冷却速率对冰岛Sundhnúksgígar玄武岩熔岩流变学及侵位动力学的调控机制

为解决玄武岩熔岩流变学演化与冷却速率的关联问题，研究人员通过耦合冷却变形实验(CDE)和等温变形实验(IDE)，系统分析了2024年冰岛Sundhnúksgígar火山喷发的拉斑玄武岩。研究发现该熔岩具有极低的结晶诱导粘度增长率(ξ)和高速冷却下的结晶能力，揭示了熔岩外壳热绝缘效应对侵位动态的关键调控，为火山灾害评估提供了新见解。

　　

冰岛雷克雅内斯半岛的Sundhnúksgígar火山在2023-2024年发生了一系列裂隙式喷发，喷出的拉斑玄武岩熔岩展现出异常的流动能力，对周边城镇构成严重威胁。这类熔岩的流变行为与其冷却结晶过程密切相关，但传统研究多聚焦平衡态条件，对非平衡结晶如何影响熔岩流变学演化仍缺乏系统认知。更关键的是，不同玄武岩熔岩在相同冷却条件下可能表现出截然不同的结晶动力学特征，这种差异直接决定了熔岩流的侵位距离和灾害范围。

为揭示这一科学问题，来自意大利国家地球物理与火山学研究所(INGV)和罗马第三大学的研究团队选取2024年1月喷发的熔岩样品，创新性地将高温流变学实验与结晶动力学研究相结合。通过设计冷却速率梯度实验(0.1-10°C/min)和等温结晶实验(1242-1180°C)，结合差示扫描量热法(DSC)和拉曼光谱分析，首次建立了该熔岩在非平衡条件下的完整流变学演化图谱。

关键技术方法包括：1) 使用同心圆筒流变仪(CC)在1400-1000°C范围测定熔体粘度；2) 采用差示扫描量热法(DSC)匹配冷却/加热速率(10-20°C/min)获取玻璃转变区粘度；3) 冷却变形实验(CDE)在固定剪切速率(γ?=10 s^-1)下测试不同冷却速率(0.1-10°C/min)的流变响应；4) 等温变形实验(IDE)在三个亚液相线温度(1242/1214/1180°C)测定近平衡态粘度；5) 电子探针(EMPA)和背散射电子成像(BSE)分析实验产物的成分与结构。

3.1 晶体自由熔体粘度
通过CC和DSC联用测得熔体在1399-643°C区间的粘度数据，拟合获得VFT方程参数(A=-5.935, B=7264, C=509.3)。与主流粘度模型(GRD/HZ/LDS)对比发现，现有模型普遍高估玻璃转变温度(误差达27°C)，凸显建立无纳米晶体干扰的基础粘度数据库的重要性。

3.2 CDE实验结果
冷却速率(q)显著影响结晶起始温度(T_onset)，从0.1°C/min时的1245°C降至10°C/min时的1141°C。实验观察到两类流变响应：低速冷却(0.1-1°C/min)产生"粘性破裂"现象，反映连续晶体网络形成；高速冷却(3-10°C/min)因结晶时间不足(450-1640s)未出现破裂，表明晶体互连受阻。

3.3 IDE实验结果
等温实验揭示结晶序列：1242°C时仅出现枝晶状Fe-Ti氧化物(3.2vol%)；1214°C时增加板状斜长石(7.8vol%)；1180°C出现单斜辉石(6.1vol%)。粘度增长分析表明，晶体物理相互作用对悬浮体粘度的贡献随温度降低从24%(1180°C)提升至60%(1214°C)。

4.1 晶体自由粘度
拉曼光谱证实实验玻璃未发生纳米结晶，获得可靠的基准粘度数据。与Kilauea等玄武岩对比显示，虽然高温区(1250-1100°C)粘度相近(Log η=1.23-2.67 Pa·s)，但Grindavík熔体的玻璃转变特征独特，需建立专属流变学模型。

4.2 含晶体熔体粘度
构建的η-T相图显示，该熔体在10°C/min高速冷却下仍能结晶，且结晶诱导粘度增长率(ξ=0.001-0.16 Log η_x/min)显著低于Etna等玄武岩。这种"低ξ高结晶"特性使其能快速形成热绝缘外壳，同时保持内部熔体低粘度，解释了熔岩流的超常流动能力。

4.3 熔岩侵位动力学意义
研究首次量化了冷却速率对玄武岩熔岩流变演化的双重调控：快速冷却促进外壳结晶形成热屏障，而缓慢的内部冷却维持低粘度流动。这种自组织机制使Grindavík熔岩兼具快速固结外壳和持久流动能力，为理解冰岛型玄武岩熔岩的灾害特征提供了物理基础。该成果发表于《Journal of Volcanology and Geothermal Research》，建立的实验方法为火山熔岩流变学研究树立了新范式。