被污染的火山晶体提供了过去火山爆发的线索

被污染的火山晶体提供了过去火山爆发的线索

在丛林和稻田之间,菲德尔科斯塔努力在印度尼西亚爪哇岛西端附近的一座高耸的火山 - 盖德山的山坡上找到裸露的岩石。 但是一个废弃的采石场凿入山腰提供了一个难得的机会,可以抓住一些样品。 因此,在2011年的一个闷热的日子里,新加坡地球观测站的火山学家科斯塔在陡峭的墙壁上爬上一些岩石,像黑麦面包一样大理石,用锤子撬开它。 四千年前,他们从格德喷发出来,从一堆热灰中掉出来。

没有关于火山爆发的报道,更不用说任何地震震动的记录或导致它的气体打击 - 科学家们现在用这些线索来推断在火山深处酿造什么。 事实上,火山的最后一次爆发发生在1957年,早在现代监测工作开始之前,科学家对它的气质知之甚少。 什么迹象预示着格德的火山喷发,以及他们给出了多少警告? 对于生活在其侧翼以及附近城市雅加达和万隆的数百万人来说,答案是至关重要的。 没有任何迹象表明Gede会很快爆发。 但是当它确实如此时,科斯塔说,“那里发生的任何事都会变得很糟糕。”

然而,从这个有4000年历史的火山喷发释放的岩石中,科斯塔及其在万隆的印度尼西亚火山学和地质灾害减灾中心的同事们能够收集到一些关于格德行为的重要线索。 这些线索被锁在水晶中,比扁豆还小,嵌在岩石中。 每一块水晶都生长在地下深处的岩浆中,形成层层,见证了火山爆发前的事件,最重要的是 - 它们展开的速度有多快。

这是即将爆发的技术之一。

Tom Sisson,美国地质调查局

这些水晶钟告诉科斯塔的团队,在火山下注入一批新的岩浆后,格德的4000年火山爆发大约发生了4周。 来自四个更古老的火山爆发的晶体给出了类似的答案。 该模式为规划人员提供了未来预期的概念:当传感器检测到沉睡巨人下方的岩浆搅动迹象时,可能会在几周内爆发。 “这可能不确定,但它比不了解任何东西要好得多,”科斯塔说。

科斯塔花了数年时间学习用他帮助开发的技术(称为扩散计时法)用微小的火山晶体哄骗这些故事。 它正在流行起来。 “这是一种即将爆发的技术之一,”加利福尼亚州门洛帕克的美国地质调查局的火山学家Tom Sisson说。

擅长使用该技术的少数研究人员已经发现,岩浆可以在灼热的速度下撕裂地壳,并且火山可以在地质瞬间肆虐。 加州大学戴维斯分校的火山地球化学家卡里库珀说,这些过程可能会在几十年或几年甚至几个月内展开,而不是几个世纪或几千年。 这些结果有助于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酝酿中的岩浆室,以及为什么有些火山爆发比其他火山更猛烈。 “这有可能在很多方面真正改变游戏规则,”她说。

时钟在流逝

研究人员正在使用一种称为扩散计时的技术来帮助他们破译隐藏在火山晶体中的时钟。 例如,晶体告诉他们,在最后一次岩浆脉冲之后,火山爆发的时间有多快。 研究表明,许多火山爆发过程比以前认为的要快得多。 它也可以帮助研究人员了解火山的喷发倾向,即使没有历史记录。

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C. Bickel / Science

回到他在新加坡的实验室,哥斯达黎加从玻璃纸薄片岩石中收集他的火山历史。 在显微镜下背光,切片中的矿物质 - 包括斜长石,橄榄石和辉石 - 突然变成焦点:多边形岛屿在黑暗的岩石海中游动。 许多人都有像树环一样的同心带,这些带形成为晶体在不断变化的液态岩浆浴中生长。

每个新频段的化学成分记录了岩浆的演变成分,或其温度或压力的变化。 Costa使用一种称为电子探针的仪器来绘制沿晶面的化学变化,每隔几微米进行一次测量。 在Gede晶体中,微探针在最外层显示出更高浓度的镁和铁,这表明富含这些元素的新鲜岩浆在喷发前不久在Gede下面冒泡 - 可能触发它。 但是很快? 就在那里,天文台的研究生科斯塔和丹尼尔克里姆勒转向扩散计时,将边缘和晶体核心之间的化学污迹转化为时间估计。

研究人员在20世纪60年代首次开发出这种技术,最初被称为地理空间测量学。 他们用它来估算受到极端高温和高压的陨石和岩石的冷却速度。 该方法依赖于自然界很少存在尖锐梯度的前提。 就像几滴食用色素会在一杯水中扩散 - 不需要搅拌 - 因此,也会扩散原子从固体晶格内的高浓度区域到低浓度区域。

在Gede晶体中,扩散将镁和铁的原子从晶体边缘移动到核心,并沿相反方向穿梭其他元素以填充这些原子留下的空位。 它将化学成分的突然,阶梯式变化转变为更加渐进的曲线。 通过了解镁和铁在特定矿物中的扩散速度,Costa和Krimler可以计算岩浆注入后和火山喷发前的扩散时间,冻结化学成分。 他们有一个秒表。

当然,这并不是那么简单。 扩散速率不仅取决于所讨论的元素和矿物质,还取决于晶体所经历的温度,压力和氧化态,研究人员根据晶体中的其他线索进行了估算。 20世纪80年代,德国波鸿鲁尔大学地质学家Sumit Chakraborty等先驱开始了在一系列条件下确定这些扩散参数的繁琐工作。 这意味着在实验室里长时间用热和压力折磨天然和合成晶体然后观察扩散进行。 起初,单个实验可能需要数周,但结果给出了扩散计时牙齿。

被污染的火山晶体提供了过去火山爆发的线索

水晶钟有助于揭示意大利埃特纳火山下的多室管道,2012年爆发。

Martin Rietze / Science Source

但奇怪的是,这种技术直到世纪之交才开始与火山学家接触。 当科斯塔于2003年发表他关于该主题的第一篇论文时,将扩散技术应用于智利圣佩德罗火山的火山晶体,其他几位研究人员也有类似的顿悟。 这是一个时机已到的想法。

扩散计时的一个吸引力在于它能够跟踪各种火山过程。 无论何时在晶体内形成新区域,扩散计时在理论上都可以利用它。 这使得科学家能够针对导致喷发的许多阶段,包括当岩浆从地幔上升,当它收集在地壳储层中并与其他岩浆混合时,以及当它通过火山的管道向地面滚动时。

首先从地幔上升岩浆。 纽约Palisades的哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观测站的地球化学家Terry Plank和她实验室的前博士后研究员Philipp Ruprecht想要了解哥斯达黎加着名的伊兹苏火山喷发中岩浆的起源。从1963年到1965年,在某些橄榄石晶体中,研究人员注意到在地幔中形成的晶核内镍浓度的变化。

化学变化通过地壳上升而存活的事实意味着扩散几乎没有时间将它们涂抹掉。 普朗克和鲁普雷希特得出的结论是,岩浆必须在几个月内或最多几年内通过大约35公里的地壳上升。 “这是一个惊喜,”普朗克说。 结果表明地幔与地表之间存在直接联系的可能性 - 与岩浆沿着曲折的路径向上,在最后喷发之前沿着岩浆池汇集的广泛观念相矛盾。

然而,在许多情况下,似乎岩浆确实在地表下几公里处游荡了几千年,只是为了在火山爆发前迅速动员起来。 例如,在俄勒冈州的胡德山,库珀在1500年和220年前的火山最后两次火山喷发中检查了岩石。 她专注于在地壳浅层岩浆室中形成的斜长石晶体。 通过测量铀及其放射性子元素的浓度,她发现这些晶体至少在2万年前诞生。

许多这些斜长石晶体也具有许多具有不同化学组成的层,它们在其长寿命中获得。 当库珀仔细观察这些层之间的界限时,她发现了一些惊人的东西:它们只有轻微的污迹,这表明尽管它们已经老化,但晶体只能在热的液态岩浆中短暂停留。 2014年,她和Corvallis的俄勒冈州立大学的亚当肯特解释了他们的发现,他们提出,岩浆在高温下储存的时间长达99%,不会爆炸,而且太冷而不能扩散。 相反,它存在于胡德山下面的大多数固体结晶糊中。

我们可以去拾取岩石,研究矿物,并基本上获得有关10万年前发生的喷发的时间尺度信息。

冰岛大学雷克雅未克的岩石学家Maren Kahl

结果支持所谓的“模糊模型”,它在过去十年左右的时间里获得了关注。 Cooper的工作表明,岩浆可能比许多研究人员想象的更快地液化和爆发。 “这是一个微妙的转变,但它非常重要,因为突然之间,你想要做的一切” - 混合和组装爆发的最后一团岩浆 - “所有这一切都必须很快发生,”Cooper说。 来自希腊火山圣托里尼岛的一座有着3600年历史的火山喷发的水晶钟表已经蛰伏了18000年,这表明它在一个世纪或更短的时间内被唤醒。 如果其他火山的行为相似,那么就可以解释为什么研究人员一直在努力寻找当今地球上大型熔融岩浆房的证据 - 这种液态岩浆的大桶可能只在火山喷发之前就存在。

当火山爆发最终发生时,岩浆从其地下源向地表进行竞赛。 普朗克目前的任务是了解这次上升的速度是否会影响火山爆发的爆发性 - 例如,尽管过去发生爆炸性爆发,夏威夷的基拉韦厄今天也会轻易爆发。 普朗克和其他人怀疑,在其他条件相同的情况下,缓慢上升的岩浆有更多时间失去溶解的气体 - 因此喷出的岩石不如喷射到地表的岩浆那么猛烈。 “这不是苏打水瓶中的气体,而是打开苏打水瓶的速度,”她说。

但是如何测量岩浆在地下深处的速度呢? Plank没有研究晶体中的扩散,而是研究了水和二氧化碳等溶解的挥发物如何通过熔体管扩散,晶体中充满液态岩浆的微小洞穴。 当晶体朝向表面上升时,被困在熔体管中的挥发物向其口扩散,努力与晶体外部的岩浆中的滴加浓度保持平衡。 这产生了沿着管的扩散分布,Plank和其他人可以将其用作时钟。 由于这些气体的移动速度相对较快,因此该技术可以使它们快速进行时间处理。 他们发现岩浆可以在大约10分钟内上升10公里。 “这就像货运列车,”她说。

被污染的火山晶体提供了过去火山爆发的线索

位于印度尼西亚火山的盖德山(Mount Gede)侧翼的一个采石场,揭示了过去火山爆发的沉积物,这些岩石已经成熟,可以收获水晶。

F. Costa

她在阿拉斯加,夏威夷和中美洲的少数火山的初步结果支持了上升率与爆炸性相关的观点。 她现在正在研究更多的火山,但是,她说,“问题在于大多数火山爆发都没有取样。” 所以她变得有创意; 当今年3月帕夫洛夫火山在阿拉斯加半岛猛烈爆发时,她交换了一盒新鲜水果,用于收集当地人收集的垃圾。 她的团队仍然不得不搜索满足他们标准的水晶 - 另一个挑战。 “我的学生在显微镜下挑选了几个小时,寻找一个有奇怪管的橄榄石,”她说。 “我们发表了一篇关于其中四个的论文,这是多么罕见。”

一些局外人依靠一小撮微小的水晶来追踪整个岩浆。 “人们正在根据不是很多结果做出强有力的解释,”西森说。 英国利兹大学的岩石学家,扩散计时的早期实践者丹·摩根(Dan Morgan)对此表示担忧。 虽然在Plank的工作中没有办法解决这个问题,但Morgan说研究人员应该小心处理小样本数据。 “如果你发现五种非常上镜的晶体,那么它们就会异常,”他说。 由檀香山夏威夷大学的火山学家Thomas Shea领导的2015年一项研究指出,研究人员必须分析至少20个橄榄石剖面,以解释化学物质通过晶体在三维空间中扩散的事实。

因此,摩根和其他人一直在研究测量和分析扩散剖面的更快方法。 一种策略是跳过使用微探针在晶面上逐点移动的缓慢过程,而是使用称为背散射电子显微镜的技术,其基本上捕捉晶体的化学照片。 图像的亮度可以作为铁和镁浓度的代表,并且该过程花费的时间更少。

Morgan和Costa也在开发用户友好型软件,以帮助那些不是扩散建模专家的研究人员解释他们的数据。 摩根说,当他开始时,他可以在一天内模拟两到三个化学成分; 他的新日记录是80.通过加快这一过程,他希望研究人员可以生成更多数据,“然后开始以整个岩浆质量的大小而不是单个晶体的故事来告诉你事物。”

其他人担心扩散速率的不确定性,特别是对于不太常见的元素和矿物质。 但科斯塔说,保持观点很重要。 即使不确定性为100%或更高,时钟结果仍然有意义。 “如果我发现1个月,100%的不确定性是几个月,”他说。 “现在还不到100年。”

据Costa和Morgan等专家称,最大的挑战是没有校准秒表 - 它知道晶体正在记录哪些火山过程。 这就是为什么许多研究人员正在研究受到积极监测的火山喷发的晶体。 雷克雅未克冰岛大学的岩石学家Maren Kahl在地球上最好的火山之一 - 意大利埃特纳火山上使用了这种方法。 她和她的同事们检查了1991年至2008年间八次记录良好的爆发事件中的晶体。研究人员能够将地震,地面变形和气体排放的监测记录与晶体化学中记录的岩浆脉冲联系起来,他们使用扩散计时测量法。 结果是火山多管道管道的前所未有的画面,它们之间有五个不同的岩浆区和三条主要通道。 研究人员甚至能够创建一个基于真实物理学的火山爆发模型。 “我们之前从未做过这么做,”普朗克说。

Kahl说,随着研究人员更好地将晶体的故事与现代火山爆发的观察联系起来,他们将对将这种技术应用于古代技术获得信心,正如科斯特在格德所做的那样。 在地球上1500个潜在活跃的火山中,只有一小部分受到积极监测,自科学家开始观察以来,还有更少的火山爆发。

然而,通过扩散计时,研究人员可以使用晶体来学习这些冬眠火山的历史和个性。 “我们可以去拾取岩石,研究矿物,并且基本上获得有关10万年前发生的喷发的时间尺度信息,”Kahl说。 通过深入潜入火山的过去,科学家们可以一睹其未来。