夏威夷位于太平洋中部，由 132 個島嶼組成，這些島嶼由火山爆發而形成，因此海洋中火山爆發是可以造陸的。早在上個世紀，板塊理論提出之后，人們發現夏威夷島并不在板塊邊緣，那么為什么會存在這么大范圍的火山分布呢？業界祖師爺約翰?圖佐?威爾遜 (John Tuzo Wilson) 這時候提出了一個絕妙的想法，那就是熱點理論，熱點理論認為即使不在板塊邊界，板塊內部的單個固定地幔柱也會形成火山。到了 2003 年，研究人員發現其實熱點不是固定的，而是移動的，也就是說夏威夷島現在的分布形狀是由于熱點移動造成的。對于夏威夷島的研究從來沒有斷過，研究越來越細也越來越深入。

不久前，Science 上發布了一篇文章，文章題目是：The magmatic web beneath Hawai'i. 頂尖期刊文章的題目總是這樣簡潔有力，意思就是夏威夷底下的巖漿網。由于技術手段的限制，人們無法直接的看到地下的結構，你總不可能把地球來個切片吧？這活，可能就“三體人”干的動。以目前我們人類的科學水平還是辦不到的，畢竟就算鉆井也最多 12km，地殼都沒鉆透，就更別想研究地幔了。因此就發展更多的間接研究技術，用的最多的就是地球 CT 技術 —— 地震！地震的科普相當多了，大家可以自己搜羅。我們知道利用地震信息可以研究地球內部結構，甚至是地核。因此，更多的地震數據可以幫助我們獲得更精細的地下結構。這里面還有更多的分析方向，比如說獲得地下地震波速度結構進行研究，以及利用地震定位的數據進行研究。這兩者都是研究地下結構的地震學利器，著重的方向不一樣，速度結構強調的是整體的結構分析，比如哪一塊低速體對應什么構造，哪一塊高速體又對應什么構造；而地震定位更容易判斷某些邊界或者構造活動更強烈的地方，比如說 Benioff zones（貝尼奧夫帶），就是俯沖板片的構造。

既然地震定位數據能夠判斷構造更活躍的地帶，那么火山底下的這些巖漿網肯定就是其中之一了。上述提到的這篇文章就是利用地震定位的數據進行巖漿網的識別判定，不過還需要加點其他作料，這個作料就是深度學習算法。深度學習等 AI 算法現在已經廣泛應用在了各個行業和領域，無人駕駛汽車等等，在地球科學領域近幾年也呈現了井噴式的相關論文數量增長。具體的 AI 算法如何助力地球科學領域，我們會在后續其他推文中單獨聊聊。

現在來看夏威夷的巖漿網，文章的中心結論就是通過深度學習算法等得到的地震定位數據，在地幔重構成了一個巨大的巖床，規模達到 15km 長，并通過狹長的地震活動帶（25km）和火山相連接，另外還會連通到淺部的一些巖床等。這些結構充分證實了地幔的這個巨大巖床是地下巖漿運輸的樞紐，進一步證實了巖漿網的連通性。

至于具體是怎么做的，我們大致描述下：首先，所有的定位數據都是從 2018 年基拉韋厄火山口（Kīlauea）坍塌后開始的，總的數據量達到 20 萬個，為什么會有這么多，得益于地震學觀測手段的進步（地震臺網和流動臺站的廣泛布設）。自從基拉韋厄火山口坍塌和爆發后，地震活動變得更加強烈。研究者利用這個數據庫，通過深度學習的手段進行了處理，并獲得了精細的地震目錄（空間和時間上都更加精細）。更加精細的地震目錄是進行結構分析的基礎，這樣的地震目錄在空間和時間上會更加準確，也更能反演地震活動的空間和時間演化規律。

研究者通過對數據的空間分布和時空演化的研究分析后，識別出 Pāhala 的結構，也就是地幔中的巨大巖床結構。在 2018 年后的 3.5 年內，這個區域總共記錄到了 192000 次地震，可謂數量驚人。在進行聚類分析后，研究者們發現其主要是離散的層狀近水平結構，整體水平延展 17 公里，向西傾斜約 25°，各簇厚度可達 300m。在時間演化上，各簇在的活躍時間也呈現了明顯的不同，顯示了其巖漿活動的規律。

左圖 AB 為 Pāhala 的地震定位結果以及聚類結果，右圖 ABCD 為針對左圖四個五角星區域地震結果的時間演化規律（Wilding et al., 2022）

研究者們通過結合深度學習的算法對地震數據進行了精細的處理，并借此對夏威夷火山地下巖漿網進行了精細的成像，獲得了明確的巖漿網結構，這是一篇異常精彩的研究文章，也推進了人類對于火山的活動性有了進一步的認識?？磥砦覀內祟惣词棺鳛橄x子也是會積極思索的蟲子?。槑б惶?，大家快去看三體電視劇，哈哈）

Reference

• Tatsumi Y., Eggins S. Subduction zone magmatism. Cambridge: Blackwell Science, Inc. 1995. 1-49

• Wilding, J. D., Zhu, W., Ross, Z. E., & Jackson, J. M. (2022). The magmatic web beneath Hawai ‘i. Science, eade5755.

本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨

總結

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