《Nature Communications》：Stress pinch points from glacial loading modulate magma ascent and storage in continental arcs
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本研究旨在阐明冰川期火山活动受抑制的物理机制。通过将真实冰盖与地形负荷与岩墙模型结合，研究人员揭示了冰川加载如何通过改变地壳应力场，形成“夹点”，致使岩浆上升停滞于更深部，从而切断对浅部岩浆库的补给。该机制解释了未次盛冰期岩浆存储深度增加2-3公里及喷发率降低的现象，无需归因于地幔熔融供给或岩浆库强度的变化，为理解全球弧火山活动的冰期-间冰期旋回提供了新视角。
火山喷发是地球内部能量释放的壮观表现，但它的活动节奏并非一成不变。越来越多的证据表明，地球表面覆盖的巨大冰盖，就像一双无形的大手，能够深刻地影响地下深处岩浆的“作息”。在漫长的地质历史中，冰川的进退与火山的活跃与否似乎存在着某种神秘的同步。例如，在距今约两万年前的末次盛冰期，全球许多火山都进入了“休眠”或活动减弱的阶段。然而，这背后的物理机制究竟是什么？是冰盖压得地球“喘不过气”，减少了岩浆的生成，还是另有玄机？这个问题一直困扰着地质学家们。具体到智利的莫乔-乔舒恩科火山，观测数据显示，在冰期时，岩浆的存储深度比无冰期时深了大约2到3公里，同时喷发活动也显著减少。传统的解释往往需要诉诸于地幔熔融速率的变化或浅部岩浆库自身强度的改变，但这些假设缺乏直接的力学联系。为了揭开冰川调控火山活动的面纱，一项新的研究应运而生，旨在从固体力学的角度，精确量化冰盖负荷如何改变地壳的应力状态，进而影响岩浆从深部向浅部的运移过程。
为了回答上述问题，研究人员整合了多种关键技术与模型。他们首先利用古气候与冰川模型，重建了莫乔-乔舒恩科火山区域在末次盛冰期的真实冰盖厚度与空间分布。其次，结合高精度数字高程模型来刻画复杂的地形负荷。最关键的是，他们将这些负荷输入到一个基于弹性力学和断裂力学的岩墙模型中，该模型能够模拟岩浆在裂隙（岩墙）中的上升过程，并计算地壳中不同深度的应力状态。通过对比有冰盖和无冰盖两种情景下的模型计算结果，研究人员得以定量评估冰川加载对岩浆上升路径的直接影响。
冰川加载产生地壳应力“夹点”
研究结果表明，冰盖的巨大重量施加于地表，会改变下方地壳的应力分布。这种改变并非均匀的，而是在特定深度会形成一个应力“夹点”。在这个夹点区域，水平挤压应力显著增强，使得从下地壳岩浆房向上运移的岩墙（一种板状岩浆侵入体）难以继续向上张开和延伸。
“夹点”导致岩浆上升停滞与补给中断
模型模拟清晰显示，正是由于这个应力夹点的存在，上升中的岩墙会在比无冰条件下更深的深度（大约深2-3公里）就停止前进，从而“搁浅”在地下。这意味着，原本应该输送到浅部（数公里深度）岩浆库的熔体被中途拦截，导致对浅部岩浆库的补给被有效“切断”。
机制解释观测现象
这一力学机制完美地解释了在莫乔-乔舒恩科火山观察到的现象：在末次盛冰期，岩浆主要存储在更深的深度，同时由于浅部岩浆库得不到来自深部的新鲜熔体补充，火山喷发的频率和速率自然就下降了。这一解释的优雅之处在于，它不需要假设地幔的熔融速率发生了变化，也不需要浅部岩浆房的岩石强度发生改变，仅通过冰盖加载引起的应力变化这一单一物理过程即可实现。
补给中断促进岩浆分异
研究进一步指出，对浅部岩浆库补给的切断还具有重要的地球化学意义。当来自深部的、富含铁镁质（基性）成分的高温岩浆无法注入浅部的酸性岩浆房时，浅部岩浆房就处于一个相对封闭、冷却缓慢的环境中。这极其有利于岩浆通过结晶分异等过程，演化出二氧化硅含量更高、挥发性组分更富集的粘稠硅质岩浆。
为消冰期爆炸性喷发奠定基础
一旦冰期结束，冰川消融，地表负荷移除，地壳中的应力夹点随之消失或减弱。此时，被阻挡已久的深部岩浆得以重新启动，快速上升并补给到浅部已经历充分分异、充满挥发分的硅质岩浆库中。这种突如其来的补给极易引发压力失衡，从而触发大规模的爆炸性喷发。这为观察到的在冰川消退期火山往往产生更强烈、更爆炸性的喷发现象提供了一个合理的机制链条。
综上所述，该研究通过精细的数值模拟，确立了冰川加载通过调制地壳应力场来调控岩浆上升路径与存储深度的直接物理机制。研究结论强调，冰川载荷产生的应力“夹点”是导致冰期岩浆存储加深、喷发减少的核心原因；这一过程同时促进了浅部岩浆的分异，为间冰期或消冰期更强烈的爆炸性火山活动埋下了伏笔。这一模型以简洁的力学原理，统一解释了火山活动在冰期-间冰期旋回中在喷发速率、岩浆存储深度和喷发产物化学成分上的协同变化，不仅深化了对智利莫乔-乔舒恩科火山个体行为的理解，更提供了一个普适性的理论框架，可用于评估全球其他大陆弧火山对过去及未来冰川变化的响应。该研究成果已发表在《自然·通讯》上。
