箱根火山热液系统的三维数值模拟：地形控制下的热泉分布与喷发触发机制

本研究通过三维数值模拟揭示了箱根火山热液系统的形成机制，阐明了地形对高氯热泉空间分布的控制作用。研究人员基于多孔介质达西流(Darcy flow)模型，发现超临界水(690°C)上升至海平面附近发生气液分离，富NaCl液相受地形驱动侧向流动形成山麓热泉，气相持续上升导致中央锥体下方形成蒸汽主导(vapor-dominated)系统。该模型成功解释了2015年喷发前观测到的地壳形变源区与超临界水上涌位置的对应关系，为火山扰动预警提供了新依据。

　　

箱根火山作为日本著名的活火山，其持续活动的喷气孔和热泉现象一直吸引着地球科学家的目光。过去3500年来，该火山虽未发生大规模岩浆喷发，但频繁的小型潜水蒸汽喷发（如2015年事件）表明其地下热液系统异常活跃。更引人注目的是，高氯热泉集中分布在中央锥体东北麓的特殊格局，与山顶喷气活动形成鲜明对比。这种独特现象背后隐藏着怎样的流体运移机制？是否与火山喷发存在关联？这些谜题对理解火山灾害预警机制至关重要。

日本的研究人员通过三维数值模拟破解了这一谜题。研究发现，当含有NaCl的超临界水从中央锥体下方深处上涌时，会在近海平面处发生气液分离(vapor-liquid separation)。受复杂地形驱动，富NaCl的液相侧向流动至东北麓形成热泉群，而气相则继续上升形成蒸汽主导(vapor-dominated)系统，导致山顶喷气活动。这项发表于《Journal of Volcanology and Geothermal Research》的研究首次通过三维模型量化了地形对热液分布的调控作用，并发现2015年喷发前的地壳形变源区恰好对应模型预测的超临界水上涌位置，暗示热液系统扰动可能是喷发触发因素。

关键技术包括：1）基于真实地形的三维多孔介质建模；2）采用BRNGAS模块处理非饱和带气水两相流；3）设定双超临界水源（总流量85 kg/s，690°C）的稳态模拟；4）通过H₂
O-NaCl相态分析验证流体行为。研究区域覆盖箱根火山全境，重点针对Hakonemachi-Miyagino断裂带两侧的地质结构差异进行参数化。

【概念模型】揭示箱根火山存在两套中央锥体（13-8万年的老锥体与<3.7万年的新锥体），电磁勘探显示中央锥体下方存在高导电体，为超临界水上涌通道提供了地质依据。

【数值模拟】纯水体系的模拟显示：无超临界水源时，700米以上区域形成非饱和带（含20%空气）；引入双源模型后，成功复现热泉分布格局，证明东北麓倾斜地形是导致液相侧向运移的关键。

【稳态模拟】发现85 kg/s的总质量流量是最佳参数，此时蒸汽相在中央锥体下方形成>200°C的高温区，与Owakudani和Sounzan的喷气活动观测吻合。酸硫酸盐热泉因涉及浅表过程未被模型涵盖。

【形成条件】敏感性分析表明：超临界水源温度需>600°C，位置必须位于中央锥体正下方；地形起伏通过改变压力梯度直接影响液相运移路径，这是解释热泉空间异质性的核心机制。

【结论与意义】该研究建立了地形-热液耦合作用的定量模型，证实2015年喷发前的地壳形变可能源于超临界水流系统的扰动。这不仅为理解箱根火山的热液成泉机制提供了新范式，更重要的是揭示了监测深部热液运移对预测火山活动的潜在价值。作者Nobuo Matsushima和Kazutaka Mannen指出，未来需结合H₂
O-NaCl多组分模型进一步提高预测精度，这一思路对全球类似火山的热灾害评估具有借鉴意义。