监测泡沫岩浆气体可帮助躲避灾难

火山喷发是危险的，而且难以预测。东京大学的一个团队发现，从火山熔岩(地球表面的缝隙)中释放出的特定气体中的原子比例可以提供一个指标，说明下面深处的岩浆正在发生什么--类似于进行血液测试来检查你的健康。 这可以表明事情何时可能 "升温"。具体来说，氩-40和氦-3的比例变化可以表明岩浆的泡沫程度，这预示着不同类型的喷发风险。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。下一步，该团队希望开发便携式设备，可以为全天候的火山活动监测和预警系统提供现场实时测量。

一想到要站在火山上，你是兴奋得发抖，还是害怕得发抖?对于许多人来说，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，每年平均有15次火山 "事件"，包括喷发。但是这些事件是出了名的难以预测，而且可能是致命的。2014年，日本第二高的御岳山，一个著名的旅游景点，意外地爆发了，不幸地造成58人死亡，5人失踪。地震活动通常是一个早期预警信号，但一些爆发(包括御岳山的爆发)可能在没有明确的地震信号的情况下发生，因此减灾人员，如日本气象厅，将受益于其他可靠的方法，以预先警告居民下一次潜在的灾难。

火山口是地球表面(地壳)的洞和裂缝，它释放出气体和蒸汽，经常出现在火山周围。喷出的气体是由混合的化学物质组成的。它的成分可以让我们了解在地壳下面的地幔中发生了什么，岩浆(熔岩)在那里形成并向上推进，最终以熔岩的形式爆发出来。研究人员已经知道，某些气体的同位素(来自某种元素的原子，具有相同的化学性质，但质量不同)的比例可以表明隐藏的岩浆活动。"我们知道，当岩浆活动增加时，氦同位素比率偶尔会从一个低值，类似于在地壳中发现的氦，变成一个高值，就像在地幔中的氦。这是基于对加那利群岛(位于非洲西北海岸的大西洋中)埃尔埃罗岛冷泉气体的氦同位素比率的观察，那里在2011年发生了一次喷发，"先进科学技术研究中心的Hirochika Sumino教授解释说。"但是我们不知道为什么在岩浆动荡期间有更多的地幔衍生的氦气"。

为了获得进一步的了解，Sumino和团队决定监测活跃的草津白根火山周围的六个烟孔的气体，该火山位于群马县东京西北部约150公里处。该团队在2014年至2021年的7年间，每隔几个月收集一次样本。采集后，他们将样本带回实验室，使用称为惰性气体质谱仪的最先进设备对其进行分析。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)同位素的组成，如氦-3，与地壳或空气相比，氦-3在地幔中通常更丰富。

"我们成功地检测了岩浆衍生的氩-40/氦-3比率的变化，与岩浆动荡有关。使用计算机模型，我们发现该比率反映了地下岩浆发泡的程度，使火山气体的气泡从液体岩浆中分离出来，"苏米诺解释说。"岩浆发泡的程度控制着有多少岩浆气体被提供给火山下的热液系统，以及岩浆的浮力如何。前者与岩浆喷发的风险有关，在这种情况下，热液系统中水压的增加会导致喷发的发生。后者会增加岩浆上升的速度，导致岩浆喷发。

"当你把火山与人体相比较时，以观察地震和地壳变形为代表的传统地球物理方法类似于听胸腔和测量体型。在这种情况下，如果没有详细的医疗检查，很难知道是什么健康问题导致胸部的一些噪音或体重的突然增加。另一方面，分析火成气体中元素的化学和同位素组成，就像呼吸或血液测试。这意味着我们正在研究直接来自岩浆的实际材料，以准确了解岩浆的情况。"

目前，气体样本必须在野外收集，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有改进惰性气体质谱仪的经验，并希望开发一种新的工具，使他们能够进行同样的分析，但要实时和在野外进行。"我们希望能够尽快发现岩浆活动的变化，"苏米诺说。"现在我们正在开发一种便携式质谱仪，用于现场实时监测来自熔岩气体的惰性气体同位素比率。我们的下一步是用这个新仪器建立一个惰性气体分析协议，使所有的活火山--至少是那些有可能给当地居民带来灾难的活火山--每周七天、每天24小时都受到监测成为现实。"