一項由英國曼徹斯特大學（The University of Manchester）領導的國際研究團隊，針對西班牙拉帕爾馬島（La Palma）2021年塔霍加伊特（Tajogaite）火山噴發的火山物質進行調查。研究發現，被稱為「超級加熱」的過程能夠顯著減緩岩漿在向地表移動過程中內部結晶的形成。
當岩漿達到的溫度高於其結晶通常保持穩定的溫度時，就會發生超級加熱現象。研究人員發現，這種額外的熱量可以使岩漿保持相對流動狀態的時間比預期長得多，從而可能使其迅速上升並產生壯觀的熔岩噴泉。這項發表在《自然-通訊》（Nature Communications）期刊上的發現，為火山學中一個長期存在的問題提供了新的見解：岩漿的溫度歷史如何影響火山噴發的方式？
極端熱量如何改變火山深處的岩漿
岩漿是地表下方熔融岩石、氣體有時還包含固體結晶的混合物。一旦它從火山中湧出，就被稱為熔岩。儘管溫度和化學成分對於決定岩漿的行為很重要，但這項新研究表明，岩漿在噴發前所經歷的加熱過程也會產生重大影響。
在正常情況下，當岩漿冷卻時，結晶開始形成。這個過程通常從微小的現有結晶開始，這些結晶充當「種子」，為額外結晶的生長提供表面。超級加熱可以透過兩種重要方式破壞這個過程。首先，足夠高的溫度可以溶解微小的結晶種子，否則這些種子會促使新結晶的發展。其次，熱量會改變熔融物質的內部結構，使其更加均勻，不利於新結晶的形成。
從產業面與科學預測的角度來看，這項研究提醒我們，過去火山災害評估模型往往過度依賴化學成分與壓力變化的單一視角。如果往後推演，當科學家能將「熱歷史」與結晶動力學納入監測數據中，我們對於火山爆發型態的預測將能更精準地分辨出究竟是溫和流動還是劇烈噴發，這對高風險火山區的防災規劃具有關鍵的實務價值。
結晶形成延遲八小時的實驗發現
為了調查超級加熱岩漿內部發生的情況，研究人員使用從塔霍加伊特火山噴發中收集的材料，在實驗室中重現了火山條件。參與該次噴發的岩漿在到達地表之前以及穿過地殼上升的過程中，可能經歷過超級加熱。研究團隊在仔細控制溫度和壓力的條件下進行了實驗，這些條件旨在重現岩漿在地下遇到的環境。
在英國的大型科學研究設施鑽石光源（Diamond Light Source）中，研究人員使用同步加速器X射線顯微斷層掃描技術來即時觀看結晶的發展。這項先進的成像技術使用極其強大的X射線在三維空間中檢查材料的內部結構，而無需將其切開。由曼徹斯特大學研究員芭芭拉·博內奇博士（Dr. Barbara Bonechi）領導的團隊指出，這項技術讓科學家能夠在原位實際觀察這些過程。
實驗結果顯示出顯著的差異。未經歷超級加熱的岩漿在大約20分鐘後開始產生結晶。然而，當岩漿受到強烈的超級加熱時，結晶的開始被延遲了八個多小時。這種大量的延遲表明，強烈的加熱可以使岩漿在更長時間內沒有新形成的結晶，這對火山噴發可能產生重要的後果。
超級加熱岩漿為何能產生高聳熔岩噴泉
研究人員隨後探討了這些實驗室發現如何影響真實火山。他們將測得的結晶形成延遲納入電腦模型中，這些模型模擬了岩漿如何穿過地殼上升，並考慮了當熔融物質向地表移動時岩漿性質的變化。
模擬結果顯示了兩種截然不同的可能性。當超級加熱延遲結晶時，岩漿在上升時可以保持相對流動性。由於它遇到較少的流動阻力，它可能會更迅速地向上移動，從而可能創造有利於戲劇性熔岩噴泉的條件。這些壯觀的噴發發生在逸出的火山氣體將熔融岩石推高到噴口上方時，產生發光熔岩的噴射和噴泉。
相比之下，較早開始結晶的岩漿變得更具黏性，傾向於更緩慢地上升。這種較慢的運動使火山氣體有額外時間逸出，有利於更溫和的噴發，此時熔岩流出到地表而不是被拋向高空。這種行為被稱為溢流式噴發，是一種主要以流動熔岩為特徵的火山活動。
後續觀察
這項研究結果表明，即使火山系統具有相似的特徵，其早期加熱歷史的差異可能有助於解釋為什麼它們的噴發看起來和表現得如此不同。未來的研究將繼續觀察如何將這些熱歷史數據整合進現有的火山預警系統中，以評估其在實際災害防範中的應用潛力。
本文改寫整理自公開新聞來源，原始報導由Science Daily發布。
常見問題 FAQ
什麼是岩漿的「超級加熱」現象？
超級加熱是指岩漿達到的溫度高於其結晶通常保持穩定的溫度，這會溶解微小的結晶種子並改變內部結構，使岩漿保持更長時間的流動性。
為什麼超級加熱會延遲結晶的形成？
根據實驗室研究，強烈的加熱可以溶解原本會促使新結晶生長的微小結晶種子，並使熔融物質結構更均勻，將結晶開始的時間延遲超過八個小時。
這項研究對火山災害預測有何幫助？
這項研究表明，除了化學成分和氣體含量外，火山噴發前的熱歷史與結晶動力學也是影響岩漿上升和噴發行為的重要因素，有助於未來更準確地評估火山噴發型態。
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