作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/11/29 18:40:23
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科学家利用来自火山爆发的晶体了解其“个性”

在2012年爆发的意大利埃特纳火山

PHOTO: MARTIN RIETZE/SCIENCE SOURCE

穿梭于丛林和稻田之间,Fidel Costa在格德火山的斜坡上努力地寻找着裸露的岩石。格德火山是一座靠近印度尼西亚爪哇岛西端的高耸火山。一个位于半山腰的废弃采石场提供了获取一些样本的难得机会。因此,在2011年闷热的一天,来自新加坡地球观测研究所的火山学家Costa爬上陡峭的岩壁,接触到一些看上去像黑麦面包的岩石,并用锤子将这些岩石撬开。4000年前,它们从格德火山喷发出来,并且从炽热的火山灰云中落下。

目前并未有关于这场火山爆发的描述,更不要说关于导致其爆发的地震震动或气体喷发的任何记录了。而这些都是科学家用来推断一座火山底下深处正在酝酿着什么的线索。格德火山最后一次爆发发生在1957年,远远早于现代监测工作开始的时间。因此,科学家对于它的“性情”知之甚少。何种迹象预示着格德火山的爆发?它们又给出了多少警告?对于生活在火山两侧以及附近城市——雅加达和万隆的上百万人来说,这些答案至关重要。目前并未有迹象表明格德火山将在近期爆发,但Costa表示,一旦它爆发,“那里将会上演一场大混乱”。

不过,Costa以及印尼火山学和地质灾害减灾中心的同事从4000年前那场火山爆发释放出来的岩石中,瞥见了一些关于格德火山行为的关键线索。这些线索隐藏于夹杂在岩石中且绝大多数比扁豆还小的晶体中。每个晶体生长于地下深处的岩浆汤中,所依附的岩层则见证了火山爆发前上演的事件以及它们以多快的速度发生。

寻找罕见晶体

Costa花费了数年时间才学会利用一种他帮忙开发的技术,从微小的火山晶体中阅读出此类故事。这种技术被称为扩散测时法,并且正日渐流行开来。“它是那些将引爆真正的流行狂潮的其中一项技术。”美国地质调查局火山学家Tom Sisson表示。

一些熟练运用此项技术的研究人员已经发现,岩浆会以极快的速度穿过地壳,而火山会在地质学上的一瞬间形成并喷发。加州大学戴维斯分校火山地球化学家Kari Cooper介绍说,这些过程会在短短几十年甚至几年里上演,而非几个世纪或上千年。研究结果能帮助解释为何地球物理学家未在像黄石一样的火山底下发现沸腾的岩浆库,以及为何一些火山的爆发要更加激烈。“此项技术具备通过很多种方式真正引发变革的潜力。”Cooper表示。

来自阿拉斯加、夏威夷和中美洲少数火山的初始结果支持了这样一种观点,即上升速度同爆炸性是一一对应的关系。Cooper目前正致力于研究更多火山,但她表示,“问题在于大多数火山爆发都未被取样”。为此,Cooper变得更有创意。当今年3月巴甫洛夫火山在阿拉斯加半岛猛烈爆发时,她用一箱子新鲜水果换取了当地人收集的一垃圾桶火山灰。Cooper的团队成员仍不得不在火山灰中寻找符合其标准的晶体,而这成为另一项挑战。“我的学生在显微镜下挑了几个小时,想寻找内部拥有奇怪管道的橄榄石。”Cooper说,“我们发表了一篇关于其中4颗橄榄石的论文。这足以表明它们有多罕见。”

谨慎对待小样本数据

不过,依靠少数微小晶体追踪整个岩浆体让一些外部人士感到担忧。“人们作出的强有力解释并未基于一大堆结果。”Sisson表示。英国利兹大学岩石学家、扩散测时法的早期实践者Dan Morgan拥有同样的担心。他认为,研究人员应当谨慎对待小样本数据。一项于去年开展并由夏威夷大学火山学家Thomas Shea主导的研究指出,研究人员必须分析至少20颗橄榄石的剖面图才能解释化学物质在一个晶体内朝3个维度扩散的事实。

为此,Morgan和其他人一直在寻找测量和分析扩散曲线的更快方法。一种策略是跳过利用微探针在晶体表面逐点移动的缓慢过程,转而用一种被称为背散射电子显微镜、可拍摄下晶体化学照片的技术。图像的亮度可作为铁和镁浓度的指示,同时整个过程花费的时间更少。

与此同时,Morgan和Costa均在开发对用户友好的软件,以帮助在扩散建模方面并非专家的研究人员诠释他们的数据。Morgan表示,起初他一天能建立两三个化学剖面的模型,而最新的日纪录是80个。通过令这一过程加速,他希望研究人员能产生更多数据,“然后便能从整个岩浆体的尺度告诉你一些事情,而非只是讲述单个晶体的故事”。

挖掘过去一窥未来

其他人则担心扩散速率上存在的不确定性,尤其对于那些不太常见的元素和矿物质。不过,Costa表示,保持客观判断力非常重要。即便不确定性是100%甚至更高,研究结果仍是有意义的。“如果我获得的研究结果是1个月,而100%的不确定性是几个月,那么它仍然不是100年。”

在像Costa和Morgan这样的专家看来,最大的挑战并不在于校正“秒表”,因为从中可知晓晶体正在记录何种火山过程。这也是为何很多科学家正在研究由一直被监控的火山喷发出的晶体。冰岛大学岩石学家Maren Kahl利用该方法分析了地球上被研究得最深入的其中一座火山——意大利埃特纳火山。她和同事分析了来自1991~2008年间8次被详尽记录下来的火山爆发事件的晶体。研究人员利用扩散定时法,将地震记录、地面形变和气体喷发同在晶体化学成分中记录下来的冒起岩浆关联在一起。获得的结果形成了一幅前所未有的画面:火山拥有多室腔道,其中包括5个不同的岩浆区域以及位于它们之间的3个主要通道。研究人员甚至能基于真实的物理特性,创建出关于火山如何爆发的模型。

Kahl表示,随着研究人员在将晶体讲述的故事同对现代火山爆发的观测关联起来方面做得更好,他们会更有信心把此项技术应用于古代火山爆发研究,比如Costa对格德火山开展的研究。在地球上的1500座潜在活火山中,只有一小部分一直被监控,而自从科学家开始观察它们,很少有火山仍在爆发。

不过,有了扩散定时法,研究人员可利用晶体了解这些休眠火山的故事和“个性”。“我们可以去捡一些岩石、研究其中的矿物质,然后基本上能得到关于比如在10万年前发生的一场火山爆发的时间尺度信息。”Kahl表示。而通过深入挖掘某座火山的过去,科学家便能一窥它的未来。(宗华编译)

 

 
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