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一场地震点燃远方火山
来源:     作者:      2016-10-08 16:55       

近日,一场6.2级地震袭击日本九州岛。两天后,日本政府宣布阿苏山出现羽状烟雾。阿苏山是距离此次地震震中42公里的一座火山。在那里,一场小规模火山喷发正在发生。是这场距离颇远的地震触发了它吗?在过去数年间,地震发生前,阿苏山曾发生过规模更大的喷发,因此,这只是个意外吗?

但一项新研究显示,这种所谓的远源触发理念并非牵强附会。研究人员发现,大规模地震能晃动数百公里外的火山岩浆,释放出的气体能增加岩浆压力,甚至导致火山爆发。

一般而言,地震和火山喷发在时间和空间上呈集群特征,因为两者通常都沿地质构造板块的边缘分布。大多数火山喷发前都会出现轻微震动,这与地下岩浆运动有关,而这也是能使地质学家有效监测火山活动的早期预警信号之一。

但科学家一直想知道为何大规模地震有时会伴随着远处小火山的喷发。早在1835年,查尔斯·达尔文就曾考虑过这两者的联系:智利康塞普西翁地震是否导致了一个月之后的奥索尔诺火山喷发。

另外,也有人认为,1991年菲律宾皮纳图博火山喷发与前一年100公里外发生的7.7级地震有关。2009年,英国牛津大学火山学家David Pyle及同事的一项研究显示,在8级或以上地震后12个月内,智利火山爆发率明显增加。

科学家相继提出有关地震和火山之间关联的大量解释。其中包括,地震冲击波导致半固体岩浆液化,从而更易发生地震;或者地震加速岩浆气泡生长,增加岩浆压力。但没有人真正解释清楚为何只有部分火山似乎易受地震影响、响应时间从几天到几个月不等、爆发等级从微小气体到大规模爆发。

“之前的模型能够解释一些要素,但并非全部。”Pyle说。他表示,随着时间的推移,火山学家已经对地震和火山喷发间的潜在联系是由火山在地震前的情况和岩浆气泡的存在所决定的达成一致。

现在,火山学家提出一个新的触发机制:充满气泡的岩浆的晃动。晃动已经在工程学角度被充分研究。运输液体(尤其是石油)的卡车必须经过特殊设计以抵御液体内部的晃动。受到这些观察的启发,广岛大学火山学家Atsuko Namiki及同事希望弄清地震的哪些影响会对火山岩浆产生不同作用。

为了找出答案,研究人员在实验室里模拟了地震波对岩浆房的影响。他们用浓稠的葡萄糖浆加入不规则塑料模拟岩浆。但液体中不能有太多晶体。就像岩浆在一个开放的火山腔中那样,模拟岩浆必须有活动的空间。但当岩浆房被充满后,不同密度的液体间也会发生晃动,更轻的液体有其他空间运动。此类液体层被认为在岩浆房中十分普遍,泡沫状的多泡岩浆位于浓稠岩浆上。

该研究小组发现,晃动出现三种不同“岩浆”结构:开放的单一液体层;开放的单一泡沫层和闭合的双层系统(泡沫位于液体上)。针对每个结构,研究人员还进行了各种实验。他们记录了在不同晃动频率和振幅下,10秒钟后,不同黏度、体积、悬浮物和气泡数的“岩浆”情况。

虽然岩浆库中的液体晃动没有强大到足以冲破周围岩石的束缚,但该团队发现了其所产生的不同影响。当槽的震动与液体的共振频率接近,晃动会明显增大。在泡沫层,这会使气泡变形,并将气泡拖拽到一起直到它们相互连通。在真正的火山中,岩浆泡沫破碎散发出的热气将增加传递到周围岩石中的热量,增加岩浆的压力,甚至导致火山喷发。

此外,在双层实验设备中,不仅泡沫层崩溃,泡沫液体混合层也被破坏。在真实的火山中,此类混合能为更低岩浆层提供更多的晶体和小气泡。随着时间推移,这将缓慢增加岩浆压力,从而导致火山活动加强。甚至出现延迟喷发。这或许能解释为何发生在数月前的地震能触发火山喷发。相关研究成果发表于《火山和地热学研究期刊》上。

美国地质调查局地质物理学家David Hill表示,该研究十分有趣,它引入了工程学概念,帮助解释地震如何发挥作用。虽然未参与该研究,但Hill的研究也涉及地震对远方火山的触发机制。

未参与该研究的Pyle也认为,这项实验引人注目。“这是一个令人兴奋的假设,将可能被验证。”他说,“这为解决一个复杂问题提供了灵活方案。”(张章)