由康奈尔大学领导的研究团队目前已经展示了意大利埃特纳火山（Mount Etna）的这些岩浆通道可以有多么显著的变化。通过重建该火山过去两次大规模喷发的过程，科学家们发现岩浆遵循了截然不同的路径，并以非常不同的速度向地表移动。
了解这些差异以及用于揭示这些差异的技术，可以帮助科学家改进用于评估未来喷发风险的模型。
研究结果最近发表在《地球化学、地球物理学、地球系统》（Geochemistry, Geophysics, Geosystems）上。第一作者是前博士后研究员马克西姆·加夫里连科（Maxim Gavrilenko）。
该项目由康奈尔大学达菲尔德工程学院地球与大气科学系Charles N. Mellowes教授埃斯特班·加泽尔（Esteban Gazel）领导。他的研究重点是火山是如何运作的，特别是是什么导致了一些喷发变得具有爆炸性，以及哪些过程控制了它们的行为。
是什么让火山爆发？
火山的爆炸性取决于几个因素，包括其岩浆流动的难易程度以及其中封存的挥发性物质含量。这些挥发物是气体，随着压力的变化可以从岩浆中分离出来。
“想象一瓶汽水。如果你不摇晃就打开它，你可以直接喝，但如果你摇晃它，所有的气泡会非常快地分离，然后你就会遇到一次‘爆炸’，”加泽尔说。“火山以类似的方式运作，我的实验室正试图量化这些过程。”
两种最重要的火山挥发物是水和二氧化碳。科学家们长期以来一直认为水是驱动火山喷发的主要挥发物。然而在2023年，加泽尔的团队表明，二氧化碳也能引发爆炸性火山活动。
研究人员利用他们开创的拉曼光谱技术得出了这一结论。该方法允许科学家检查在岩浆内部形成的晶体，并测量被困在其中的微小气泡。这些气泡的尺寸仅为人类头发直径的1%到10%。
“该技术给出了CO2的密度，利用状态方程我们可以将该密度转换为压力，压力又可以转换为深度，”加夫里连科说。“然后我们将这些技术应用于这些爆炸性喷发，我们能够以前所未有的精度重建火山内部通道系统。”
重建埃特纳火山隐藏的通道系统
该团队选择埃特纳火山是因为它提供了一个以火山气体为主的相对简单的系统。尽管与许多火山相比，埃特纳火山被认为是相对温和的，但其历史中包括了几次高度猛烈的喷发。
其已知最大规模的喷发之一发生在公元前122年。该事件兼具“基性”（mafic）和普林尼式（Plinian）特征。基性岩浆具有相对较低的粘度，并富含镁和铁。普林尼式喷发代表了最具爆炸性的火山喷发类别，以老普林尼（Pliny the Elder）的名字命名，他曾描述了公元79年维苏威火山的喷发。
合作者兼合著者、哥伦比亚大学的特里·普兰克（Terry Plank）和夏威夷大学马诺阿分校的布鲁斯·霍顿（Bruce Houghton）前往埃特纳火山系统地收集了样本。
通过对岩浆中形成的晶体进行测序和测量，研究人员重建了公元前122年喷发期间发生的事情。他们的分析表明，岩浆开始从约22公里深处上升。
然而，岩浆并没有直接冲向地表，而是缓慢向上移动，然后停滞在2到5公里深度的较浅位置。它在那里停留了几个星期，逐渐释放气体，最后才喷发。
另一次喷发仅耗时数小时
随后，研究人员将他们的新测量数据与埃特纳火山另一次被称为“Fall Stratified”事件（发生在近4000年前）的喷发数据进行了比较。
那次喷发遵循了截然不同的路径。
在这种情况下，岩浆从地幔更深的位置迅速上升，起点大约在地下24到30公里处。它没有停留数周，而是在短短几小时内向上运移并喷发。
研究人员发现，这种快速上升与高得多的二氧化碳浓度有关。
“有些火山只含有高浓度的CO2，主要在海洋岛屿上，而有些火山主要受水控制，例如俯冲带中的火山。埃特纳火山是世界上少数几个有两种挥发物相互竞争的火山之一，”加泽尔说。“这表明，在CO2达到一定阈值时，喷发会来自极深的位置且速度极快，但当水的阈值较高时，该过程就在浅层被控制了。”
研究结果表明，二氧化碳和水之间的平衡可以强烈影响喷发的演变方式。较高浓度的CO2可以驱动岩浆从地下深处快速上升，而当岩浆在较浅深度停留更长时间时，水的作用就会变得更加重要。
火山风险评估的新工具
加泽尔的团队目前正在使用相同的方法研究智利、夏威夷及许多其他地区的火山。
“理想情况下，这应该在地球上的每座火山上进行，”他说。“这是喷发物理模型所需的数据，而物理模型是风险评估的基础。”
通过确定岩浆从哪里开始上升、移动的速度有多快以及哪些气体在驱动这种移动，研究人员或许能够构建更真实的危险喷发演变模型。
埃特纳火山下的神话
埃特纳火山还承载着远远超越现代火山学的文化历史。
在希腊神话中，这座火山与巨人堤丰（Typhon）和恩克拉多斯（Enceladus）在被奥林匹亚众神击败后的埋葬地有关。加泽尔在这些古老的故事与他的团队研究揭示的地下结构之间看到了一种有趣的相似之处。
“埃特纳火山下可能真的有两个神话中的巨型怪物，”加泽尔说。“如果你观察普林尼式喷发的通道系统，它就像堤丰，因为它呈细长蜿蜒状；而另一个是恩克拉多斯，因为它相对较小。如果你在埃特纳火山工作，很难不与历史、经典著作和美食产生联系。”
合著者包括博士后研究员凯尔·代顿（Kyle Dayton）和艾琳·哈金斯（Ellyn Huggins）；以及加州大学伯克利分校的安娜·巴特（Anna Barth）。
该研究得到了美国国家科学基金会的支持。