中国次声波监测技术如何给火山“听音号脉”？

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导语：2022年1月15日位于南太平洋岛国汤加洪阿哈阿帕伊岛的火山猛烈喷发，成为30年来规模最大的一次火山爆发。为了进一步评估汤加火山带来的影响，中国运用从地面到太空的多种探测手段，为此次有效获取汤加火山喷发有关监测和预警信息提供技术支持。而在众多探测手段中，一种名为“次声波探测分析”的技术，有望为我们科学认识火山活动提供一份晴雨表。

汤加海底火山 图源：http://www.scanex.cn/html/237948538.html

火山监测：如何给火山“把脉”？

在我们认知范围内最大的“行为艺术家”——地球，板块运动这一“艺术创作”至少已持续44亿年，为我们创造了山川和海洋，同时也带来了地震和火山爆发。当地球内部的地热积累到一定程度时，灼热的岩浆就会在强大的内压力作用下，沿着地壳薄弱地带，喷出地表，形成景象壮观的火山喷发现象。

作为自然灾害中最能显著影响地球气候与地理环境的灾害之一，火山喷发一直以来都是人类文明的巨大威胁。

距今大约7.35万年多巴火山喷发曾险些埋葬了人类文明；1816年坦博拉火山爆发在造成7万余人死亡的同时也扇动了影响历史的蝴蝶翅膀；在我国，有着国内最危险火山群之称的长白山火山在近一千年来同样有着多次喷发活动。而日前的汤加火山爆发，则直接导致该国通讯、电力瘫痪，并在未来数年内影响该国民生与经济。

要想有效应对火山喷发带来的次生灾害，首先要进行监测。传统火山监测采用地面台网以地面观察和仪器测量，通过测震、地壳形变、地球化学等，存在监测范围有限，对布点条件高（通常在距火山100公里以内收集）等缺点。

而近十年发展起来的合成孔径雷达、红外、光学卫星遥感等空间对地观测技术，能够以较高的时间、空间分辨率对地表实现大范围监测。如此次汤加海底火山喷发后不久，我国海洋一号C、D卫星经过该海域，成功获取了火山喷发5小时、7小时、9小时以后汤加海域上空约50万平方公里的火山云红外、光学遥感影像图。但这种方式也存在易受天气与地表覆盖影响观测精度、在轨时间限制等问题，卫星预测还远远不是实时预警系统，要进一步精确测量往往需要数天时间。

风云卫星拍摄的汤加火山喷发过程的图像 图源：中国气象局国家卫星气象中心

而在我国此次对汤加火山爆发众多探测活动中，还运用了一种不为人熟知的手段：

1月15日以来，国家自然灾害防治研究院通过首都圈、云南、四川等地的次声观测阵列监测到汤加火山喷发，则为我们掌握此次喷发活动提供了独特视角。

捕捉“听”不到的那缕声：次声波如何助力火山监测？

次声作为一种物理现象，在自然界普遍存在。一般上，低于20赫（Hz）的音频被称为次声波，火山喷发、地震、雷电、风暴、海啸等都有可能发出这类低频率波。

图源：科普中国——关定化，《神秘的声音世界》

多次自然灾害事件的记录以及研究表明，次声波存在于地质构造运动与板块活动早期、爆发等全过程，也与许多自然灾害存在着密切的关联性。

而火山活动中，次声的来源主要有两方面：

一方面火山与地震、海啸等类似，喷发前都伴有大规模地质构造运动与板块活动，这一隐秘的能量释放力学过程伴随由岩浆流动、岩石破裂和地表起伏所激发的声波，即会产生有次声；

另一方面火山喷发时，由于岩浆溢出与排气，导致火山周围大气扰动，也会产生次声波——这种次声波通常包含两部分，前期因爆发排气形成冲击压缩波，持续时间0．6—1．5 s；随后是由岩浆溢出产生较长持续时间的舒展波。

而正如大自然没有两片相同的叶子，每座火山也都有独特的次声特征，这种特征甚至可以帮助人们进一步通过次声了解是哪座火山正在活动。

次声波在大气中的传播路径 图源：中国科学院声学研究所

由于次声波的频率低、波长长，在传播中被介质吸收少，容易与建筑物、人体等产生共振，还能轻易绕过障碍物，因此较大规模的火山喷发产生的次声波可以传播很远的距离，使得次声监测站对火山活动监测范围极广。

如此次我国设在云南丽江、四川西昌等地次声台阵的监测距离分别达到10500km与10380km；且视速度（沿任意方向观测波前传播所测得的速度）达1.5倍音速以上，使得利用次声监测火山活动观具有独特优势。

汤加火山爆发波形直达波/反向波 图源：国家自然灾害防治研究院

而次声衰减慢的特点也使得观测更为持久。此次我国各次声站点的探测持续时间均超了2个小时，使对火山喷发的监测不仅停留于是否喷发、大致在哪、喷发强度这些基础信息，还可以进一步研究火山喷发期间物质从火山口喷出的速率，估算出火山羽流的高度、大气灰烬的迁移和扩散，以进一步评估后续喷发情况及火山灰的潜在影响范围。

超越人类的“电子之耳”：国产火山/地震监测次声传感器

对火山喷发次声探测离不开高效的次声传感器。次声传感器种类很多，有电容式、波纹管膜盒型、光纤等。早年我国火山区次声台阵观测系统依赖进口传感器：如于本世纪初建成的云南腾冲次声台阵，采用进口的法国原子能委员会 (CEA)研制、MARTEC公司生产的MB2005次声传感器，该型传感器广泛用于国际禁止核试验次声台站。并于2011年成功为云南腾冲次声台阵捕捉到缅甸7.2级地震。

为打破次声探测所需高端传感器长期被国外大品牌控制、专利授权制造严苛的局面，我国也不断在国产化道路上闯关夺隘。其中电容式次声传感器的体积小，只对声波敏感而对振动不敏感，使传感器灵敏度高、频率响应好、抗干扰能力强，且可以直接与记录器或信号实时模数转换器联结，使用方便。因此我国前期将对火山/地震次声监测用传感器研制的重点集中在电容式次声传感器。

由中科院声学所研发的国内第九代次声传感器InSAS2010图源：中国科学院声学研究所

而火山/地震次声监测用传感器的设计与制造中需要面临两个难点：

由于次声传感器将声学信号传化为电能的换能元件为质量非常轻的薄膜，因此要求传感起结构精细，设计严密，选材严格，特别是加工精度非常高，主要零件都要求超精加工。

例如，为得到均匀一致的头电容，极间距的偏差必须小于0.5μm(微米），光洁度要达到镜面；为保证长期稳定性，要选用最好的绝缘体，系统内也要求超高洁净度等，这也是长期制约我国次声等高性能传感器大规模投产的因素之一。

得益于近年来国内微电子工业的发展，使得国内传感器行业的生产加工能力有了极大提升，得以能为次声传感器提供高质量换能元件。而由中科院声学所还为研制的低频宽带次声传感器首创了“微调”电容结构，可以精确地控制电容式次声传感器换能部件的头电容，使每个换能部件的静态电容偏差优于±1%，改善了电容式次声传感器的一致性，从而极大地增加了次声阵列的精确度。

在实际部署中，电容次声传感器遇到的另一大考验是在工作时，因环境（主要是温度）影响而引起的“零点漂移”，影响到探测精度。而我国因纬度跨度大、南北温差大，次声传感器面临的考验也将更加严峻。为降低环境温度影响，经过反复论证和严格试验，中科院声学所采用了高真空保温杯作为后腔、外部封罩隔热层的温控结构，使次声传感器后腔达到双重保温，大大提高了元件系统的热容量，从而获得了基本无漂移的良好效果。

电容式次声传感器结构示意图 图源：谢金来、陶中达、谢照华，《高灵敏度宽频带电容次声传感器》

国产传感器性能的提升也直接用益于国内火山/地震次声台网建设。国内已有20多座监测台配备了国产ISA2016型低频宽带次声传感器；自2019年以来，我国一带一路地震监测台网建设均仅面向国内设备采购，配置由我国自主研发、生产的各型次声波传感器，以更低廉的价格获得不逊与国外产品的探测能力。此次汤加火山喷发后，国内负责监测次声监测台阵均运用自研的宽频带次声波传感器，3dB频率范围0.005-30Hz，自噪声低于2.5mPa，充分满足了汤加火山次声源（0.01-0.1Hz）探测需求。

此次汤加火山喷发观测使用的次声观测设备 图源：中国科学院声学研究所

逐渐走向全球的中国火山/地震监测次声台网

与其他声学等探测手段一样，要进一步提高探测精度，除了提高传感器自身性能，通过单个阵估计声源方位和阵与阵间相应传声器时延的方法进行声源定位 ,充分利用多阵之间信号的相干特性也是重要方式之一。而这就要求科研人员进一步扩大广域次声监测网的布设范围。

为此，近年来中科院声学所积极配合中国地震局等相关单位，加快国内组网建设，在每一个中国地震台网所属地震台站的周围均布设次声监测台站。

国家地震台站分布图 图源：中国地震台网中心

另一方面，我国次声监测台站也在“走出去”，通过一带一路火山/地震监测台网建设项目进行国际合作，先后在吉尔吉斯斯坦、蒙古、亚美尼亚等一带一路区域国家开展次声监测台网建设；不仅如此，我国还通过向周边海域海底部署低频压电次声水听器阵列，进一步拓展探测范围，从而为该区域内火山、地震、海啸等预警系统的建立以及预警信息及时获取，帮助有关国家加强灾害风险应对，并为在外中资企业建设项目开展灾害安全性评价提供保障。

结语：

自然灾害不分国界，随着有关研究工作的不断深入，尤其我国是对于地震、火山喷发、海啸等自然现象激发的各种次声的观测和研究，使得次声监测在减灾救灾等国际与国内人道主义援助方面应用前景逐渐清晰。然而，我们也应认识到，在次声“表征”之下，对火山喷发等精准预测是世界性难题。对此，包括我国在内仍将继续深入研究这类次声波的产生机理与传播机理，也期待全球科学家对火山这一活跃的地壳活动有更为深入的了解。

参考文献：

[1]国家自然灾害防治研究院：我院次声波台阵观测到2022年1月15日汤加火山喷发活动

[EB/OL].http://www.eq-icd.cn/content/details_35_3105.html

[2]刘俊民；唐伟；王晓明；王海军；唐恒专，次声信号产生机理与特性分析[C]；2010, 28(4)

[3] 谢金来；陶中达；谢照华，高灵敏度宽频带电容次声传感器[C]；核电子学与探测技术，2003, 23(5)

[4] 苏伟；楼海；袁松湧；张东宁，云南腾冲火山区地震/次声台阵建设[C]；国际地震动态，

2010, (5)