《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Magnetotelluric images of the hydrothermal and magmatic system beneath Volcan Misti (Peru)
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本研究通过部署42个宽频带磁层列电法站点，构建了秘鲁Misti火山首个三维电阻率模型，揭示其内部存在三层低电阻率特征：地表1公里黏土层、海平面附近低阻体及地下10公里安山质熔体，证实岩浆补给隐蔽，地震活动浅层集中，为火山灾害评估提供新数据。
冈萨洛·罗梅罗-贝尔特兰（Gonzalo Romero-Beltran）|斯韦特兰娜·伯尔迪纳（Svetlana Byrdina）|马汀·昂斯沃思（Martyn Unsworth）|亚内特·安塔尤阿（Yanet Antayhua）|埃尔南多·塔维拉（Hernando Tavera）|玛伊拉·奥尔特加（Mayra Ortega）|何塞·路易斯·托雷斯（Jose Luis Torres）|沃尔克·拉特（Volker Rath）|马可·里维拉（Marco Rivera）|胡安霍·莱多（Juanjo Ledo）|多明戈·拉莫斯（Domingo Ramos）|贝托·卡利亚塔（Beto Ccallata）|雷纳尔多·卡西亚安科（Reynaldo Ccacyancco）
秘鲁地球物理研究所，地址：Calle Badajoz 169，Ate，利马，秘鲁
摘要
米斯蒂火山（Volcan Misti）位于南美洲的中央火山带（Central Volcanic Zone，CVZ），被认为是该地区最危险的火山之一。通过对喷发物质的岩石物理和矿物学研究，发现该火山存在一个互动且分层的岩浆系统，由两到三个岩浆储库组成。然而，由于缺乏高分辨率的地球物理成像数据，其几何形态以及与构造和地震活动之间的关系仍大部分尚未明确。为了解决这一问题，在火山周围部署了42个宽带磁通量大地电（MT）观测站，以构建首个岩浆和热液系统的三维电阻率模型。数据分析结果显示出三个低电阻率特征：第一个是厚度约为1公里的导电层（5至40 Ωm），延伸至火山下方，被解释为黏土盖层；第二个特征是位于海平面的低电阻率体（10–30 Ωm）；第三个特征是位于海平面以下约10公里处的低电阻率体（< 10 Ωm），位置略偏火山东侧（约2.5公里）。这一特征的电阻率表明存在安山岩熔体，推测在900–950°C的温度范围内熔体占比约为4–24%。与火山相关的地震活动非常微弱，主要集中在火山口下方约2.5公里的深度。地震活动的浅层位置，结合MT模型，表明岩浆的补给和供应过程可能以隐秘的方式进行。
引言
米斯蒂火山（海拔5820米）被归类为安第斯山脉中央火山带（CVZ）内的活火山（De Silva和Francis，1991年；Aguilera等人，2022年）。CVZ是南美洲大陆上三个活跃火山带之一（图1a）。该地区的火山活动是由于纳斯卡洋板块（Nazca Plate）俯冲到南美板块下方所引起的，俯冲速率为每年约9厘米（Romanyuk，2009年），板块俯冲角度在20°至30°之间（Müller等人，2008年）。
米斯蒂火山被认为是南美洲最危险的火山之一，因为它距离秘鲁第二大城市阿雷基帕（Arequipa）仅17公里（图1b），该城市人口约为130万（INEI，秘鲁国家统计与信息研究所，2017年人口普查数据）。阿雷基帕建在一个NW–ESE走向的构造凹陷带上，这个凹陷带与两个区域性断层系统有关：万卡断层（Huanca Fault，本研究称为Chili断层）和阿瓜达-布兰卡断层（Aguada-Blanca Fault）。这两个断层均呈NW–SE方向，以正断层滑动为主（Thouret等人，2001年；Benavente等人，2017年）。
通过两项地球物理研究，已经初步了解了米斯蒂火山的内部结构。第一项研究由Finizola等人（2004年）进行，他们利用自电位数据发现了火山中部上方的近地表热液系统以及下部斜坡的水文地质特征；第二项研究由Cabrera-Pérez等人（2022年）通过环境噪声层析成像技术发现了破火山口和岩浆侵入的迹象。在更深的层次，Unsworth等人（2026年，论文待发表）的研究首次利用宽带MT数据成像了火山下方的深层结构，并识别出低电阻率异常区。这些特征可能与当前的或过去的岩浆活动有关，包括部分熔融、含水流体以及与先前岩浆事件相关的黏土蚀变和交代作用。由于这项区域研究并未专门针对米斯蒂火山，因此对其深层结构和岩浆系统的了解仍然有限，且尚未有深度地球物理研究报道。目前仅通过岩石物理和矿物学分析喷发物质来推测岩浆系统的组成，并提出了其深层结构模型（例如Takach等人，2024年；Tepley III等人，2013年；Vlastélic等人，2022年；Rivera等人，2017年）。
磁通量大地电（MT）是一种被动电磁地球物理方法，通过分析地球外部磁场的自然变化来表征地下电阻率结构（Chave和Jones，2012年）。地下电阻率是通过地表电场和磁场正交分量随时间的振幅和相位关系推断出来的。地壳的电阻率受到热液流体和部分熔体的存在及其化学成分的影响，同时还受到黏土矿物含量、温度和压力等因素的影响（Unsworth和Rondenay，2013年）。
在火山环境中进行的MT研究成功揭示了岩浆系统的位置、几何形态和组成（例如Bedrosian等人，2018年；Peacock等人，2016年），并且为检测岩浆过程的变化及理解活跃地壳断层与火山活动之间的相互作用提供了有力工具（例如Díaz等人，2012年）。这种方法同样可以应用于米斯蒂火山，通过成像地下电阻率结构可以深入了解该岩浆系统的特征。因此，这种方法在提高我们对地下物理过程的理解方面发挥着关键作用，并有助于火山灾害评估，尤其考虑到米斯蒂火山与阿雷基帕市的邻近性所带来的持续风险。本文介绍了在米斯蒂火山周边地区进行的MT调查结果。通过对MT数据的三维反演，得到了揭示岩浆系统几何形态的电阻率模型，并探讨了活跃地壳断层与火山活动之间的相互作用。此外，基于MT数据反演得到的电阻率值用于估算岩浆体的熔体占比。
数据采集
2018年和2023年，两个研究小组在米斯蒂火山周围共设置了42个观测站进行磁通量大地电数据采集。站点分布情况见图1b。绿色标记的站点由INGEMMET（秘鲁地质、矿业和冶金研究所）与加拿大阿尔伯塔大学合作完成测量。这两家机构使用了Phoenix Geophysics V5–2000和MTU-5C仪器。
三维MT反演
为了确定米斯蒂火山的三维电阻率结构，使用了FEMTIC三维反演代码（Usui，2015年；Usui等人，2017年）。反演方法中的正演模型部分使用六面体砖块和非共形变形的六面体或四面体元素来表示电阻率结构。后两种方式比使用直线网格的代码更能准确反映复杂的地形和地质结构。
三维电阻率模型的结果
三维反演模型揭示了与米斯蒂火山相关的岩浆系统的浅层和深层结构。图5和图6分别展示了基于三维电阻率模型的垂直剖面和水平切片，其中清晰地识别出了导电和电阻异常区。
在不同深度发现了五个导电异常：
反演模型有效性评估
进行了两次独立的敏感性测试，以评估图5和图6中显示的模型特征在多大程度上是由MT数据决定的。第一次测试模拟了可能位于火山锥下方的浅层岩浆体C2。为此，在海平面处引入了一个半径分别为2公里、4公里、6公里和8公里的球形体（图7a）。对每个扰动模型进行了正演分析。
热液系统
大多数活跃火山都拥有近地表热液系统，这是由于向下渗透的降水与深层岩浆流体相互作用形成的（Aizawa等人，2005年；Aizawa等人，2009年）。电阻率模型显示了浅层导电层C1的存在，由于其几何形态和位置，可以推断其与当前活跃的热液系统有关，这一系统的活动得到了火山周围温泉的存在支持。
部分熔融分析
磁通量大地电（MT）调查得到的电阻率值为推断岩浆体的物理和化学组成提供了有力工具。这一过程并非唯一，因为整体电阻率受到多种相互依赖参数的影响，包括熔体成分、熔体占比以及熔体相的空间几何形态和连通性（参见Pommier的综述，2014年）。硅酸盐熔体的电阻率主要受其含水量控制。
结论
本研究提出了米斯蒂火山的三维电阻率反演模型，并揭示了火山系统的内部结构细节。模型识别出多个导电异常区，包括：
(a)一个延伸至火山体外的表层导电层（C1）。这一特征被解释为由先前形成的凝灰岩沉积物蚀变形成的富含蒙脱石的黏土盖层。
CRediT作者贡献声明
冈萨洛·罗梅罗-贝尔特兰（Gonzalo Romero-Beltran）：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建、审稿与编辑。斯韦特兰娜·伯尔迪纳（Svetlana Byrdina）：审稿与编辑、可视化处理、验证、监督、软件应用、资源协调、数据分析、概念构建、资金争取、数据管理、调查工作及撰写终稿。马汀·昂斯沃思（Martyn Unsworth）：审稿与编辑、验证、监督、软件应用。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
SB的研究得到了IRD、ISTerre的BQR以及CNRS-INSU的“Tellus计划”的资助。SB的工作是在秘鲁地球物理研究所（IGP）与法国IRD研究所之间的合作协议框架下完成的。MU还获得了NSERC的Discovery Grant RGPIN-06462项目的财务支持。特别感谢Yoshiya Usui向MT社区提供了他的反演代码。反演输入数据的构建工作也得到了...
