研究发现水决定岩浆深度这是准确模拟火山活动喷发的关键

全世界目前有 40 到 50 座火山正在喷发或处于动荡状态，数以亿计的人面临着这些潜在活火山带来的危险。然而，尽管火山喷发对人类生命财产造成了巨大危害，但人类仍无法可靠准确地预测，即使专家做出准确预测，也可能没有足够的时间让人们撤离和应急准备。

准确可靠的预测仍然是一个难以捉摸的目标，主要是因为火山学家在火山到达地表之前并未完全了解火山下方岩浆的自然动力学和过程。现在，由史密森尼国家自然历史博物馆的彼得·巴克研究员、火山学家丹·拉斯穆森领导的一项新研究的结果可能会让专家们更接近于准确预测火山爆发。

这项于今天 3 月 10 日发表在《科学》杂志上的研究发现，对于世界上最常见的火山类型，含水量较高的岩浆往往储存在地壳的更深处。这一发现确定了一些科学家所期望的控制岩浆储存深度的最重要因素。

拉斯穆森说：“这项研究将岩浆储存的深度与水联系起来，这很重要，因为水在很大程度上引发并推动了喷发。” 他解释说，水推动火山喷发类似于二氧化碳如何使摇晃的汽水瓶爆炸。

“当水溶解在储存在火山下方的岩浆中时，如果压力突然下降，例如当摇晃的汽水瓶盖突然打开时，就会形成气泡，这些气泡会导致岩浆上升并喷出火山，类似当苏打水从瓶盖中喷出时，”拉斯穆森说。“岩浆中更多的水含量意味着更多的气泡，并可能发生更猛烈的喷发。”

“这些结果使我们更接近于了解火山下岩浆储存的物理和条件，这是更准确地预测火山喷发所需的基于物理的详细模型的重要组成部分，”拉斯穆森说。

该研究是通过新的实地工作和实验室分析以及对史密森尼全球火山计划跟踪的过去火山爆发收集的现有数据的重新分析完成的。

Rasmussen 于 2015 年开始他的研究，当时他在哥伦比亚大学的 Lamont-Doherty 地球观测站完成了他的博士学位，他的导师是火山学家 Terry Plank，他建议他研究一个仍然悬而未决的问题，即为什么岩浆储存深度因一座火山而异，以及控制因素是什么那个深度。

拉斯穆森与包括卡内基科学研究所地球物理学家戴安娜·罗曼在内的团队一起进入实地，从位于崎岖而偏远的阿拉斯加阿留申群岛的八座火山中收集火山物质。

在为这项研究选择火山时，研究人员专注于特定的地质环境：所谓的弧形火山，发生在两个会聚构造板块的交汇处。弧形火山，就像在阿留申群岛发现的火山一样，是地球上数量最多的火山类型，构成了环绕太平洋板块的臭名昭著的“火环”的全部，使其成为提高预测能力的最明显目标。

使用船只和直升机，该团队在波涛汹涌的大海中从这八座火山中收集了一些火山灰，在乌尼马克岛上，巨大的棕熊的威胁。火山灰是这次探险的主要目标，因为它可能含有由橄榄石制成的绿色晶体——每个晶体的直径约为 1 毫米，大约是一张塑料身份证的厚度。

在地下，这些橄榄石晶体在形成时有时会捕获微小的岩浆。在一次喷发将这些特殊的橄榄石晶体送到地球表面后，它们内部的岩浆冷却并变成玻璃。通过分析火山内部这些微小的冷却岩浆的化学成分，研究人员能够估计岩浆的含水量。

在估计了从八座阿留申火山中的六座采集的岩浆碎片的含水量之后，该团队随后将这些数据与来自世界各地另外 56 座火山的科学文献中的其他岩浆含水量估计值相结合。估计的岩浆含水量的最终清单涵盖了来自 62 座火山的 3,856 个单独样本。

为了检查这些岩浆储层的估计含水量与其各自的储存深度之间的关系，研究人员搜索了科学文献，并为 112 座火山创建了一份包含 331 个深度估计值的随附列表。

拉斯穆森说，史密森尼全球火山项目的数据库“是编制这些清单的关键，因为它是火山喷发历史的非常好的资源，我们只想考虑最近喷发的火山。” Rasmussen 和研究小组专注于最近的喷发，因为岩浆储层在喷发后似乎没有太大移动，因此使用最近喷发的材料对深度或含水量进行的任何估计都最有可能准确反映当前的火山状态。火山的岩浆库。

经过多年的实地工作、地球化学分析和文献回顾，该团队能够根据各自估计的岩浆含水量绘制来自世界各地 28 座火山的估计岩浆储存深度。结果非常清楚：岩浆储层的含水量与其储存深度密切相关。换句话说，含有更多水的岩浆往往储存在地壳的更深处。

该研究还表明，岩浆的含水量是控制其深度的原因，而不仅仅是与其相关。该团队通过检测与地球地幔中含水岩浆形成相关的化学示踪剂的存在来证明这种因果关系。

“如果储存深度决定了岩浆中的含水量，它仍然可以建立我们观察到的含水量和深度之间的相关性，但它不会产生我们发现的岩浆初始含水量的化学示踪剂，”拉斯穆森说。

至于含水量如何决定岩浆储存深度，拉斯穆森和他的合著者认为，这与被称为脱气的过程有关，在该过程中，水与岩浆混合形成气泡。当通过地壳上升的岩浆开始脱气时，它变得更加粘稠，研究人员认为这会导致岩浆的上升速度减慢和停滞。

含水量在很大程度上控制岩浆储存深度的证据推翻了当今该领域最广泛接受的解释，该解释认为岩浆通过地壳的裂缝上升，因为熔融岩石比周围的地壳更浮力，在其储存深度沉降是因为它达到中性浮力，此时岩浆的浮力不及周围环境。

拉斯穆森说，这项研究的下一步是看看这些发现是否适用于其他地质环境中的火山，例如夏威夷群岛等热点火山或东非等裂谷火山。除了这项研究的扩展，拉斯穆森说，一个更大的问题迫在眉睫：“如果岩浆含水量控制岩浆储存深度，那么是什么控制岩浆含水量?”

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