不同时间的卫星测量结果，科学家能够识别地面正在抬升或沉降的区域。

该技术结合了两项重要能力：合成孔径雷达向地球表面发送微波信号，使卫星即使在云层遮挡地面时也能收集测量数据；干涉测量法则比较返回的雷达信号，以探测卫星与地表之间距离的变化。这在热带地区尤其有价值，因为频繁的云层覆盖会使传统卫星图像可靠性降低。

“云层穿透能力对火山很重要，因为许多火山，比如马萨亚，位于常有云层覆盖的热带地区，”Kim解释道。“当我们查看跨越多年的所有不同卫星图像时，我们可以看到卫星与地面之间距离的变化，即哪里在抬升、哪里在沉降。”通过考察这些随时间发生的细微运动，研究人员无需直接观测岩浆本身，就能研究地表深处发生的过程。

两个岩浆储库表现出不同行为

卫星测量揭示了2018年至2024年间一个引人注目的模式。在研究的前一阶段，马萨亚破火山口内的地面逐渐沉降，即向下移动；后来，同一大致区域开始抬升。科学家认为，这种转变可能反映了地下储存岩浆量的变化：当岩浆从储库中排走时，上覆地面会下沉；当更多岩浆进入并增加储库内压力时，地表可能抬升。

最令人惊讶的发现是，圣地亚哥火山口周边区域并未遵循相同模式。相反，在整个六年研究期间，它持续沉降，即使更广泛的破火山口开始抬升时也是如此。“当它沉降时，意味着可能有岩浆正从火山中排走；但一旦地面再次开始抬升，这可能意味着有新的岩浆正在进入，”Johnson说。“与此同时，活跃的圣地亚哥火山口正下方的区域在整个研究期间独立于主储库的膨胀转变而持续收缩。这表明管道系统更为复杂，可能是由于第二个较浅储库中的岩浆减少所致。”

综合来看，这些观测表明，马萨亚的岩浆储存系统可能至少有两个不同部分正在经历不同变化：一个较深的源区可能正在向主储库供应额外岩浆，而圣地亚哥火山口附近一个较浅的储库可能正在失去岩浆。这有助于解释为什么同一火山的不同区域会朝相反方向移动。

研究人员强调，他们的观测并未显示马萨亚周边社区面临任何直接危险。然而，识别火山的正常行为并理解其岩浆供应系统，可以使未来更容易识别异常变化。持续的卫星观测结合更详细的计算机模型，还可能帮助科学家更好地理解地下岩浆储库与地表火山活动之间的联系。

“进一步长期的大地测量和建模研究将提供更全面的理解，并有助于在马萨亚和其他拥有熔岩湖的玄武质火山进行有效的灾害监测与减灾，”Johnson说。因此，这些发现可能具有尼加拉瓜之外的意义，特别是对其他拥有持久熔岩湖和复杂地下岩浆系统的活火山而言。

Johnson是在参加了宾夕法尼亚州立大学地球科学教授、该校计算与数据科学研究所计算科学中心主任Christelle Wauthier的演讲后参与该项目的。她将该研究作为其Schreyer荣誉学院论文的一部分完成，与包括Kim在内的研究生研究人员合作分析卫星测量数据并培养科学技能。“我很欣赏了解一个研究小组如何运作，”Johnson说，她最近已在夏威夷大学马诺阿分校开始地球科学博士项目，将继续利用地震波对基拉韦厄火山地下进行成像研究。“我以前从未有过研究经验，因此能够参加小组会议并听取每个人的工作，真是太好了。学习编程对我继续攻读博士学位也很有用。”

该研究得到了美国国家科学基金会（奖项1945417和2523375）的支持，以及宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所提供的计算资源。作者对研究结果和结论负全部责任，这些结果和结论不一定代表资助机构的观点。