这一发现尤为重要，因为大约有200万人居住在距离该火山13英里的范围内，这里也是一个受欢迎的旅游目的地。了解其地下活动可以帮助科学家识别未来喷发的预警信号，并更好地保护附近的社区。
利用六年的卫星观测数据，研究人员追踪了马萨亚周围地面的微小变化。他们发现，火山的一部分最初下沉，然后开始上升，这可能表明新的岩浆正在进入一个深部储层。与此同时，其活跃的圣地亚哥火山口和熔岩湖周围的地面持续下沉，这表明另一个独立的、较浅的岩浆储层表现出了不同的行为。
这些发表在《地球物理研究快报》上的发现表明，该火山的地下岩浆系统可能比之前所了解的要复杂得多。
“这些观测帮助科学家更好地了解岩浆如何在马萨亚地下移动，并可能改善未来的监测和喷发预测，”主要作者Lizzie Johnson说，她于5月获得了宾夕法尼亚州立大学的地球科学学士学位。
为什么马萨亚火山受到密切监测
马萨亚位于尼加拉瓜首都马那瓜附近，是一座地质结构复杂的火山，具有多个重叠的火山口和破火山口。破火山口是巨大的凹陷，通常是在岩浆从地下岩浆房排出后地面塌陷形成的。
尽管科学家们对马萨亚进行了多年的研究，但对其地下储层和通道中的岩浆运动仍知之甚少。这些系统会随时间发生变化，因此很难准确确定火山地下正在发生什么。
“全面了解马萨亚的火山活动及其相关危害至关重要，因为大约有200万人居住在马萨亚附近，而且该破火山口是一个国家公园和受欢迎的旅游目的地，”约翰逊说。“尽管马萨亚上一次产生大规模熔岩流是在1772年，但其持续的脱气作用经常产生危险的高浓度二氧化硫火山气体。”
二氧化硫是一种潜在有害的火山气体，当岩浆接近或停留在地表附近时就会释放出来。即使没有大规模喷发，浓度升高也会对游客和周边社区造成危险状况。
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，持续监测这座火山对于区分正常活动与可能预示火山危害增加的变化至关重要。
“进行持续监测使我们能够了解基线活动，并识别观察情况是否正在发生变化，”他说，并解释说火山行为的某些转变可能表明一段活动加剧的时期或可能的喷发。“然后如果需要警告人们，我们可以及时做到这一点。”
卫星揭示火山下方的隐藏运动
为了调查马萨亚的地下活动，研究人员分析了Sentinel-1卫星收集的测量数据，该卫星大约每12天观测一次这座火山。
该团队使用了一种称为干涉合成孔径雷达（InSAR）的技术，该技术可以检测地球表面高程的极微小变化。通过比较在不同时间获取的卫星测量数据，科学家可以识别出地面正在上升或下沉的区域。
该技术结合了两种重要的能力。合成孔径雷达向地球表面发送微波信号，使得卫星即使在云层遮挡地面的情况下也能收集测量数据。干涉测量法通过比较返回的雷达信号来检测卫星与表面之间距离的变化。
这在热带地区尤其有价值，因为那里频繁的云层覆盖会使常规卫星图像变得不那么可靠。
“云层穿透对火山很重要，因为许多火山像马萨亚一样位于经常有云层覆盖的热带地区，”Kim解释道。“当我们观察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的距离是如何变化的，哪里在隆起或下沉。”
通过检查这些随时间推移的微小运动，研究人员可以在不直接观察岩浆本身的情况下，研究发生在地表深处的过程。
两个表现不同的岩浆储层
卫星测量揭示了2018年至2024年间一个引人注目的模式。在研究的第一阶段，马萨亚破火山口内的地面逐渐下沉，这意味着它向下移动。后来，同一大致区域开始上升。
科学家认为，这种转变可能反映了地下储存的岩浆量的变化。当岩浆从储层排出时，上方的地面可能会下沉。当额外的岩浆进入并增加储层内的压力时，表面可能会上升。
最令人惊讶的发现是，圣地亚哥火山口周围的区域并没有遵循相同的模式。相反，在六年的研究期间它持续下沉，即使更大的破火山口已经开始上升。
“当它下沉时，意味着可能有岩浆正在从火山排出，但一旦地面再次开始隆起，就可能意味着有新岩浆正在移入，”约翰逊说。“与此同时，活跃的圣地亚哥火山口直接周围的区域在整个研究期间都在收缩，独立于主储层向膨胀的转变。这表明岩浆通道系统更为复杂，可能是由于第二个较浅的储层中岩浆减少所致。”
总之，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的部分正在经历不同的变化。一个更深的源头可能正在向主储层供应额外的岩浆，而靠近圣地亚哥火山口的一个较浅的储层可能正在流失岩浆。
这将有助于解释为什么同一火山的不同部分朝相反方向移动。
这一发现对未来喷发的意义
了解这些地下运动很重要，因为地面的变化可以提供有关岩浆在哪里积聚、向哪里移动以及最终如何到达地表的线索。
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迫在眉睫的危险。然而，识别该火山的正常行为并了解其岩浆供应系统，可以使未来更容易识别出异常变化。
持续的卫星观测，结合更详细的计算机模型，也可以帮助科学家更好地了解地下岩浆储层与地表火山活动之间的联系。
“进一步的长期大地测量和建模研究将提供更透彻的理解，并允许在马萨亚及其他包含熔岩湖的玄武质火山进行有效的危害监测和缓解，”约翰逊说。
因此，这些发现可能具有超越尼加拉瓜的影响，特别是对于其他包含持久熔岩湖和复杂地下岩浆系统的活火山。
从本科研究到火山科学
约翰逊在参加了Christelle Wauthier的演讲后参与了该项目，Wauthier是宾夕法尼亚州立大学地球科学教授，也是该校计算与数据科学研究所的计算科学中心负责人。
她作为Schreyer荣誉学院论文的一部分完成了这项研究，与包括Kim在内的研究生研究人员一起工作，分析卫星测量数据并发展她的科学技能。
“我很高兴能了解研究小组是如何运作的，”约翰逊说，她最近在夏威夷大学马诺阿分校开始攻读地球科学博士学位，在那里她将继续使用地震波对基拉韦厄火山地表下方进行成像来研究火山。“我以前没有任何研究经验，所以能够参加小组会议并听到大家的工作真是太好了。学习编程也对我继续攻读博士学位很有用。”
该研究获得了美国国家科学基金会通过奖项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。作者对发现和结论负全部责任，这些发现和结论不一定代表资助机构的观点。