科学家利用来自火山爆发的晶体了解其“个性”

2012年爆发的意大利埃特纳火山

照片:马丁·里泽/科学资源

菲德尔·科斯塔穿梭在丛林和稻田之间，努力在盖德山的斜坡上寻找裸露的岩石。格得火山是印度尼西亚爪哇岛西端的一座高耸的火山。半山腰上一个废弃的采石场提供了一个难得的获取样本的机会。因此，在2011年的一个闷热的日子里，来自新加坡地球观测研究所的火山学家科斯塔爬上陡峭的岩壁，接触到一些看起来像黑麦面包的岩石，并用锤子将其撬开。四千年前，它们从格尔德火山爆发，并从炽热的火山灰云中坠落。

目前，还没有关于火山爆发的描述，更不用说任何导致火山爆发的地震或气体喷发的记录了。这些线索是科学家用来推断火山深处酝酿着什么的。格尔德火山的最后一次爆发发生在1957年，远在现代监测开始之前。因此，科学家对它的“气质”知之甚少。什么样的迹象表明格得火山爆发了？他们发出了多少次警告？对于生活在火山两侧以及附近城市雅加达和万隆的数百万人来说，这些答案至关重要。目前，没有迹象表明格得火山会在不久的将来爆发，但科斯塔说，一旦爆发，“那里将会有一场大混乱”。

然而，科斯塔和来自印度尼西亚火山学和地质减灾中心的同事们已经从4000年前火山爆发释放的岩石中瞥见了一些关于Ged火山活动的关键线索。这些线索隐藏在嵌在岩石中的晶体中，大多比小扁豆小。每一颗水晶都生长在地下深处的岩浆汤里，它所依附的岩层见证了火山爆发前发生的事件以及它们发生的速度。

寻找稀有晶体

科斯塔花了几年时间，用他帮助开发的技术，从微小的火山晶体中学习阅读这样的故事。这项技术被称为扩散计时法，并且越来越受欢迎。"这是将引发真正流行病的技术之一。"美国地质调查局的火山学家汤姆·西斯森说。

一些擅长使用这项技术的研究人员发现，岩浆可以以极快的速度穿过地壳，而火山可以在地质瞬间形成并爆发。加州大学戴维斯分校的火山地球化学家卡里·库珀说，这些过程将在几十年甚至几年内发生，而不是几个世纪或几千年。这个结果可以帮助解释为什么地球物理学家没有在像黄石公园这样的火山下发现沸腾的熔岩池，以及为什么一些火山爆发得更猛烈。"这项技术有潜力在许多方面带来真正的改变。"库珀说。

阿拉斯加、夏威夷和中美洲少量火山的初步结果支持了上升速度和爆发力之间存在一一对应的观点。库珀目前正在研究更多的火山，但她说，“问题是大多数火山爆发都没有取样。”为此，库珀变得更有创造力。今年三月，当巴甫洛夫在阿拉斯加半岛猛烈爆发时，她用一箱新鲜水果换了一箱当地居民收集的灰烬。库珀的团队成员仍然不得不在火山灰中寻找符合他们标准的晶体，这成了另一个挑战。"我的学生花了几个小时在显微镜下寻找里面有奇怪管道的橄榄石."库珀说，“我们发表了一篇关于4种橄榄石的论文。这足以表明它们有多稀有。”

小样本数据的谨慎处理

然而，依靠一些微小的晶体来追踪整个岩浆体让一些局外人感到担忧。"人们给出的强有力的解释不是基于大量的结果."西斯森说。利兹大学的岩石学家、扩散年代测定的早期实践者丹·摩根也有同样的担忧。他认为研究人员应该谨慎对待小样本数据。去年由夏威夷大学火山学家托马斯·谢伊领导的一项研究指出，研究人员必须分析至少20种橄榄石的轮廓，以解释化学物质在晶体中以三维方式扩散的事实。

为此，摩根和其他人一直在寻找更快的方法来测量和分析扩散曲线。一种策略是跳过在晶体表面逐点移动微探针的缓慢过程，使用一种叫做反向散射电子显微镜的技术来拍摄晶体的化学照片。图像的亮度可以作为铁和镁浓度的指标，而整个过程花费的时间更少。

与此同时，摩根和科斯塔都在开发用户友好的软件来帮助不擅长扩散建模的研究人员解释他们的数据。摩根说，起初他每天可以建立两三个化学模型，而最新的每日记录是80。通过加速这一过程，他希望研究人员能够产生更多的数据，“然后从整个岩浆体的规模告诉你一些事情，而不仅仅是讲述一个单晶的故事。”

挖掘过去展望未来

其他人担心扩散速度的不确定性，尤其是对于不太常见的元素和矿物。然而，科斯塔说保持客观判断非常重要。即使不确定性是100%或更多，研究结果仍然是有意义的。“如果我的研究结果是1个月，100%的不确定性是几个月，那么它仍然不是100年。”

像科斯塔和摩根这样的专家认为，最大的挑战不是校正秒表，因为从它可以知道水晶记录的是什么样的火山过程。这也是为什么许多科学家正在研究被监测的火山晶体。冰岛大学的石油学家马人·卡尔用这种方法分析了地球上研究最深入的火山之一，意大利的埃特纳火山。她和她的同事分析了1991年至2008年间八次有详细记录的火山爆发的晶体。研究人员使用扩散计时法将地震记录、地面变形和气体喷发与晶体化学中记录的上升岩浆联系起来。获得的结果形成了一幅前所未有的画面:火山有多腔通道，包括5个不同的岩浆区和3个主通道。研究人员甚至可以根据真实的物理特征创建火山爆发的模型。

卡尔说，随着研究人员更好地将水晶讲述的故事与现代火山爆发的观察联系起来，他们将更有信心将这项技术应用于古代火山爆发，比如科斯塔对格得火山的研究。在地球上1500座潜在的活火山中，只有一小部分被监测到，自从科学家开始观察它们以来，很少有火山仍在喷发。

然而，随着扩散时间的推移，研究人员可以用晶体来理解这些休眠火山的故事和“个性”。“我们可以采集一些岩石，研究其中的矿物质，然后我们就可以基本上获得10万年前火山爆发的时间尺度信息。”卡尔说。通过深入挖掘火山的过去，科学家们可以一窥其未来。(宗华编译)