南极洲唯一的活火山展示了二氧化碳如何让火山在地表形成持久的熔岩湖

南极洲长期以来一直是一片充满神秘和英雄壮举的土地，因詹姆斯·罗斯、罗尔德·阿蒙森、罗伯特·斯科特和欧内斯特·沙克尔顿的探险而闻名。作为理解全球演化难题的关键部分，南极洲包含定义地球火山过程谱的示例。现在，犹他大学和新西兰坎特伯雷大学的一项联合研究表明，地下深处的 CO 2如何帮助岩浆避免被困在地球深处，并使其能够到达地表并在地表聚集。

该研究的第二作者、犹他大学能源与地球科学研究所的地球物理学家 Phil Wannamaker 说，这项发表在《自然通讯》上的研究“扩大了我们对不同类型岩浆和挥发性气体到地表的来源和运输的理解”。

“埃里布斯山是一个以 CO 2为主的裂谷火山的一个例子，它是对环太平洋地区和其他地区更广为人知的以 H 2 O 为主的弧形火山的补充，”该研究的负责人、新西兰共同研究员 Graham Hill 补充道作者。

“了解 H 2 O 和 CO 2火山对于计算地球深处此类挥发性气体的预算非常重要，这涉及将物质注入地幔并返回地表重新开始，”Wannamaker 说。

Wannamaker 和 Hill 与犹他大学校友 John Stodt 和 Michal Kordy 以及副科学家 Virginie Maris 进行了这项研究;地质调查局的地球物理学家 Paul Bedrosian、阿尔伯塔大学的 Martyn Unsworth、东京工业大学的 Yasuo Ogawa 和新墨西哥矿业与技术研究所的高级火山学家 Phil Kyle。合著者还包括夏威夷大学的 Erin Wallin 和登山者 Danny Uhlmann，他现在在洛桑大学学习地质学。

那些其他的火山

埃里布斯山是南极洲唯一的活火山。它及其休眠的伴生火山恐怖山以 1841 年发现它们和跨南极山脉的詹姆斯·罗斯爵士的探索船命名。埃里布斯山由欧内斯特·沙克尔顿爵士和派对于 1908 年首次登顶。

Erebus 是具有碱性化学成分的火山家族的例证，熔岩中的钠、钾和其他元素(包括稀土元素)相对丰富，而二氧化硅含量相对较低。

碱性火山与喀斯喀特山脉的火山非常不同，例如从加利福尼亚北部通过不列颠哥伦比亚省到阿拉斯加的喀斯喀特山脉。瀑布位于地球构造板块相互推挤的地方，海洋地壳被迫低于地壳。随着海洋地壳沉入地球并部分融化，岩石中的水成为熔体的一部分，并且是主要的“挥发性”分子，即容易溶解或从溶液中冒泡的分子，就像碳酸饮料中的嘶嘶声一样。

不断演化的岩浆上升进入并穿过地壳，但通常不会到达地表，因为随着来自上覆地壳的压力随着上升而减小，水会突然喷出，有时会像 1980 年的圣海伦斯山那样爆炸性地喷出，或者1912 年的拉森山。剩余的岩浆停滞并冻结在原地，通常在大约三英里(五公里)的深度。

但南极洲罗斯岛的埃里布斯火山位于裂谷带。当地壳和地幔被拉开时，就会发生裂谷。犹他州西部是裂谷带的一个例子。它位于活跃的大盆地地质省的东部边界，并正在缓慢地东西向伸展。Erebus 位于南极西部裂谷系统的边缘，起源于数千万年前，一直持续到今天。

裂谷带的岩浆也有来自海洋地壳和沉积物循环利用的挥发物，但这些挥发物年代久远，通过裂谷过程释放到地表。这些岩浆中的挥发物不是水，而是以 CO 2为主。

Erebus 也有一个持久的熔岩湖，这是一个进化的、富含 CO 2的裂谷火山的典型特征。但是熔岩湖，也以东非的尼拉贡戈火山和其他火山为例，在像喀斯喀特这样的弧形火山中没有发现，这表明裂谷火山一定有一些东西可以让岩浆相对平静地到达地表。

描绘地球内部的岩浆

从地表以下几公里深处收集岩石样本是不切实际的，因此研究人员依靠地球物理方法来推断更深处的结构和过程。这类似于人体的CT扫描。最广泛应用和熟悉的地球物理技术是地震，其中声波用于内部成像。这被广泛应用，例如，在石油和天然气的勘探中。然而，可以深入地球的自然地震源在埃里布斯火山周围很少，使用这种地震源的图像只能从较浅的深度获得。

Hill、Wannamaker 及其同事使用了一种称为大地电磁探测的方法。大地电磁探测使用太阳和闪电产生的自然电磁波。Wannamaker 说，大多数此类波通过空气传播，但“一部分穿透地球，从感兴趣的岩石结构上散射并返回地表，我们可以在那里使用复杂的“伏特计”对其进行测量”。

当电磁波穿过地球内部时，它们传播得更快或更慢取决于岩石和其他材料导电或电阻的程度。岩浆是导电的，因此可以通过这种技术检测到。

这不是 Wannamaker 小组第一次进入南极的地球物理研究。他们与校友和合著者约翰斯托特博士一起，开创了在极地冰盖上进行高保真大地电磁测量的技术。除了在南极洲中西部和南极进行研究外，Wannamaker 还领导了跨南极中部山脉的多季节运动，展示了这些山脉是如何被抬升的。他们的技术现在正被北极和南极极地地区的其他研究人员使用。

从 2014 年到 2017 年，Wannamaker 及其同事在覆盖 Erebus 罗斯岛的 129 个大地电磁场进行了测量。然后，来自所有站点的反向散射电磁辐射模式由计算机程序组装，以创建穿过岛屿和火山到约 60 英里(100 公里)深度的地壳和上地幔图像。

他们的大地电磁数据显示，一条陡峭的低电阻率管道起源于上地幔——岩浆源。但在到达较浅的岩浆储存和山顶熔岩湖之前，管道在地壳深处发生了明显的横向转向。Wannamaker 说： “我们将横向转向解释为结构性‘断层阀’，它控制着岩浆和 CO 2气体的间歇性流动，它们补充并加热了高水平的云母岩岩浆演化室。” Phonolite 是由 Erebus 的岩浆形成的岩石类型。

这个岩浆阀很可能是由南北断层和东西断层相交形成的，因为已知在 Erebus 周围地区存在相同东西方向的断层，并提供了岩浆到达地表的路径。

与喀斯喀特山脉和环太平洋地区富含H 2 O 的弧形火山不同，以 CO 2为主的 Erebus 显示出允许岩浆直接上升到火山熔岩湖的结构，因为岩浆不会像水一样在地壳中停滞- 占主导地位的岩浆。

“了解这种以 CO 2为主的火山的运输控制和路径，向我们揭示了地球中挥发性运输的规模和体积，”Wannamaker 说。“其他地方的这些火山是稀土等重要矿藏的重要宿主，对社会未来的资源需求越来越重要。”

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