预测火山爆发不是梦，只需建立一个全球性火山“图书馆”

图片来源：BBC

撰文  屈梦梦

编辑  魏潇

最近，夏威夷的基拉韦厄和瓜地马拉的富埃戈火山都发生了大型的火山喷发，造成大量的人员伤亡。如果我们能够提前几分钟预测火山的喷发，附近的村民就能及时撤离，减少人员伤亡。今年 5 月，来自利兹大学，冰岛大学和英国地质调查局的火山学家们在 Earth and Planetary Science Letters  (EPSL) 杂志发表的一篇研究表明，通过研究已喷发的火山物质，可以重建火山喷发的整个过程，并且预测同类型火山的喷发。

环太平洋火山带（ring of fire）

全球 75% 以上的活火山和休眠火山都分布在环太平洋火山带上，它是一个围绕太平洋经常发生地震和火山爆发的地区，成马蹄形。之所以会有这样一个活跃的火山带是因为，整个太平洋板块和很多板块相连接，板块之间的移动和碰撞造成了这一系列的火山活动。

环太平洋火山带（ring of fire）

就拿我们熟悉的日本举个例子吧。日本处于太平洋板块和欧亚板块交界处，太平洋板块向下俯冲（Subduction）时，随着俯冲的深度增加，板块承受的压力也越来越大，太平洋板块含了很多太平洋的水，这些水被压力挤出板块，带到地幔中，降低地幔熔点，地幔熔体形成岩浆，岩浆再喷出地表，就形成了日本岛火山弧。环太平洋火山带上面的大部分火山就是这样形成的。

现在，有将近 8 亿人住在活火山或者休眠火山的附近，如果我们能够预测火山爆发，人们提前转移，将会减小很大一部分伤亡。

预测火山喷发

来自利兹大学，冰岛大学和英国地质调查局的火山学家们通过研究 2010 年喷发的冰岛的艾雅法拉冰盖火山形成的晶体，提出了一个预测火山喷发的新方法。在这项研究中，火山学家们通过研究岩浆晶体的化学物质记录，重建了 2010 年喷发的冰岛的艾雅法拉冰盖火山的岩浆的随时间和空间变化的物理历史。重建的具体内容包括，岩浆体（magma bodies）的数量，它们的几何形态，它们的深度，它们的相对膨胀速率，以及上述的性质随时间的变化。

岩浆冷却结晶后形成晶体，通过分析大量结晶晶体，他们发现岩浆形成的橄榄石晶体的成分和结构呈现系统的样式。根据晶体核部和其周围的组成，可以分为正向环带（normal zoned）和逆向环带（reverse zoned）。逆向环带的边缘和核之间呈现一个恒定的化学偏移，而正向环带收敛于一个单一的组成。这些不同的样式是在结晶失衡情况下形成的，常规的岩石学模型可以解释在平衡状态下喷出岩中的一系列结晶核的形成，但是却不能解释这种现象。

在这项研究中，火山学家们通过一个模型解释了失衡状态下，晶体的逆向环带和正向环带的形成。岩浆冷却过程中顶部（roof）和底部（floor）冷却比较快，先形成晶体。晶体比岩浆的密度大，顶部的晶体逐渐沉入底部，从而底部逐渐形成一个晶体糊（crystal mush），晶体糊如同一个绝缘体一般造成了熔体的不对称的热层，从而造成不对称的成分层。这个过程被称为“晶体雨”。

这个模型最关键的一点就是晶体在生长过程中会影响岩浆内部环境，内部环境又同时影响了晶体的生长，它们之间的相互影响并不需要外部过程或材料的参与。基于“晶体雨”的模型，这项研究重建了 2010 年喷发的冰岛的艾雅法拉冰盖火山的历史，解释了喷出的橄榄石组成和组构的多样性。通过研究喷出晶体的组合和结构，并且结合年代学研究，火山学家们可以重建火山喷发前六个月的演化历史。

灾难模型（catastrophe models）通常运用概率统计技术来量化火山爆发的风险。这些工作需要借鉴喷出岩石记录的分布，容积和类型，从而定义灾害用来测量可能造成的影响。用来彻底减小风险的必需要素是具体预测能力的火山行为的决定性模型。

这些喷出岩石记录就相当于一个“图书馆”，不断给“图书馆”增加新的资料，可以给火山观测者提供机会了解火山爆发的记号，并且建立即时性经验性对比的基础。在整个火山系统中，重建岩浆在喷发之前随时间和空间的变化，可以揭露出典型与非典型火山在喷发前的某些特征。这些特征可以为灾难转移的决策者提供很大帮助。例如，及时的观测与同类型火山喷发前的记录没有任何共同特征，那么就可以认为是喷发率比较低的火山，反之亦然。

这项研究基于 2010 年冰岛的艾雅法拉冰盖火山中的橄榄石晶体，所以对于类似类型的火山预测会有很大帮助。最近喷发的夏威夷的基拉韦厄和瓜地马拉的富埃戈火山都是基性岩浆，这类岩浆可以结晶出橄榄石晶体，所以，理想情况下，如果在“图书馆”中积累了足够的数据，可以预测这类火山的喷发，大量减少人员的伤亡。甚至可以发展一个观赏火山爆发的旅游项目，根据“图书馆”的资料，预测即将爆发的火山，在火山附近的安全地带建立观景台，吸引大量游客。

相关论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.025

参考资料：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/uol-vc052418.php

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]