中国科大在精细刻画火山岩浆热液系统方面取得突破

来源：科研部发布时间：2025-04-30 浏览次数：10

中国科学技术大学地球和空间科学学院张海江教授团队联合英国牛津大学和美国康奈尔大学，通过地球物理高分辨率成像、岩石学分析和岩石物理模拟，确定了南美玻利维亚Uturuncu火山下方的岩浆热液系统和流体迁移路径，揭示了其在沉寂超过25万年后于近几十年出现活动性的原因。相关研究成果以“Anatomy of the magmatic-hydrothermal system beneath Uturuncu volcano,Bolivia, by joint seismological and petrophysical analysis”为题，通过直投方式于4月28日发表在《美国国家科学院院刊》。

由于纳兹卡板块向南美大陆的俯冲作用，在南美俯冲带形成了一系列的弧火山（图1）。Uturuncu火山是位于玻利维亚的一个弧后火山，形成于更新世，其下方存在一个全球最大规模之一的岩浆房（APMB）。该火山上次喷发距今已超过25万年，近几十年以来，地表形变和地震活动等多种证据表明Uturuncu火山具有一定的活动性，因此被称为“僵尸”火山。但是目前还不清楚该火山是否能够从“僵尸火山”复活成为一个超级火山。

图1(A)南美俯冲带北部的全新世火山分布（三角形）；(B)Uturuncu火山口实拍照片。

火山活动是其下方从下地壳延伸至地壳浅部的跨地壳岩浆系统的表征。在下地壳中长期稳定存在的岩浆房通过供给富含挥发分的熔体，在中地壳聚集形成次级岩浆房，并进一步向上地壳供给岩浆。当岩浆到达地壳浅部，其喷发危险性会显著增加，尤其是在岩浆富含挥发分时。但是现有研究缺乏对Uturuncu火山地壳浅部岩浆-热液系统的精细刻画和对于岩浆部分熔融程度、流体迁移路径和挥发分含量等的定量分析，因此对于该“僵尸火山”出现活动性的原因及未来喷发危险性尚未形成共识。

研究团队利用长达3年的地震观测数据，基于中国科大团队开发的先进地震成像算法，获得了火山区域的高分辨率三维地震波速度结构和各向异性结构（图2）。结合已有的电阻率和地震衰减结构（图2），通过岩石学分析和岩石物理模拟，定量化解析了Uturuncu火山下方的岩浆–热液系统结构。岩石学分析结果表明，Uturuncu火山下方的岩石骨架主要有三层（A-C），从浅至深分别为：古生代沉积层、富含石英片岩层和变泥质片麻岩层。岩石物理计算表明具有高Vp/Vs、低电阻率和低Qp/Qs的柱状异常体（区域E），存在部分熔融和卤水或者气体的混合相，其中气体的饱和度不超过30%。该柱状体认为是流体或部分熔融从APMB（区域D，低Vp、低Vs、高Vp/Vs、低电阻率）向地壳浅部迁移的通道。流体在区域E顶部发生分离形成卤水和气体，最终气体在裂隙发育程度较低（弱各向异性）的区域F储集（约2.5%～8.2%的孔隙率），而卤水则迁移至裂隙充分发育（强各向异性）的区域G（约2.7%～4.2%的孔隙率）。

图2(A)沿着东西向垂直剖面P1的Vp、Vs、Vp/Vs、方位各向异性、电阻率和Qp/Qs结构。黑色圆点为重定位之后的地震分布，剖面位置如图B所示。(B)地震（橙色圆点）和台站（三角形）分布，红色三角形为Uturuncu火山口位置。

基于上述地球物理综合成像结果和定量分析，研究团队推测Uturuncu火山的活动性主要来自卤水和气体由APMB（区域D）经由通道（区域E）向浅部（区域F和G）运移引起的，最终气体在火山口正下方聚集。该流体/气体向上的迁移引起了地表每年大约1厘米的抬升。考虑到火山口下方较低的气体饱和度和减缓的地表变形速率，推测Uturuncu火山当前的喷发危险性较低。该项研究采取的技术路线也可以用于刻画全球其它火山的岩浆热液系统，对于火山喷发危险性的评估具有重要价值。

论文第一单位为中国科学技术大学，第一作者为中国科大地球和空间科学学院刘影特任副研究员，通讯作者为张海江教授和英国牛津大学Michael Kendall教授，合作者包括英国牛津大学Jonathan Blundy教授和Thomas Hudson博士，康奈尔大学Matthew Pritchard教授和Patricia MacQueen博士。本研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2420996122