研究揭示埃特纳火山两次截然不同的喷发背后的原理

意大利埃特纳火山的历史喷发记录显示，同一座火山可以通过截然不同的地下通道发生喷发，颠覆了地质学界对火山内部“管道系统”一贯稳定性的传统认识。来自美国康奈尔大学牵头的一项最新研究通过重建埃特纳火山两次大型喷发的地下岩浆活动过程，发现其内部“管道系统”在不同历史时期由完全不同的机制驱动，这一成果有望为未来火山喷发风险评估提供更为精细的技术手段。

研究团队指出，火山内部的“管道系统”往往在地下深处延伸并形成高度复杂的网络，即便是同一火山，其岩浆在不同喷发事件中也可能沿着截然不同的路径上升并释放压力。此次由康奈尔大学地球与大气科学系查尔斯·N·梅洛斯讲席教授埃斯特班·加泽尔（Esteban Gazel）领衔的合作项目，选择结构相对“简单”、以挥发分为主导的埃特纳火山作为对象，系统分析了这座火山过往两次代表性爆发事件的岩浆晶体样本。

研究成果发表在期刊《地球化学、地球物理、地球系统》（Geochemistry， Geophysics， Geosystems），论文第一作者为前康奈尔大学博士后研究员马克西姆·加夫里连科（Maxim Gavrilenko）。加泽尔长期关注火山喷发机制，尤其是哪些因素会触发剧烈的爆炸式喷发以及不同挥发性组分在这一过程中发挥的主导作用。

研究团队强调，火山喷发是否呈现爆炸性，与岩浆黏度以及岩浆中所含挥发性气体的数量与分布密切相关。加泽尔用碳酸饮料作比喻：如果打开没有摇晃过的汽水瓶，只会平稳放气；而剧烈摇晃后再开瓶，瓶中气泡迅速分离并膨胀，造成猛烈喷涌，火山的喷发过程在一定程度上与此类似。

水和二氧化碳是火山岩浆中最重要的两类挥发性组分，地质学界长期将水视为主导火山爆发行为的关键挥发物。然而，加泽尔课题组在2023年的研究中提出，二氧化碳同样可以直接触发爆炸式喷发，这一结论源自他们使用拉曼光谱技术分析岩浆晶体中微小气泡的全新方法。

通过拉曼光谱，研究人员能够测量岩浆中晶体包裹体内微米级气泡的二氧化碳密度，这些气泡的厚度只有人类头发的百分之一到十分之一左右。加夫里连科介绍说，在获得二氧化碳密度之后，团队借助状态方程将其转换为压力，再由压力推算岩浆所在的深度，从而以前所未有的精度重建火山内部管道系统的三维结构。

在本次研究中，团队将这一技术应用于埃特纳火山的两次重要喷发事件，结果表明：同一火山在不同历史时期可以通过完全不同的“通道”释放岩浆和气体。其中一场发生于公元前122年的喷发规模极大，岩浆成分属于镁铁质低黏度类别，喷发类型则被归类为“普林尼式”——这是以公元79年维苏威火山喷发的记载者老普林尼命名的最为剧烈的喷发等级。

为获得高质量样本，研究合作者特里·普兰克（Terry Plank）和布鲁斯·霍顿（Bruce Houghton）曾深入埃特纳火山野外开展系统采样，并对岩浆晶体进行序列分析和精细测量。数据表明，在公元前122年这次事件中，岩浆最初从约22千米深处缓慢上升，在距离地表2至5千米的浅层停滞了数周，期间逐渐失去部分气体，最终才触发喷发。

团队随后将新数据与另一场更早的喷发——约4000年前的“秋季层状喷发事件”（Fall Stratified event）样本进行对比。结果显示，后者的岩浆上升过程截然不同：岩浆从约24至30千米的更深地幔层位迅速涌向地表，仅在数小时内完成上升并喷发，其主要驱动力来自岩浆中显著更高浓度的二氧化碳。

加泽尔指出，不同火山在挥发性组分构成上存在明显差异：有些位于洋岛的火山以高浓度二氧化碳为主导，而俯冲带火山则更受水含量控制。埃特纳火山属于少数几类水与二氧化碣两种挥发物“竞争主导权”的特殊火山，研究结果显示，当二氧化碳浓度超过某一阈值时，喷发会从更深处迅速启动并在短时间内爆发；而当水的影响更强时，喷发过程则主要受浅层结构控制，岩浆会在近地表停滞、脱气后再喷发。

目前，加泽尔团队正将同样的方法推广应用于智利、夏威夷等地区的多座火山，希望构建更广泛的火山内部管道精细模型。他表示，理想状态下，这种分析应该在全球每一座火山上开展，因为这些基础数据对于建立喷发物理模型和完善火山灾害风险评估体系至关重要。

除了科学价值之外，埃特纳火山在文化层面同样引人注目，它在古希腊神话中被视为巨人提丰（Typhon）和恩克拉多斯（Enceladus）的埋葬之地。加泽尔形象地将两次喷发的地下管道系统分别比作这两位神话巨人：公元前122年的普林尼式喷发对应一条细长蜿蜒的“提丰式”管道，而较老的那次事件则类似体量较小的“恩克拉多斯式”结构，他坦言在埃特纳工作很难不被这里的历史、古典文化与当地美食所吸引。

据悉，这项“埃特纳火山公元前122年镁铁质普林尼式喷发的深源起始与浅层发射机制”（Deep Origin and Shallow Launch for the Etna 122 B.C. Mafic Plinian Eruption）研究由美国国家科学基金会资助。论文于2026年6月2日正式发表，并给出了详细的理论模型和观测数据，为未来全球火山喷发机理研究和风险评估提供关键参考。