监测岩浆气体的组成可以帮助预测危险的火山爆发。科学家们希望利用这一发现的知识，建立一个24/7的火山活动监测和早期预警系统。
气体的组成可能预示着火山活动的增加。
火山爆发是危险的，但不幸的是，它们也很难预测。现在，东京大学(University of Tokyo)的一组科学家发现，从火山喷气孔(地球表面的缝隙)释放出的特定气体中原子的比例，可以作为指示地下深处岩浆发生了什么变化的指标。它的工作原理与验血检查你的健康状况非常相似。这可以表明什么时候事情会像火山一样“升温”。
具体来说，氩-40和氦-3比例的变化可以表明岩浆的泡沫程度，这标志着不同类型喷发的风险。了解哪种气体的比例表明某种类型的岩浆活动是一个很大的进步。接下来，研究人员希望通过开发可提供现场实时测量的便携式设备，构建一个24/7的火山活动监测和早期预警系统。
群马县草津镇(图片背景)地热活跃，是日本最受欢迎的温泉胜地之一。然而，酸性和充满活力的绿松石色的Yugama火山口湖绝对不适合游泳。图片来源:Tomoya Obase
一想到站在火山上，你会兴奋得发抖，还是会害怕?对许多人来说，生活在火山的阴影下是日常生活的一部分。日本有111座活火山，平均每年发生15次火山“事件”(包括喷发)。然而，众所周知，这些可能是致命的事件很难预测。
御岳山是日本第二高的火山，也是著名的旅游景点，2014年意外爆发，不幸造成58人死亡，5人失踪。虽然地震活动是典型的早期预警信号，但一些火山喷发(包括Ontake火山喷发)可能在没有明确地震信号的情况下发生。因此，像日本气象厅(Japan Meteorological Agency)这样的灾难缓解机构，将从其他可靠的方式中受益，可以提前向居民发出下一个潜在灾难的警告。
火山孔是地球表面(地壳)的洞和裂缝，它释放气体和蒸汽，经常发生在火山周围。喷出的气体由多种化学物质混合而成。它的组成可以让我们了解地壳下面的地幔发生了什么，在那里岩浆(熔融岩石)形成并向上推动，最终以熔岩的形式喷发。研究人员已经知道，某些气体的同位素(来自具有相同化学性质但质量不同的元素的原子)的比例可以指示隐藏的岩浆活动。
“我们知道，当岩浆活动增加时，氦同位素比例偶尔会从一个类似于地壳中发现的氦的低值变化到一个类似于地幔中的高值。这是基于对加那利群岛(位于非洲西北海岸的大西洋上)耶罗岛冷泉气体氦同位素比例的观察，2011年那里发生过一次喷发，”高级科学和技术研究中心的Hirochika Sumino教授解释说。“但我们不知道为什么在岩浆动荡期间会有更多来自地幔的氦。”
Hirochika Sumino(深绿色外套)，Tomoya Obase(蓝色外套)和Hiroshi Shinohara(橙色外套)在日本富山县的“地狱谷”地热区从喷气孔中收集气体样本。从喷气孔中收集气体样本是危险的，因为有毒气体和热蒸汽，所以需要防毒面具、护目镜、头盔和手套。但Sumino说，这项研究的结果表明，从样本中获得的见解是非常值得挑战的。图片来源:Yuki Hibiya
为了获得更深入的了解，Sumino和研究团队决定监测草津白根活火山周围六个喷气孔的气体。草津白根活火山位于群马县东京西北约150公里(90英里)处。该团队在2014年至2021年的7年间每隔几个月收集一次样本。收集后，他们把样本带回实验室，用最先进的设备惰性气体质谱仪进行分析。这使他们能够精确地测量同位素组成，包括超微量(微小但重要的)同位素，如氦-3，它在地幔中通常比在地壳或空气中更丰富。
“我们成功地探测到了岩浆衍生的氩-40/氦-3比值的变化，这与岩浆动荡有关。通过计算机模型，我们揭示了这个比例反映了地下岩浆的起泡量，产生了与液态岩浆分离的火山气体气泡。”Sumino解释道。“有多少岩浆泡沫控制着有多少岩浆气体被提供给火山下面的热液系统，以及岩浆的浮力有多大。前者与潜水喷发的危险有关，在潜水喷发中，热液系统中水压的增加导致喷发。后者会增加岩浆上升的速度，导致岩浆喷发。
这张地图显示了该团队采样的喷气孔的位置。还显示了2018年1月最近一次意想不到的致命喷发的地点，那次喷发造成1人死亡，11人受伤。图片来源:Tomoya Obase
“当你把火山和人体进行比较时，以地震和地壳变形为代表的传统地球物理方法类似于听胸部的声音和测量身体大小。在这些情况下，如果没有详细的医疗检查，就很难知道是什么健康问题导致了胸部杂音或体重突然增加。另一方面，分析烟气中元素的化学和同位素组成就像呼气或验血一样。这意味着我们正在观察直接来自岩浆的实际物质，以准确了解岩浆发生了什么。”
目前，天然气样本必须从野外采集，然后带回实验室进行分析，这是一个具有挑战性和耗时的过程。然而，Sumino在改进稀有气体质谱仪方面有经验，并希望开发一种新的工具，使他们能够进行同样的分析，但是实时的，在野外。
“我们希望能够尽快探测到岩浆活动的变化，”Sumino说。“现在我们正在开发一种便携式质谱仪，用于现场实时监测富马气中的稀有气体同位素比率。我们的下一步是用这种新仪器建立惰性气体分析协议，使所有活火山——至少是那些有可能给当地居民造成灾难的活火山——每周7天、每天24小时都得到监测成为现实。”
参考文献:Tomoya Obase、Hirochika Sumino、Toyama Kotaro、Kaori Kawana、Kohei Yamane、Muga Yaguchi、Akihiko Terada和Takeshi Ohba“通过富烟气碳同位素组成监测岩浆-热液系统”，科学报告，2022年11月21日。DOI: 10.1038 / s41598 - 022 - 22280 - 3
基金资助:本研究由日本文部科学省(MEXT)的“下一代火山研究与人力资源开发综合项目”(项目资助号:JPJ005391)和“第二地震与火山危害观测与研究项目”(地震与火山危害减少研究)资助。
