Jerk：一种基于单台宽频带地震仪实现火山喷发早期预警的突破性工具

《Nature Communications》：Jerk, a promising tool for early warning of volcanic eruptions

火山喷发预报是火山学领域的重大挑战，目前仍缺乏能够发出明确实时警报的系统性工具。为解决此问题，研究人员开展了一项关于“Jerk”信号的研究。该研究证实，Jerk信号是岩浆注入导致岩石破裂的直接物理指标，可通过单台宽频带地震仪进行实时监测。在Piton de la Fournaise火山长达10年的实时运行中，该工具对92%的喷发事件成功发出了预警，警报时间从几分钟到8.5小时不等。这项研究为火山喷发早期预警提供了一种全新的、高度可靠的确定性方法，尤其适用于监测能力较弱的火山。

　　

火山，作为地球内部能量释放的窗口，既是壮丽的自然奇观，也是极具破坏性的自然灾害。准确预测火山喷发，是保障人类生命财产安全、减少灾害损失的关键。然而，尽管科学家们已经建立了包括地震、形变、气体等多种手段在内的监测网络，但火山喷发的预报至今仍是一个世界性难题。现有的监测信号往往复杂多变，难以解读，导致火山观测站常常无法在喷发前发出明确、可靠的警报。这就像面对一个即将爆发的“定时炸弹”，我们却缺少一个精准的“倒计时器”。

为了破解这一难题，来自法国巴黎地球物理研究所的Fran?ois Beauducel团队另辟蹊径，将目光投向了火山喷发前一种极其微弱但至关重要的物理信号。他们发现，在岩浆从地下储库向上侵入、撕裂岩石的过程中，会产生一种被称为“Jerk”的瞬时信号。这种信号是地面加速度的导数，能够灵敏地捕捉到岩石破裂的动力学过程。更重要的是，该信号可以通过单台宽频带地震仪进行检测，这为构建一个简单、高效且高度自动化的预警系统提供了可能。

经过在Piton de la Fournaise火山长达十年的实时运行验证，这项名为“Jerk”的预警工具取得了令人瞩目的成功。它成功地对92%的喷发事件发出了预警，平均预警时间长达2小时，为人员疏散和灾害应对赢得了宝贵的时间。这项突破性的研究成果于2025年发表在《Nature Communications》上，为火山喷发预报提供了一种全新的、高度可靠的确定性方法。

关键技术方法

本研究主要基于对Piton de la Fournaise火山RER宽频带地震台站（360 s）长期观测数据的分析。研究人员开发了一套全自动化的数据处理流程，首先利用Gotic2程序去除地球和海洋潮汐的干扰，然后计算水平加速度的导数以获取Jerk信号。通过设定0.1 nm.s^-3和0.2 nm.s^-3的双重阈值，并结合方位角（朝向火山口）的约束条件，系统能够自动触发警报。此外，研究还利用弹性半空间位错模型，从理论上解释了Jerk信号的物理机制，并利用WebObs系统实现了该方法的实时集成与运行。

研究结果

基于Jerk信号的早期预警系统

自2014年4月起，研究团队在Piton de la Fournaise火山观测站（OVPF-IPGP）部署了一套全自动化的Jerk信号处理与警报系统。该系统利用RER宽频带地震台站的数据，实时计算Jerk信号，并在信号超过阈值时自动发送警报。在2014年至2023年的实时运行期间，该系统成功地对24次喷发中的22次发出了预警，成功率达到92%。预警时间从几分钟到8.5小时不等，平均为2小时。在此期间，仅发生了2次漏报（假阴性）和2次误报（假阳性），误报率为14%。接收者操作特征（ROC）曲线分析证实，0.1 nm.s^-3的阈值是最优选择，曲线下面积（AUC）为0.85，表明该检测方法具有优异的性能。

水平摆地震仪

Jerk信号通常出现在地震群活动最剧烈、山体形变最显著的阶段。该信号基于水平摆的原理，其记录的加速度是地面水平位移和地面倾斜的综合响应。理论模型分析表明，在距离震源较远（如8公里）的情况下，水平位移的贡献远大于倾斜的贡献。因此，Jerk信号主要反映了震源处（岩浆侵入）的水平位移动态，其质点运动轨迹呈准线性，并指向火山口方向，这为粗略定位震源提供了依据。

Jerk信号的解释

Jerk信号是地面加速度的导数，因此它对震源处的加速度变化极为敏感。一个简单的弹性半空间位错模型显示，Jerk信号的出现需要震源处存在强烈的加速张开过程。Jerk信号表现为水平分量在背景噪声（通常低于0.05 nm.s^-3）上的显著偏离，其结束通常与地震活动减弱、岩墙开始稳定传播的时间点相对应。由于数据处理需要时间，该方法的响应时间约为10至15分钟。对于发生在火山口附近、岩浆上升速度极快的喷发，Jerk信号可能会与喷发几乎同时出现，导致预警时间极短或漏报。

历史喷发的后处理分析

为了进一步验证Jerk工具的有效性，研究人员对1998年至2010年间的24次历史喷发进行了后处理分析。结果显示，83%的喷发事件（20次）本应触发Jerk警报。漏报的喷发主要发生在火山口内部，且前兆地震群活动微弱、持续时间短，表明岩浆是在已高度破碎的介质中上升，几乎没有产生新的破裂。此外，研究还识别出3次与岩浆侵入相关但未发生喷发的Jerk信号。这些信号虽然对于喷发预警是“假阳性”，但严格来说，它们是岩浆注入和岩石破裂的准确警报。

结论与讨论

本研究提出并验证了一种名为“Jerk”的火山喷发早期预警新工具。该工具基于单台宽频带地震仪，能够实时检测由岩浆注入导致岩石破裂所产生的瞬时信号。在Piton de la Fournaise火山长达十年的实时运行中，该工具对92%的喷发事件成功发出了预警，平均预警时间达2小时，误报率仅为14%。理论模型和观测数据均证实，Jerk信号是岩浆侵入导致岩石加速破裂的直接物理指标。

这项研究的意义重大。首先，它提供了一种全新的、高度可靠的确定性预警方法，极大地提升了火山喷发预报的准确性。其次，该方法仅需单台宽频带地震仪即可实现，这为监测能力较弱的偏远火山或资源有限的地区提供了一种极具潜力的替代方案。最后，Jerk信号作为一种物理指标，不仅可用于喷发预警，未来还有望通过多台仪器联合反演，实现对岩浆侵入源的位置、方向和体积等参数的实时估算，从而深化我们对火山喷发物理过程的理解。