揭露火山喷发的时间,地点和方式地平线:《欧盟研究与创新》杂志


经常活动的圆顶建筑火山是最危险的火山类型之一,因为它们以爆炸性活动而闻名。 这种类型的火山通常是通过首先在其山顶安静地产生圆顶状的厚熔岩喷发而喷出的,该熔岩太粘而无法流动。 当它最终变得不稳定时,它会破裂并产生快速移动的热气流,凝固的熔岩碎片和火山灰(称为火山碎屑云),它们以快车的速度流下火山的侧面。

德国波茨坦大学的火山学和地质灾害教授托马斯·沃尔特教授说:“与它们相关的危害可能是非常自然的,很难预测。” “这就是为什么理解这种熔岩穹顶现象如此重要的原因。”

关于熔岩穹顶的行为知之甚少,部分是因为没有太多可用数据。 沃尔特教授和他的同事们希望更好地了解它们的形成方式,形状是否可以显着变化以及内部结构如何。 在过去的五年中,通过一个名为VOLCAPSE的项目,他们一直在使用创新技术来监测熔岩穹顶,该技术利用卫星捕获的高分辨率雷达数据以及火山附近摄像头的近景来进行监视。

沃尔特教授说:“我们可以逐像素地确定这些熔岩穹顶的形状,形态和结构如何变化。” “我们将(网络摄像头图像)与卫星雷达观测进行了比较。”

VOLCAPSE项目使用各种技术监视全世界一些圆顶建筑的火山,以更好地了解这种爆炸性的火山。 图片来源-Thomas Walter / VOLCAPSE

延时摄影

该项目的重点是一些圆顶建筑的火山,例如墨西哥的科利马岛,印度尼西亚的默拉皮火山,俄罗斯的Bezymianny和智利的拉斯卡火山和拉斯特里亚火山。 它的一部分涉及到拜访他们并安装仪器,例如由太阳能电池板提供动力的可定时控制的延时摄影机。 例如,如果一个熔岩穹顶开始形成,团队可以调整设置,以便它更频繁地捕获更高分辨率的图像。

由于高海拔和恶劣的天气条件,设置摄像机比预期的更具挑战性。 沃尔特教授说:“这是一条尖锐的学习曲线,但也是反复试验,因为没人能告诉我们对这些火山的期望,因为这从来没有做过。”

在访问期间,该团队还使用了无人机。 它们将飞越熔岩穹顶并从不同角度捕获高分辨率图像,这些图像可用于创建详细的3D模型。 无人机上的温度和气体传感器提供了更多信息。

沃尔特教授和他的同事们使用这些数据创建了计算机模拟,例如熔岩穹顶的生长如何从喷发变化到喷发。 他们发现,新的熔岩穹顶并不总是在相同的位置形成:在一次喷发期间,火山熔岩穹顶可能会形成在火山的山顶上,而在下一次火山熔岩形成时,熔岩穹顶可能会在其两侧形成。 团队感到困惑,因为火山喷发过程中火山内的导管将岩浆带到了地表,这意味着火山喷发会在一次喷发和下一次喷发之间改变方向。 沃尔特教授说:“这对我们来说是非常令人惊讶的。”

“像素逐像素,我们可以确定这些熔岩穹顶的形状,形态和结构是如何变化的。”

德国波茨坦大学Thomas Thomas教授

应力场

他们能够通过检查火山内力或应力场的分布来解释这种情况。 在喷发过程中排出岩浆时,它会改变力在内部的分布方式,并导致管道重新定向。

研究小组还发现,应力场的变化存在系统的模式,这意味着通过研究熔岩穹顶的位置,他们可以估计它们过去形成的位置以及将来出现的位置。 这可能有助于确定火山附近的哪些地区最有可能受到尚未爆发的喷发影响。

他说:“如果您想了解熔岩穹顶将来从何处挤出(或塌陷),对于预测研究而言,这是一个非常酷的结果。”

喷气孔是活火山的明显标志,它将火山气体释放到大气中。 图片来源-Thomas Walter / VOLCAPSE

知道火山从何处喷出是一回事,但是知道火山何时从何处喷出是另一回事,而控制火山爆发的物理因素也没有被很好地理解。 尽管爆发的频率与爆发的大小之间存在一定的关系,与较小的爆发相比,大爆发的发生很少,但缺乏可靠的数据使得很难检查控制爆发频率和强度的过程。

瑞士日内瓦大学岩石学和火山学教授卢卡·卡里奇教授说:“当你回到地质记录中时,许多喷发的痕迹由于侵蚀而消失了。”

此外,由于这些过程发生在5至60公里深的火山深处,因此无法直接访问这些过程。 测量喷发过程中排出的岩浆的化学性质和质地可以提供有关导致该事件的内部过程的一些线索。 而且由于构造过程,岩浆室有时会出现在地球表面时,可以进行调查。 从特定时间段提取信息仍然很困难,尽管您获得的“图片”就像一部电影,其中所有帧都折叠成一张镜头。 卡里奇教授说:“要及时获取演变的过程很复杂,这是电影中真正发生的事情。”

Caricchi教授及其同事正在使用一种新颖的方法来预测喷发的复发率。 先前的预测通常基于对火山地质记录的统计分析。 但是,通过一个名为FEVER的项目,团队的目标是将这种方法与对喷发频率和大小负责的过程的物理建模相结合。 已经使用类似的方法来估计何时将再次发生地震和洪水。

在缺乏可用数据的火山预测中,使用物理模型特别有用。 Caricchi教授说:“要想从一个广为人知的地方(例如日本)推断出我们的发现,您需要一个物理模型来告诉您为什么频率-幅度关系会发生变化。”

为了创建模型,研究小组加入了一些变量,这些变量会影响岩浆储层中的压力或火山下方深处的岩浆堆积速率。 例如,火山下的地壳粘度和岩浆储层的大小都起着作用。 他们使用所有可能出现的值组合进行了超过一百万次的模拟。 他们从模型中获得的频率和幅度之间的关系类似于使用火山记录所估计的关系,因此他们认为他们能够捕获所涉及的基本过程。

卡里奇教授说:“这是岩浆量与地壳性质之间的斗争。” “他们是相互争斗最终导致这种关系的两大参与者。”

可以更好地预测未来爆发的模型可以保护靠近火山的10亿人的生命。 图片来源-Thomas Walter / VOLCAPSE

构造板块

但是,研究小组还发现,不同地区的火山变化的大小和频率之间的关系。 卡里奇教授认为,这是由于每个区域构造板块的几何形状不同所致。 他说:“我们可以看到,板块俯冲到另一个板块之下的俯冲速率以及俯冲角度似乎在确定火山喷发的频率和幅度方面起着重要作用。” 团队现在开始将这些新信息整合到他们的模型中。

使用模型能够预测未来爆发的频率和强度,可以帮助更好地评估危害。 例如,在日本(火山活动最活跃的国家之一),在决定在哪里建造核电站等基础设施时,了解未来各种规模火山爆发的可能性非常重要。

在人口稠密的地区(例如墨西哥城),这是无价的,墨西哥城周围环绕着活火山,包括内华多·德·托卢卡(Nevado de Toluca)。 Caricchi教授和他的同事研究了这座火山,该火山至今尚未爆发约3000年。 他们发现,一旦岩浆活动重新开始,可能需要大约10年的时间,才能发生大规模喷发。 如果发现活动的初步迹象,这种知识将防止墨西哥城撤离。

卡里奇教授说:“一旦活动重新开始,你就会知道有十年的时间可以跟上形势的发展。” “(人们)现在将对预期会有更多了解。”

本文中的研究由欧盟欧洲研究理事会资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “揭露火山喷发的时间,地点和方式地平线:《欧盟研究与创新》杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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