DOI: https://doi.org/10.1029/2025jb031338
تاريخ النشر: 2025-11-01
المؤلف: Hao Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الموجات الزلزالية والتحليل
نظرة عامة
في تجربة زلزالية كبيرة-N أجريت من سبتمبر 2022 إلى أغسطس 2023 في حقول إيفل البركانية في جنوب غرب ألمانيا، تم استخدام أكثر من 494 موقع محطة لتصوير الهياكل تحت السطحية بدقة غير مسبوقة. ركزت الدراسة على بركان لاشر سي (LSV)، الذي ثار آخر مرة قبل 13,000 سنة، واستخدمت بيانات الزلازل المحلية لإنشاء نماذج عالية الدقة لسرعة الموجات P ($V_P$) ونسبة سرعة الموجات P إلى S ($V_P/V_S$). كشفت النتائج عن وجود شذوذ أسطواني كبير في القشرة العليا، يمتد من أعماق 2 إلى 10 كم، يتميز بانخفاض $V_P$ وارتفاع نسب $V_P/V_S$، مما يشير إلى وجود مناطق تحتوي على سوائل أو صهارة جزئية. بالإضافة إلى ذلك، يقع الشذوذ فوق قناة زلزالية بين القشرة والوشاح، مما يشير إلى مسار محتمل لهجرة السوائل الماغماتية.
كما قدمت النتائج رؤى حول التكتونيات الإقليمية والميزات البركانية، مؤكدة التفسيرات الجيولوجية السابقة. تم تحديد الدفعة الرئيسية في سيغن (ST) مع شذوذات عالية في $V_P$، مما يشير إلى رواسب بحرية متحولة تم دفعها للأعلى، بينما يشير نمط الميل في ST إلى تقسيم الإجهاد خلال فترة الأوروجيني في فاريسكان. ومن الملاحظ أن تركيزًا كبيرًا من الزلازل الصغيرة لوحظ تحت شذوذ LSV، مما يتوافق مع قيم عالية لـ $V_P$ ويشير إلى ضغط أو درجات حرارة مرتفعة للسوائل في المسام. تسلط الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين الهياكل التكتونية والنشاط البركاني في منطقة إيفل، مع تداعيات لفهم العمليات تحت السطحية والمخاطر البركانية المحتملة.
مقدمة
تقع حقول إيفل البركانية في الكتلة الرينية في وسط أوروبا، ولها تاريخ جيولوجي معقد يتميز بغمر أحواض المحيطات واصطدامات قارية لاحقة خلال الفترة الديفونية المبكرة إلى الكربونية المتأخرة. أدى ذلك إلى تشكيل دفعات كبيرة، بما في ذلك الدفعة الرئيسية في سيغن ودفعة ناه. شهدت الفترة الرباعية ظهور حقلين بركانيين: حقل إيفل الغربي البركاني (WEVF) وحقل إيفل الشرقي البركاني (EEVF)، مع ثورات ملحوظة مثل ثورة VEI 6 في بركان لاشر سي قبل حوالي 13,000 سنة. تشير الدراسات الحديثة إلى وجود عمليات ماغماتية مستمرة تحت إيفل، كما يتضح من معدلات الارتفاع التي تبلغ حوالي 0.75 مم/سنة وازالة كبيرة لثاني أكسيد الكربون، إلى جانب سلسلة من الزلازل البركانية منخفضة التردد.
لفهم أفضل للأنظمة الماغماتية تحت إيفل، تم إجراء تجربة زلزالية سلبية جديدة بين 2022 و2023، تتميز بكثافة تغطية عالية للمحطات. تهدف هذه الدراسة إلى استخدام التصوير الزلزالي المحلي لتصوير هيكل السرعة في القشرة العليا واستكشاف العلاقات بين الهياكل الجيولوجية والنشاط البركاني. أشارت الأبحاث السابقة، بما في ذلك التصوير الزلزالي عن بعد والتوصيف المغناطيسي، إلى وجود عمود من الوشاح وطبقة موصلة داخل القشرة، لكن تفاصيل الأنظمة الماغماتية في القشرة لا تزال غير محلولة. من المتوقع أن توفر النتائج من هذا البحث المستمر رؤى حاسمة حول الهندسة المكانية وحجم خزانات الماغما تحت مراكز إيفل البركانية.
الطرق
استخدمت الدراسة منهجية شاملة لتحليل البيانات التي تم جمعها للدراسة. شملت مصادر البيانات قياسات كمية ونوعية، مما يضمن إطار عمل قوي للتحليل. تم تطبيق تقنيات إحصائية لتقييم العلاقات بين المتغيرات، مع التركيز بشكل خاص على تحليل الانحدار لتحديد قوة وأهمية هذه العلاقات.
بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الدراسة أدوات حسابية متقدمة لمعالجة البيانات وتصويرها، مما يعزز قابلية تفسير النتائج. تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز وضمان موثوقية النتائج، مع دمج تقنيات التحقق مثل التحقق المتبادل وتحليل الحساسية. بشكل عام، قدمت الطرق المستخدمة أساسًا قويًا لاستخلاص استنتاجات ذات مغزى من البيانات.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث نشر واستخدام شبكة زلزالية كبيرة-N في منطقة إيفل، والتي سجلت بيانات زلزالية على مدار عام، من سبتمبر 2022 إلى أغسطس 2023. كانت هذه الشبكة، التي تركزت في حقل إيفل الشرقي البركاني (EEVF)، تتألف من أكثر من 495 محطة مع مسافات متباينة بين المحطات، مما سمح بمراقبة زلزالية شاملة. استخدمت الدراسة تقنيات متقدمة في تعلم الآلة لاكتشاف الزلازل، مما أدى إلى إنشاء كتالوج يضم أكثر من 4,000 حدث، بما في ذلك الزلازل المحلية والأنشطة البشرية. تم اختيار 718 زلزالًا محليًا عالي الجودة لمزيد من التحليل، مع التركيز على منطقة صدع أوخندونغ، حيث لوحظ نشاط زلزالي كبير.
توضح الورقة المنهجيات المستخدمة في معالجة البيانات الزلزالية، بما في ذلك بناء نموذج سرعة 1-D وحساب متوسط نسبة $V_P / V_S$، والتي وُجد أنها حوالي 1.61. تصف الدراسة أيضًا عملية الانعكاس التوموغرافي ثلاثي الأبعاد باستخدام برنامج SIMUL2023، الذي دمج بفعالية بيانات زمن السفر للموجات P وS-P لاشتقاق نماذج السرعة. أشارت النتائج إلى دقة جيدة في المنطقة المركزية من EEVF، مع تأثيرات تلطيفية قليلة، خاصة في القشرة العليا. تسلط الأبحاث الضوء على أهمية تقنيات تحديد معلمات النموذج والتنظيم في تعزيز موثوقية النماذج التوموغرافية، مما يساهم في فهم أفضل للزلازل والهياكل تحت السطحية في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1029/2025jb031338
Publication Date: 2025-11-01
Author(s): Hao Zhang et al.
Primary Topic: Seismic Waves and Analysis
Overview
In a large-N seismic experiment conducted from September 2022 to August 2023 in the Eifel volcanic fields of southwest Germany, over 494 station locations were utilized to image subsurface structures with unprecedented resolution. The study focused on the Laacher See volcano (LSV), which last erupted 13,000 years ago, and employed local earthquake data to generate high-resolution models of P-wave velocity ($V_P$) and the P-wave to S-wave velocity ratio ($V_P/V_S$). The results revealed a significant cylindrical anomaly in the upper crust, extending from depths of 2 to 10 km, characterized by low $V_P$ and high $V_P/V_S$ ratios, suggesting the presence of fluid or partial melt-bearing zones. Additionally, the anomaly is situated above a crust-mantle seismic channel, indicating a potential pathway for magmatic fluid migration.
The findings also provided insights into regional tectonics and volcanic features, confirming previous geological interpretations. The main Siegen Thrust (ST) was identified with high $V_P$ anomalies, indicating overthrusted metamorphosed sea sediments, while the dipping pattern of the ST suggests strain partitioning during the Variscan orogeny. Notably, a significant concentration of microearthquakes was observed beneath the LSV anomaly, correlating with high $V_P$ values and indicating elevated pore-fluid pressure or temperatures. The study highlights the complex interplay between tectonic structures and volcanic activity in the Eifel region, with implications for understanding subsurface processes and potential volcanic hazards.
Introduction
The Eifel volcanic fields, situated in the Rhenish Massif of Central Europe, have a complex geological history characterized by the subduction of oceanic basins and subsequent continental collisions during the Early Devonian to Late Carboniferous period. This led to the formation of significant thrusts, including the Siegen main thrust and the Nahe thrust. The Quaternary period saw the emergence of two volcanic fields: the West Eifel Volcanic Field (WEVF) and the East Eifel Volcanic Field (EEVF), with notable eruptions such as the VEI 6 eruption at the Laacher See volcano approximately 13,000 years ago. Recent studies suggest ongoing magmatic processes beneath the Eifel, indicated by uplift rates of about 0.75 mm/year and substantial CO₂ degassing, alongside a series of low-frequency volcanic earthquakes.
To better understand the magmatic systems beneath the Eifel, a new passive seismological experiment was conducted between 2022 and 2023, featuring high station density and coverage. This study aims to utilize local earthquake tomography to image the velocity structure of the upper crust and explore the relationships between geological structures and volcanic activity. Previous research, including teleseismic tomography and magnetotelluric profiling, has indicated the presence of a mantle plume and a conductive intracrustal layer, but the details of the crustal magmatic systems remain unresolved. The findings from this ongoing research are expected to provide crucial insights into the spatial geometry and volume of the magmatic reservoirs beneath the Eifel volcanic centers.
Methods
The research employed a comprehensive methodology to analyze the data collected for the study. The data sources included both quantitative and qualitative measures, ensuring a robust framework for analysis. Statistical techniques were applied to assess the relationships between variables, with particular emphasis on regression analysis to determine the strength and significance of these relationships.
Additionally, the study utilized advanced computational tools to process and visualize data, enhancing the interpretability of results. The methodology was designed to minimize bias and ensure the reliability of findings, incorporating validation techniques such as cross-validation and sensitivity analysis. Overall, the methods employed provided a solid foundation for drawing meaningful conclusions from the data.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the deployment and functionality of a large-N seismological network in the Eifel region, which recorded seismic data over a year, from September 2022 to August 2023. This network, centered in the East Eifel volcanic field (EEVF), comprised over 495 stations with varying inter-station distances, allowing for comprehensive seismic monitoring. The study utilized advanced machine-learning techniques for seismicity detection, resulting in a catalog of over 4,000 events, including local earthquakes and human-induced activities. A total of 718 high-quality local earthquakes were selected for further analysis, with a focus on the Ochtendung fault zone, where significant seismic activity was observed.
The paper details the methodologies employed for seismic data processing, including the construction of a 1-D velocity model and the calculation of the average $V_P / V_S$ ratio, which was found to be approximately 1.61. The study also describes the 3-D tomographic inversion process using the SIMUL2023 program, which effectively integrated P-wave and S-P travel time data to derive velocity models. The results indicated good resolution in the central area of the EEVF, with minimal smearing effects, particularly in the upper crust. The research highlights the importance of model parameterization and regularization techniques in enhancing the reliability of the tomographic models, ultimately contributing to a better understanding of the seismicity and subsurface structures in the region.