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解密稀有气体同位素:南极Deception岛火山的秘密揭示

已有 1035 次阅读 2023-8-16 19:01 |系统分类:科普集锦

原创 作者:Alvarez-Valero 同位素地球化学 2023-08-16 18:52 

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   南极洲,一个遥远而神秘的地方,隐藏着无数的谜团和奥秘。在这片雪域大陆的边缘,有一个名叫Deception岛的地方,它是一个活跃的火山岛,近两个世纪内爆发了20多次引人注目的火山喷发。科学家们一直在努力揭示这座火山的秘密,而最近的一项研究,通过关于稀有气体同位素的发现,为我们带来了一些意想不到的答案。

火山,那是一座地下深处的“火山君主”,它们不仅能释放出炽热的岩浆,还能喷发出各种有害气体。然而,这些气体中有一种特殊的存在,被称为“稀有气体”。你也许会好奇,为什么它们被称为“稀有”呢?让我们一起揭开这层神秘的面纱。

稀有气体包括氦、氖、氩等几种,它们在大气中的含量非常少,所以被称为“稀有”。它们在我们日常生活中几乎不会引起太多注意,但在火山喷发的过程中,它们却有着不可思议的作用。研究人员使用一种特殊的技术,分析Deception岛火山喷发过程中的橄榄石样本中的稀有气体同位素,就像翻开了火山的“日记”,让我们窥探了火山的内心世界。

  首先,让我们来了解一下这些稀有气体同位素究竟是如何揭示火山的秘密的。科学家们发现,通过分析Deception岛火山喷发前、喷发中和喷发后的橄榄石样本中的稀有气体同位素,他们可以揭示火山的历史和活动过程。就好像你翻阅照片集一样,通过一张张照片,你可以看到火山的成长和变化。

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(a) 简化的区域构造地图和南设得兰群岛的位置(根据Martí等人修改)。AP:南极半岛,BP:布兰斯菲尔德平台,BS:布兰斯菲尔德海峡,HFZ(Hero断层带),SFZ(Shackleton断层带),SST:南设得兰海沟。(b) Deception岛正射影像地图(数据来源于Deception岛空间数据基础设施SIMAC,Torrecillas等人),以及研究样本的位置。现存和废弃的科研站点分别为:BAD阿根廷科学基地,BEGC西班牙加布里埃尔·德·卡斯蒂利亚科学基地,BS英国科学基地的遗迹,CS智利科学基地的遗迹。(c) 最近一次火山口后喷发后的废弃科研基地示例。此图是使用QGIS软件版本2.18 Las Palmas生成

  • 氦、氖和氩,一场“气体派对”

  首先,让我们关注氦。氦是稀有气体中的“宠儿”,它通常以气球的形式出现在我们的生活中。然而,在火山喷发中,氦可不是一个简单的气球气体。研究人员发现,在Deception岛火山的喷发中,氦同位素的比值可以告诉我们很多事情。比如,上升的岩浆释放出氦气体,而这些氦气体中的同位素比值显示出与洋中脊玄武岩相似的特征。简单地说,氦气体像是一张时间胶囊,记录着岩浆的来源和演化。

 然后,是氖。氖在火山喷发中的角色也是不可忽视的。科学家们发现,氖同位素的比值变化可以揭示火山喷发前的气体释放情况。在主要喷发前,氖同位素比值的变化,以及氦同位素比值的分馏现象,都表明火山岩浆在喷发前就开始进行强烈的气体释放。

  最后,是氩。氩同位素的变化同样可以告诉我们很多关于火山活动的信息。研究人员发现,在主要喷发开始之前,氩同位素的比值也发生了变化。这种变化表明火山岩浆在喷发前经历了大量的气体释放过程,这就好像火山在“蓄势待发”一样。

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(a) Deception岛样本的3He/4He与4He/20Ne图,显示大气、MORB和SCLM成分之间低和高4He/20Ne值之间的混合曲线;(b) 4He/20Ne值最低的样本也具有最低的40Ar/36Ar值,表明受到空气污染的影响(详见正文和表1以获取更多细节);(c) 4He/40Ar*与3He/4He之间的关系图,突显地幔源区和两个主要分馏区域,即岩浆脱气和水中的气泡形成(虚线箭头)。硫磺气孔和温泉样本从地幔源区值(2-5)变为(i)由于岩浆脱气(就像橄榄石一样)而增加的更高值,以及(ii)在岩浆脱气过程中或在溶于水后气泡形成过程中分馏而降低的更低值。值得注意的是,橄榄石晶体中的稀有气体同位素比例与硫磺气孔和温泉水中的比例一起绘制,后者已经代表了分馏的稀有气体元素比率。


  • 揭开火山的“气体密码”

  通过对这些稀有气体同位素的研究,我们不仅可以了解火山喷发的历史,还能更好地预测火山的喷发。这就像是在火山前面放置了一面“预警牌”,提醒着我们火山可能的活动。这对于科学家们和当地居民都是一项重要的发现,可以帮助他们更好地准备和应对火山喷发可能带来的影响。

  然而,要进行这种稀有气体同位素的研究并不容易。Deception岛的恶劣气候条件和偏远的地理位置,让科学家们难以进行低频和高频的火山气体监测。但正是因为这种挑战,科学家们更加努力地寻找突破,希望能够找到更好的方法,揭示更多火山的秘密。

  总之,稀有气体同位素的研究为我们打开了了解火山内部世界的大门。通过分析氦、氖和氩等稀有气体同位素的变化,我们可以了解火山的历史、活动过程以及喷发的可能性。这项研究不仅让火山的秘密变得更加清晰,还为我们提供了更好地预测和应对火山喷发的方法。所以,让我们一起感受稀有气体同位素的魅力,解锁火山的秘密吧!

更多信息请阅读原文:

álvarez-Valero, A. M., Sumino, H., Caracausi, A., Polo Sánchez, A., Burgess, R., Geyer, A., Borrajo, J., Lozano Rodríguez, J. A., Albert, H., Aulinas, M., & Núñez-Guerrero, E. (2022). Noble gas isotopes reveal degassing-derived eruptions at Deception Island (Antarctica): implications for the current high levels of volcanic activity. Scientific Reports, 12, 19557. https://doi.org/10.1038/s41598-022-42039-1





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