火山羽流中 H?O、CO? 和 SO? 的新时间观测揭示了深部和浅部管道系统在斯特龙博利火山阵发期间的作用

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：New temporal observations of H 2O, CO 2, and SO 2 in volcanic plumes reveal the role of deep and shallow plumbing systems during Stromboli paroxysms

　　

# 摘要

斯特龙博利火山（Stromboli）的阵发性爆发通常归因于富含深层CO?岩浆的上涌，该岩浆在约200 MPa压力下早期脱气所产生的过压足以触发爆炸性活动。然而，2024年7月阵发爆发期间的新地球化学观测对这一范式提出了挑战。本研究通过分析INGV监测网络测得的CO?、SO?和H?O摩尔比以及SO?和CO?通量（包括2024年阵发爆发期间获得的前所未有的数据集），探讨了羽流脱气动力学过程。我们首先证明，CO?和SO?在大气的差异处理可以显著歪曲气体比率的解释，因此需要严格的后处理才能还原原始岩浆信号。对完整地球化学记录的重新评估表明，尽管2007年的阵发爆发与深层CO?驱动的自下而上机制一致，但2019年和尤其是2024年的事件却表现出截然不同的前兆行为。2024年的爆发并未被升高的CO?通量所预示；相反，其特征是在爆发前几天CO?排放下降、CO?/SO?比值降低以及SO?通量增加。这些趋势与斯特龙博利式爆炸频率降低相结合，指向了浅部管道系统（约2 km深度）中的挥发物积累和过压。脱气过程以SO?和H?O为主，表明浅部储库动力学——而非深层CO?输入——可独立触发阵发性爆炸。我们提出，斯特龙博利火山至少运行于两种不同的脱气机制之下：一种是深层CO?驱动的类活塞式上涌，另一种是浅部的自上而下过压机制，该机制可将深层岩浆的动员作为次生效应。这些发现表明，深层CO?通量并非阵发性活动的唯一前兆，并强调了将浅部挥发物动力学纳入喷发预测框架的必要性。因此，认识多种触发机制对于改善预警策略和加强暴露于高能爆炸性喷发的社区中的民事保护措施至关重要。

# 引言

标志性的斯特龙博利火山自古以来就以持续活动而著称，斯特拉波以及其他著名作者（包括荷马和普拉尼乌斯）均有记载。其典型特征表现为山顶持续脱气以及间歇性的低能量爆炸性活动，通常被称为"斯特龙博利式"喷发。斯特龙博利火山是一座开放型通道火山，在过去20年中产生了多起伴有熔岩流和巨大能量爆炸性事件的活动，从所谓的"大爆炸"（能量显著大于斯特龙博利式爆炸）到更强但较少见的阵发爆发。其突发的阵发性喷发以及程度较轻的大爆炸，持续构成了火山监测和民事保护相关方之间的挑战（Calabrò等，2020；Calvari等，2021；Calvari和Nunnari，2023；Taddeucci等，2012）。最危险和剧烈的喷发通常归因于两种主要机制：（i）富含挥发物、晶体贫乏的岩浆在火山体内部的上涌和就位（Metrich等，2010；Pichavant等，2013），或（ii）源自约8–10 km深处的富CO?气体的突然释放（Allard，2010）。这些特征使得斯特龙博利火山成为全球研究和监测最为充分的火山之一（Andronico等，2021；Calvari等，2008；Calvari等，2022）。

在过去二十年中，从各个角度和多学科研究出发，在界定火山动力学解释模型方面取得了重要进展。特别是，地球物理学领域的重大调查进展使得识别快速火山过程并准备预警系统成为可能（Iguchi等，2020；Ripepe等，2021；Sugimura等，2021）。火山气体地球化学方面的广泛研究显著增进了对数周至数月时间尺度上岩浆上涌过程的理解，并明确了其对于预测喷发活动的重要性（Burton等，2007；Calvari等，2014；Capasso等，2005；Federico等，2023；Rizzo等，2015）。与此同时，通过羽流排放气体（特别是CO?和SO?）的分析，对中期变率（数周至数天）也进行了研究，重点考察其比值变化和质量通量的时间演化（Aiuppa和Federico，2004；Aiuppa等，2009；Aiuppa等，2010a；Aiuppa等，2010b）。羽流气体测量技术的最新进展增强了调查高爆炸性事件（阵发爆发和大爆炸）之前岩浆过程的能力，并促进了用于预警的地球化学方法的发展（Aiuppa等，2021；Aiuppa等，2025）。在斯特龙博利火山，羽流分析的既定地球化学框架依赖于CO?/SO?摩尔比和SO?通量的时间测量，从中推导出CO?通量（Allard，2010）。CO?/SO?比值和所计算CO?通量的时间变化特别具有信息价值，因为CO?和SO?的溶解度表现出不同的压力依赖性（Lesne等，2011；Moretti等，2003）。由于CO?在硅酸盐熔体中的溶解度较低，它在比SO?更深的深度脱气；因此，CO?排放的增加可能提供岩浆上涌和通道动力学变化的早期指示。正因如此，CO?成为火山监测中的一个关键地球化学参数。

2024年7月初开始的斯特龙博利火山喷发为了解该火山的喷发动力学提供了新的洞见。2024年的活动特征涵盖了广泛的现象，包括熔岩溢出、五次大爆炸和一次高强度阵发爆发。现有模型将爆炸性喷发归因于在过压泡沫层内积累的岩浆气体的快速释放和/或由气泡合并产生的气体（Allard，2010）。在这一框架下，2024年的喷发序列提供了考察不同喷发情景下监测参数的宝贵机会，这些情景表现出显著的变异性。

在本文中，我们呈现了2024年7月喷发前和喷发后阶段羽流气体变化的分析。我们的分析考虑了INGV地球化学网络两个自动MultiGAS站记录的CO?/SO?比值、FLAME-DOAS网络测得的SO?通量以及由此推导的CO?通量。MultiGAS站记录的CO?/SO?比值经过了初步的多步统计质量控制程序。该分析应用了多项统计标准以仅保留用于比值计算的可靠测量值。这一评估对于获得最精确的CO?/SO?比值计算至关重要，因为它与仪器的定位位置密切相关。因此，该算法代表了斯特龙博利网络的优化折中方案，不能盲目复制到其他地点。将近期数据与意大利国家地球物理与火山研究所网络（下称INGV网络）的历史记录进行比较，使我们能够评估H?O、CO?和SO?之间的相互作用在不同时间阶段从深部到地表岩浆脱气中的作用。这些结果使我们能够确定哪种挥发物物种（H?O、CO?或SO?）主导了供给最强烈阵发事件的脱气相。

对三种主要气体物种——CO?、SO?和H?O——之间关系的分析得出了现有模型无法完全解释的结果。我们的发现表明，这些气体物种之间的相互依存关系需要在火山活动可短暂发生（例如大爆炸、阵发爆发）和长期火山活动（例如持续数天的喷发期，以火山过程的持续性为特征）的背景下重新评估。

# 各章节节选

## 2024年斯特龙博利火山的火山活动

在整个2024年中，斯特龙博利火山经历了一系列爆炸性和溢出性事件，引起了科学界和民事保护当局的高度关注。活动加强的开始标志是2月24日的一次大爆炸，随后在6月下旬出现了一阶段间歇性的低强度溢出活动。这些事件通常持续两到五天，伴随着喷溅加剧和北锥边缘的轻微熔岩溢出。

## 导致测量偏差的因素

在本研究中，我们使用意大利国家地球物理与火山研究所（INGV）运营的两个监测网络的数据，研究了羽流气体浓度的变率及其相互关系：PLUME网络采用MultiGAS仪器测量CO?、SO?和H?O浓度；FLAME-DOAS网络监测SO?通量。具体方法和仪器的详细信息见补充材料。

## 关于MultiGAS时间序列的分析以及重点关注2024年7月11日的阵发爆发

在本研究中，我们报告了斯特龙博利火山羽流中三种主要气体物种（H?O、CO?和SO?）变率的测量，基于其相互比值，遵循上一节及补充材料中描述的程序和过滤方法。除直接仪器测量外，我们还考察了根据CO?/SO?比值和SO?通量数据重新计算的CO?通量，遵循先前研究确立的方法（Aiuppa等，2010a；Aiuppa等，……）。

## 羽流数据的讨论与解释

虽然深层起源CO?（在斯特龙博利管道系统中约200–150 MPa压力下生成）的增加很可能是2007年阵发爆炸的关键触发因素，但仅这一机制似乎不足以解释随后的2019年和2024年的阵发爆发。在2007年事件前的几天确实观测到了CO?通量的增加（Aiuppa等，2010b），表明深层脱气发挥了重要作用。该阵发爆发归因于侵入的……

## 结论

在本研究中，我们证明地球化学信号（特别是羽流中火山气体的相互摩尔比）可能发生潜在改变，从而影响准确评估。这主要是由于CO?和SO?在大气中的溶解度截然不同，以及原始火山羽流在与大气混合过程中发生转化。因此，必须考虑到羽流信号改变的潜在影响，这取决于……

## CRediT作者贡献声明

M. Liuzzo：撰写——初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念构思。G. Giuffrida：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，数据管理。G. Tamburello：撰写——审阅与编辑，软件，方法论，调查，形式化分析，数据管理。F. Grassa：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，数据管理。A. Battaglia：撰写——审阅与编辑。

## 未引用参考文献

Inguaggiato等，2020

## 利益冲突声明

作者声明不存在已知的 competing 经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究受益于"民事保护部与国家地球物理与火山研究所框架协议"（2022–2025）提供的资金支持。本文不一定代表民事保护部（DPC）的官方观点或政策。作者感谢C. Mandon和一位匿名审稿人对其论文的仔细评估和富有建设性的建议，这些建议大幅改进了稿件。

M. Liuzzo | G. Giuffrida | G. Tamburello | F. Grassa | A. Battaglia | G. Salerno | A. Mastrolia | M. Bitetto | G. Messina

意大利国家地球物理与火山研究所——巴勒莫分部