终于揭开“不喷发”火山之谜

人们常将火山喷发的原理比作开香槟：瓶塞密封时，二氧化碳因压力溶解在液体中；拔掉瓶塞后压力降低，气体便形成气泡并迅速上升，带动液体向上喷出，产生突然的喷射。然而，这种经典解释无法说明某些火山的行为。包括美国华盛顿州的圣海伦斯火山和智利的奇扎普火山在内，一些火山的岩浆虽然富含气体、本应具有高度爆炸性，却偶尔会缓慢、平缓地流出熔岩。如今，一个包含苏黎世联邦理工学院科学家在内的国际研究团队发现了一个新因素，有助于解开这个长期存在的谜团。

剪切力：第二种气泡形成机制
在近期发表于《科学》（Science）杂志的论文中，研究人员指出，上升的岩浆中形成气泡，除了压力下降外，也可能由剪切力导致。当气泡在火山通道深处形成并开始生长时，它们会合并成更大的通道，充当气体逸出的通道。这种早期的气体释放能让岩浆在地表平缓涌出。

为了理解剪切力，可以想象搅拌一罐浓稠的蜂蜜：靠近勺子的蜂蜜运动较快，而接触罐壁的蜂蜜因摩擦运动较慢。火山通道中也会发生类似现象：靠近通道壁的岩浆比中心的岩浆流动得慢。这种不均匀的运动实际上会“揉捏”熔融岩石，有助于气泡的产生。

苏黎世联邦理工学院火山学与岩浆岩石学教授、该研究的合著者之一奥利维耶·巴赫曼（Olivier Bachmann）表示：“我们的实验表明，即使没有压力下降，岩浆中由剪切力引起的运动也足以形成气泡。”研究团队称，气泡最容易在剪切力最强的通道壁附近形成。一旦形成一些气泡，就会让更多气泡更容易出现。巴赫曼解释道：“岩浆含气量越多，形成和生长气泡所需的剪切力就越小。”

为何部分“爆炸性”火山会平缓喷发
新发现表明，即使是溶解气体相对较少的岩浆，如果剪切力突然产生大量气泡并推动岩浆迅速上升，也可能引发强烈爆炸。

另一方面，对于已经含有大量气体的岩浆，剪切力也会在早期就产生气泡。当这些气泡合并成更宽的通道时，气体在压力积聚前就会逸出。巴赫曼说：“因此，我们可以解释为何一些粘性岩浆尽管含气量高，却会平缓流出而非爆炸——这是一个长期困扰我们的谜题。”

1980年的圣海伦斯火山就体现了这一过程。尽管其岩浆含气量高、本可能发生大爆炸，但最初在火山锥内流出的是缓慢移动的熔岩流。上升岩浆中的强剪切力产生了额外的气泡，使得气体早期就得以释放。直到一次山体滑坡打开了火山口，引发压力骤降，火山才进入著名的爆炸阶段。这些结果表明，许多含有粘性岩浆的火山，其气体释放能力可能比之前认为的更强。

实验室实验揭示剪切力如何产生气泡
为了探究这些内部过程的发生机制，研究团队设计了一套实验室装置：使用一种类似熔融岩石的浓稠液体，并向其中注入二氧化碳。

当通过剪切力使液体运动时，一旦剪切力超过特定阈值，气泡就会突然出现。初始气体饱和度越高的液体，产生更多气泡所需的剪切力就越小。研究团队还观察到，已有的气泡会促进附近形成更多气泡。

科学家将这些实验结果与火山行为的计算机模拟相结合。分析表明，当粘性岩浆与通道壁摩擦并受到强剪切力时，这种气泡形成效应尤为显著。

新见解助力改进火山预测
这些发现共同为活火山的内部行为及喷发如何开始提供了重要的新视角。巴赫曼表示：“为了更好地预测火山的潜在危害，我们需要更新火山模型，并将通道中的剪切力纳入考虑。”

通过将剪切力驱动的气泡形成纳入预测模型，科学家或许能更准确地评估喷发风险，并理解为何有些火山会剧烈喷发，而另一些则平缓地流出熔岩。