所谓的“水晶钟”可以帮助预测火山喷发吗？

人们正在分析水晶钟，以表明岩浆在喷发前在地下停留了多长时间，但所有的钟都保持相同的时间吗？

科学家认为，岩浆产生的微小晶体可能有助于了解喷发前熔岩的行为，但这个想法并非没有争议。 

图片来源：Dimitri Tymchenko/Shutterstock.com

很少有自然现象能像火山爆发那样引起我们的注意。这一原始地质事件令人惊叹不已。然而，我们对它们仍然有很多不了解，特别是当涉及到岩浆在从地球中喷出之前的行为时。

近年来，科学家们开始利用所谓的“水晶钟”来了解岩浆在喷发前在地下储存了多长时间，以及需要多长时间才能到达地表。然而，正如美国国家科学院院刊的一篇新的解释文章所解释的那样，它们是一个有争议的话题。

存储快速繁荣还是停滞？

火山如何运作？我们中的许多人可能认为火山就像某种地质丘疹——液态岩浆在地下深处积聚，直到压力迫使其从山顶喷出。但现实要复杂得多。

当岩浆穿过地壳上升时，它会引起地震，释放烟雾，并提供其他可能即将喷发的迹象。但科学家们不确定岩浆是如何上升的。一种可能性是，它是直接上升，就像上面的岩浆丘疹概念一样，只需几天的时间就会发生。另一种可能性是岩浆上升到地表，然后停下来，在地下深处形成水池。这种停滞的岩浆可能会在原地停留数千年，然后最终复活并继续上升。

在第二种情况下，岩浆会停止流动，因为足够的岩浆已冷却至大约 720°C (1,328°F) 以下的温度，导致岩浆硬化并被有效地卡住。然后，如果从下面注入新的热岩浆，凝固的岩石就会融化并向上推动喷发。

如果第一个解释是正确的，那么沉睡的山脉发出的咕噜声可能预示着火山即将爆发。但如果第二种解释是正确的，那么同样的抱怨可能就不那么令人担忧了。

水晶钟的滴答声

那么我们怎样才能解决这个问题呢？一个可能的研究领域已转向分析过去喷发的火山岩中形成的晶体。

2014 年发表了一篇开创性的论文，通过观察这些晶体来推断岩浆在到达地表之前的行为。作者加州大学的卡里·库珀和俄勒冈州立大学的亚当·肯特粉碎了从俄勒冈州胡德山最近喷发的火山岩。他们筛出了当岩浆流到地表时在岩石中形成的晶体，包括斜长石。

通过测量矿物中铀的衰变量，斜长石可用于放射性测年。由于斜长石坚硬且无法重熔，因此它提供了一种有用的方法来测量岩浆何时开始形成。

还检查了另一种类型的晶体，可用于估计岩浆处于液态（更容易喷发的状态）的时间。这种形式的水晶钟包括斜长石、辉石、橄榄石和石英。检查这些晶体层之间的扩散程度可以深入了解矿物经历喷发水平温度的时间。

结果，库珀和肯特发现，2014 年样本中最古老的斜长石晶体至少有 2 万年的历史，而且它们很可能已经在高温下存在了数百年。他们得出的结论是，这些晶体只能在岩浆整个生命周期的 12% 左右的时间里保持在最高温度下，这表明岩浆已经在火山下的储层中停滞了 20,000 年。

库珀和肯特的工作标志着火山学家的重大突破，并启发了此后的各种其他研究。

时钟之间的争议

尽管人们希望水晶钟能为我们提供一种了解岩浆喷发前行为的方法，但也有人持谨慎态度。这种阻力来自于这样一个事实：再现地球表面深处存在的条件类型极其困难。

岩浆晶体由许多微观层组成，当每次新注入的热岩浆从下方上升以加热停滞的岩石时，就会形成这些微观层。从理论上讲，每一层都应该具有独特的化学性质，因为它是由不同的岩浆制成的。就像树的年轮一样，晶体的横截面应该有清晰的线条来划分每一层。但现实情况并非如此，因为随着时间的推移，原子在各层之间迁移，使其化学成分更加均匀。似乎较旧的晶体具有更多的这种模糊效果。

研究人员可以在实验室中使用一种测量晶体内部原子扩散速率的方法来重现这一过程，同时还可以检查吸收的浓度和深度。这种方法产生了一种标准化的方法来测定晶体形成的速度。然而，在检查晶体钟时，研究人员报告了在复制原始研究时不一致的扩散率。

这并不意味着水晶钟的整个想法应该被抛弃，但它确实表明需要谨慎。特别是，不应单独依赖它们，而应将其视为更广泛的工具包中的另一个工具。