南极欺骗岛热液蚀变火山碎屑岩的岩石物理特性研究：对火山建模与灾害评估的启示

本研究针对南极欺骗岛火山碎屑岩的岩石物理特性开展系统性实验分析，测量了包括孔隙度(0.30-0.62)、渗透率(10?15 -10?11 m2 )、P波速度(0.3-1 km/s)、热导率(0.3-0.65 W·m?1 ·K?1 )等关键参数，揭示了火山碎屑流(PDC)与空落堆积物在物性上的显著差异，并通过数值模拟验证了岩石参数选择对火山变形预测的重要性，为南极火山监测提供了首个定量化基础数据。

　　

南极欺骗岛作为南极洲最活跃的火山之一，其独特的火山结构和频繁的地热活动长期吸引着地质学家的关注。然而，这座火山系统的"内在性格"——构成其主体的火山碎屑岩的物理特性却始终是个谜团。由于缺乏基础岩石物理数据，科学家们难以准确预测火山流体的运移规律、评估火山结构的稳定性，甚至无法合理解释观测到的地表变形现象。这种数据缺失严重制约了对南极火山灾害的评估能力，也阻碍了地球物理探测数据的精确解读。

针对这一关键科学问题，由法国斯特拉斯堡大学、西班牙国家研究委员会等机构组成的国际研究团队，对欺骗岛不同地质时期的火山碎屑岩展开了系统性实验研究。研究人员采集了前破火山口期(Fumarole Bay组)、同破火山口期(Outer Coast Tuff组)和后破火山口期(Baily Head组)的代表性样品，通过X射线衍射(XRD)分析矿物组成，并采用氦气比重计、气体渗透仪、超声波测量仪等设备，全面测定了样品的密度、孔隙度、渗透率、P波速度、热学性质和力学参数。

在技术方法层面，研究团队主要运用了：氦气比重法测定连通孔隙度和总孔隙度；稳态气体渗透仪在1 MPa围压下测量渗透率；700 kHz超声波传感器测量P波速度；瞬态平面热源法测定热导率和热扩散率；单轴压缩实验获取杨氏模量和抗压强度。所有样品均取自欺骗岛不同地质单元的新鲜岩块，经钻取、干燥后制成标准圆柱试样进行测试。

研究结果揭示了欺骗岛火山碎屑岩的显著异质性。密度与孔隙特性分析显示，样品干密度介于982-1813 kg·m^?3
，连通孔隙度跨度达0.30-0.62。特别值得注意的是，空落堆积物表现出系统性更高的孔隙度(0.42-0.62)和更低的密度(982-1419 kg·m^?3
)，这与其沉积过程中较弱的焊接作用和更好的分选性直接相关。

物理参数与孔隙度的关系呈现出规律性变化。P波速度从低孔隙度样品的~3 km/s降至高孔隙度样品的~1 km/s；渗透率则随孔隙度增加呈非线性增长，在孔隙度0.3-0.4区间急剧上升2-3个数量级，之后趋于平缓。热学性质方面，热导率(0.3-0.65 W·m^?1
·K^?1
)和热扩散率(0.25-0.35 mm²
·s^?1
)均随孔隙度增加而降低，而比热容(0.8-1.3 J·kg^?1
·K^?1
)未呈现明显趋势。

力学性能测试结果更为引人注目。单轴抗压强度从致密样品(孔隙度~0.3)的25 MPa骤降至多孔样品(孔隙度~0.6)的1 MPa，杨氏模量也相应从9 GPa降至1 GPa。通过Sammis-Ashby孔隙-裂纹模型分析表明，这种力学性能的剧烈变化主要受控于代表性孔隙尺寸的差异，模型预测PDC沉积物的特征孔隙半径(70 μm)显著小于空落堆积物(7.2 mm)。

研究团队进一步建立了二维轴对称水力耦合模型，模拟不同岩石参数下流体注入引发的火山变形响应。模拟结果显示，当采用低渗透率(10^?15
m²
)的PDC参数时，地表最大位移达0.94 m，是高渗透率(10^?11
m²
)空落堆积物模型的2倍以上，且变形峰值出现明显滞后。这一发现直接证实了岩石参数选择对火山变形预测的决定性影响。

该研究首次系统建立了南极欺骗岛火山碎屑岩的岩石物理特性数据库，填补了南极火山基础研究的重大空白。其创新性主要体现在三个方面：一是揭示了火山碎屑岩物性随孔隙度的变化规律，为地球物理数据解释提供了定量标尺；二是发现了不同火山沉积相(PDC与空落堆积物)的物性差异机制，深化了对火山建造过程-结构-性能关系的认识；三是通过数值模拟验证了岩石参数对火山模型预测的敏感性，为未来火山监测提供了关键参数约束。这些成果不仅对理解南极火山系统具有重要科学价值，也为全球类似火山的地质灾害评估建立了可借鉴的研究范式。

值得注意的是，研究中发现的孔隙度对岩石物性的控制规律与冰岛Surtsey火山、加拿大Cracked Mountain的同类岩石表现出高度一致性，暗示这种关系可能具有普适性。然而，作者也指出地表样品的测试结果可能无法完全代表深部岩层的真实状态，未来需要通过钻探获取更完整的垂向物性剖面。此外，当前研究仅考虑了干燥状态下的岩石特性，实际地下环境中流体饱和、温度压力条件等因素的影响仍需进一步探究。