火山烟气或能预报其何时爆发

科学家试图在碳硫气体比和火山爆发间建立明确联系

位于墨西哥城附近的波波卡特佩特火山

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不久前，来自墨西哥国立自治大学的研究人员希望到达墨西哥城附近5400米高的火山——波波卡特佩特火山的山顶，目标是在山顶火山口安装监测设备。不过，被当地人称为El Popo的波波卡特佩特火山用火山灰和刺鼻的气体浓烟“拒绝”了他们，而这正是科学家想测量的内容。他们被迫在火山较低处安装了传感器，并且希望在明年将其移到更高的地方。目标则是测量El Popo正在冒出何种以及多少烟气，因为这些烟气可能暗含着一种预测火山爆发的颇有前景的方式。

越来越多的监测数据表明，火山释放的碳硫气体比的急剧上升能在即将到来的火山爆发前提供数天到几周的预警。最新证据来自3项新近开展的研究——聚焦作为火山地球深部碳脱气（DECADE）项目的一部分被监测起来的火山。

它们提供了这样一种希望，即对气体的地球化学监测或许有一天会加入预测火山爆发的两大地球物理学支柱：追踪地球表面的膨胀以及通常在火山爆发前出现的地震的增多。“作为一种预测工具，从统计学上看它是非常有效的。”新墨西哥大学火山学家Tobias Fischer、DECADE项目负责人Tobias Fischer表示。

寻找火山气体中“不安定”因素的想法已经存在了几十年。比如，硫排放的剧增帮助科学家预测了菲律宾皮纳图博火山在1991年的爆发。科学家还将火山气体中的碳硫比视为非常有用的指标。原则上，它能预示最新贯入的岩浆何时从地壳深处升起，而这正是火山爆发的前奏。

碳硫比会发生变化，因为随着压力的下降，在上涌岩浆中溶解的二氧化碳在10千米或更深处以气泡的形式冒出。相比之下，富含硫的气体会留在溶液中，直到更浅的深度。因此，该比率的上升能提供关于新一批岩浆已升至某个深度阈值以上的预警。碳硫比随后的下降则表明，岩浆进一步上升至含硫气体被释放的深度。不过，Fischer表示，这并未获得足够的观测，因此并非完全可靠。

尽管机制很简单，但在碳硫比和火山爆发之间建立明确的联系需要持续的监测。美国地质调查局物理学家Christoph Kern介绍说，历史上，研究人员只是在某次到访一座火山期间用瓶子采集了一些气体样本，或者利用飞机、遥感工具连续数天或几周观察一座火山。然而，无论哪种方法都很难捕捉到正要爆发的火山。

不过，这一切在本世纪初发生了变化。当时，科学家开始研发能被留在火山上进行持续测量并将数据传送给研究人员的新设备。它们使用太阳能动力，非常结实，并且便宜到在火山爆发中“牺牲掉”也无所谓。“它们基本上是消耗品。”英国剑桥大学火山学家Marie Edmonds表示。

意大利科学家率先将这些设备部署到诸如埃特纳火山、斯特隆博利活火山等火山上，并且开始关注火山爆发前数日或几个小时里碳硫比的变化。自此以后，美国和日本地质学家纷纷在该国的少数火山上安装了此类设备。DECADE项目则将它们添加到包括El Popo在内的全球其他9座火山上。Fischer表示，总的说来，碳硫比变化似乎是一个强有力的征兆。“目前，我们正在诸多不同火山上观测它。”

或许，最明显的例证来自哥斯达黎加的图里亚尔瓦火山。这是一座对位于其西面30公里处的圣何塞市造成威胁的火山。2014年年初，哥斯达黎加火山和地震观测站研究人员Maarten de Moor帮忙在图里亚尔瓦火山安装了气体传感器，而当时恰好赶上该火山开始爆发。de Moor主导了一项发表于《地球物理学研究杂志》的研究，其中提到在两个爆发周期中每次火山爆发前几周碳硫比均会急剧上升。“我们观察到的事情令人极度兴奋。”他说，“这些信号真的让人大开眼界。”

不过，剑桥大学火山学家Clive Oppenheimer表示，要让监测气体比成为一种被广泛使用的预测工具，研究人员还需要理解很多复杂的因素。“对气体化学的诠释，尤其是出于预报火山爆发的目的，并不是一门精密的科学。”Oppenheimer认为，“要做到这一点，还任重道远。”