預測火山爆發不是夢，只需建立一個全球性火山「圖書館」
圖片來源：BBC
撰文 屈夢夢
編輯 魏瀟
最近，夏威夷的基拉韋厄和瓜地馬拉的富埃戈火山都發生了大型的火山噴發，造成大量的人員傷亡。如果我們能夠提前幾分鐘預測火山的噴發，附近的村民就能及時撤離，減少人員傷亡。今年 5 月，來自利茲大學，冰島大學和英國地質調查局的火山學家們在Earth and Planetary Science Letters(EPSL) 雜誌發表的一篇研究表明，通過研究已噴發的火山物質，可以重建火山噴發的整個過程，並且預測同類型火山的噴發。
環太平洋火山帶（ring of fire）
全球 75% 以上的活火山和休眠火山都分布在環太平洋火山帶上，它是一個圍繞太平洋經常發生地震和火山爆發的地區，成馬蹄形。之所以會有這樣一個活躍的火山帶是因為，整個太平洋板塊和很多板塊相連接，板塊之間的移動和碰撞造成了這一系列的火山活動。
環太平洋火山帶（ring of fire）
就拿我們熟悉的日本舉個例子吧。日本處於太平洋板塊和歐亞板塊交界處，太平洋板塊向下俯衝（Subduction）時，隨著俯衝的深度增加，板塊承受的壓力也越來越大，太平洋板塊含了很多太平洋的水，這些水被壓力擠出板塊，帶到地幔中，降低地幔熔點，地幔熔體形成岩漿，岩漿再噴出地表，就形成了日本島火山弧。環太平洋火山帶上面的大部分火山就是這樣形成的。
現在，有將近 8 億人住在活火山或者休眠火山的附近，如果我們能夠預測火山爆發，人們提前轉移，將會減小很大一部分傷亡。
預測火山噴發
來自利茲大學，冰島大學和英國地質調查局的火山學家們通過研究 2010 年噴發的冰島的艾雅法拉冰蓋火山形成的晶體，提出了一個預測火山噴發的新方法。在這項研究中，火山學家們通過研究岩漿晶體的化學物質記錄，重建了 2010 年噴發的冰島的艾雅法拉冰蓋火山的岩漿的隨時間和空間變化的物理歷史。重建的具體內容包括，岩漿體（magma bodies）的數量，它們的幾何形態，它們的深度，它們的相對膨脹速率，以及上述的性質隨時間的變化。
岩漿冷卻結晶後形成晶體，通過分析大量結晶晶體，他們發現岩漿形成的橄欖石晶體的成分和結構呈現系統的樣式。根據晶體核部和其周圍的組成，可以分為正向環帶（normal zoned）和逆向環帶（reverse zoned）。逆向環帶的邊緣和核之間呈現一個恆定的化學偏移，而正向環帶收斂於一個單一的組成。這些不同的樣式是在結晶失衡情況下形成的，常規的岩石學模型可以解釋在平衡狀態下噴出岩中的一系列結晶核的形成，但是卻不能解釋這種現象。
在這項研究中，火山學家們通過一個模型解釋了失衡狀態下，晶體的逆向環帶和正向環帶的形成。岩漿冷卻過程中頂部（roof）和底部（floor）冷卻比較快，先形成晶體。晶體比岩漿的密度大，頂部的晶體逐漸沉入底部，從而底部逐漸形成一個晶體糊（crystal mush），晶體糊如同一個絕緣體一般造成了熔體的不對稱的熱層，從而造成不對稱的成分層。這個過程被稱為「晶體雨」。
這個模型最關鍵的一點就是晶體在生長過程中會影響岩漿內部環境，內部環境又同時影響了晶體的生長，它們之間的相互影響並不需要外部過程或材料的參與。基於「晶體雨」的模型，這項研究重建了 2010 年噴發的冰島的艾雅法拉冰蓋火山的歷史，解釋了噴出的橄欖石組成和組構的多樣性。通過研究噴出晶體的組合和結構，並且結合年代學研究，火山學家們可以重建火山噴發前六個月的演化歷史。
災難模型（catastrophe models）通常運用概率統計技術來量化火山爆發的風險。這些工作需要借鑒噴出岩石記錄的分布，容積和類型，從而定義災害用來測量可能造成的影響。用來徹底減小風險的必需要素是具體預測能力的火山行為的決定性模型。
這些噴出岩石記錄就相當於一個「圖書館」，不斷給「圖書館」增加新的資料，可以給火山觀測者提供機會了解火山爆發的記號，並且建立即時性經驗性對比的基礎。在整個火山系統中，重建岩漿在噴發之前隨時間和空間的變化，可以揭露出典型與非典型火山在噴發前的某些特徵。這些特徵可以為災難轉移的決策者提供很大幫助。例如，及時的觀測與同類型火山噴發前的記錄沒有任何共同特徵，那麼就可以認為是噴發率比較低的火山，反之亦然。
這項研究基於 2010 年冰島的艾雅法拉冰蓋火山中的橄欖石晶體，所以對於類似類型的火山預測會有很大幫助。最近噴發的夏威夷的基拉韋厄和瓜地馬拉的富埃戈火山都是基性岩漿，這類岩漿可以結晶出橄欖石晶體，所以，理想情況下，如果在「圖書館」中積累了足夠的數據，可以預測這類火山的噴發，大量減少人員的傷亡。甚至可以發展一個觀賞火山爆發的旅遊項目，根據「圖書館」的資料，預測即將爆發的火山，在火山附近的安全地帶建立觀景台，吸引大量遊客。
相關論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.025
參考資料：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/uol-vc052418.php
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