《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：The influence of hydrothermal alteration on permeability: A field study
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火山岩水热蚀变对渗透率的影响研究。通过对瓜德鲁普岛拉苏弗里尔火山573块蚀变岩石的现场渗透率测量及实验室校准，发现高蚀变区域平均渗透率较高，但实际蚀变（如溶蚀和沉淀）导致渗透率下降，尤其是低渗透岩石中沉淀物堵塞通道。研究强调大样本数据的重要性，小样本可能得出错误结论。该成果可提升火山监测预警能力。
阿加塔·波甘（Agata Poganj）| 迈克尔·J·希普（Michael J. Heap）| 帕特里克·鲍德（Patrick Baud）
斯特拉斯堡大学（Université de Strasbourg），法国国家科学研究中心（CNRS），斯特拉斯堡地球与环境研究所（Institut Terre et Environnement de Strasbourg），UMR 7063项目，雷内·笛卡尔街5号（5 rue René Descartes），斯特拉斯堡F-67084，法国
摘要
热液蚀变可以改变火山岩的渗透性，从而影响流体的运动和火山灾害的潜在风险。渗透性的增加可能促进气体释放，增强喷发能力；而渗透性的降低则可能导致压力积聚，增加火山爆发的可能性。我们使用经过校准的现场渗透仪测量了来自瓜德罗普岛苏弗里埃尔火山（La Soufrière de Guadeloupe，加勒比海东部）的573块不同程度蚀变岩石的渗透性。数据显示，这些岩石的蚀变程度和渗透性范围差异很大（从轻微蚀变到严重蚀变不等，渗透性范围为10–18至10–11 m2）。蚀变程度更严重的岩石平均渗透性更高，渗透性范围也更广。此外，我们还发现蚀变和渗透性在空间上存在异质性。微观结构分析表明，斜长石斑晶发生了溶解现象，并有填充空隙的沉淀物形成。对于高渗透性的岩石，这种蚀变并未影响其流动路径；这些岩石仅发生了轻微蚀变，渗透性没有显著变化。而对于低渗透性的岩石，斜长石斑晶的溶解虽然不会增加流动路径的复杂性，但沉淀物阻塞了重要的流动通道，导致渗透性降低。因此，尽管蚀变程度更严重的岩石平均渗透性更高，但我们得出结论：蚀变总体上降低了岩石的渗透性。因此，穹丘上的高度蚀变区域实际上是渗透性降低的区域。最后，将我们的大型数据集缩小规模以验证小型数据集是否能再现观察到的趋势，这凸显了使用小型数据集来理解蚀变对渗透性影响时的局限性。我们的研究结果有助于改进火山监测和灾害缓解措施。
引言
热液蚀变会显著改变火山岩的渗透性（Heap等人，2019年；Heap等人，2021a年），可能影响火山的喷发类型（无论是喷溢式还是爆炸式）。当热液与基岩相互作用时，会导致溶解作用（Watters和Delahaut，1995年；Opfergelt等人，2006年；del Potro和Hürlimann，2009年；Ameli等人，2014年；Farquharson等人，2019年），从而增加岩石的渗透性。高渗透性的岩石使气体更容易逸出，促进喷溢式喷发（Stix等人，1997年；Gaunt等人，2014年）。相反，流体与岩石的相互作用可能导致沉淀物的形成，降低渗透性（Sruoga等人，2004年；Mielke等人，2014年；Mordensky等人，2018年；Staněk和Géraud，2019年；Heap等人，2019年；Kennedy等人，2020年；Yilmaz等人，2021年；Mick等人，2021年；Giansante等人，2025年）。低渗透性的岩石会限制气体释放，导致压力积聚并引发爆炸性喷发（Boudon等人，2015年；Heap等人，2019年；Kennedy等人，2020年；Mick等人，2021年；Kanakiya等人，2021年；Pearson-Grant等人，2025年）。此外，过高的压力还可能引发其他火山灾害，如部分火山体崩塌、岩石崩落或地震（Feuillard等人，1983年；Siebert等人，1987年；Day，1996年；Voight和Elsworth，1997年；Belousov等人，1999年；Reid，2004年；Roverato等人，2021年；Heap等人，2021b年；Caudron等人，2022年）。多项案例研究（日本班代岛（1888年）（Yamamoto等人，1999年）；尼加拉瓜卡西塔火山（1998年）（Kerle和van Wyk de Vries，2001年；Opfergelt等人，2006年）；蒙特塞拉特苏弗里埃尔山（1995–1999年）（Sparks和Young，2002年；Voight等人，2002年；Harnett等人，2019年）；哥斯达黎加图里亚尔巴火山（2014年和2019年）（Mick等人，2021年）以及新西兰瓦卡阿里火山（2019年）（Kennedy等人，2020年））表明，富含粘土的低渗透性热液蚀变岩石与爆炸性或崩塌性火山灾害有关，这强调了理解热液蚀变对火山岩渗透性影响的重要性。
火山的渗透性在多个尺度上存在异质性。例如，火山的不同区域由于含有不同孔隙度、孔隙结构、微裂纹密度等特性，其渗透性也会有所不同。在更大范围内，某些区域可能存在阻碍或促进流体流动的不连续性。一些大规模火山模型已经考虑了渗透性的异质性（Todesco等人，2010年；Ball等人，2013年；Ball等人，2018年；Heap等人，2019年；Matsushima和Manen，2025年），证明渗透性异质性会影响模型的压力积聚、气体释放和崩塌潜力。然而，许多模型仍然依赖于有限的实验室测得的渗透性数据，这些数据并不能完全反映实际火山中的自然变异情况。基于现场的大规模渗透性数据集仍然很少（Farquharson等人，2015年），目前尚无针对热液蚀变环境的综合性数据集。本研究的目的是利用大型数据集来评估热液蚀变对渗透性的影响。为此，我们使用便携式现场渗透仪（Tiny Perm 3）测量了来自瓜德罗普岛苏弗里埃尔火山的近600块岩石的渗透性，并为每块岩石分配了一个蚀变等级指数（AGI）。现场测得的渗透性数据经过实验室渗透性数据的校准，适用于蚀变火山岩。尽管我们的数据显示蚀变程度更严重的岩石平均渗透性更高，但研究结果表明热液蚀变实际上降低了岩石的渗透性。此外，我们发现收集的小型数据集可能导致误导性结论，因为热液蚀变对渗透性的影响非常复杂。本研究提供了具有空间和统计意义的渗透性数据集，有助于未来的火山灾害评估和风险缓解工作。
地质背景
瓜德罗普岛苏弗里埃尔火山（La Soufrière de Guadeloupe，坐标16.0446°N，61.6642°W，海拔1467米）是加勒比海东部一座活性的玄武安山岩层状火山，由安山岩熔岩及其相关的火山碎屑沉积物组成（Peruzzetto等人，2019年）。位于加勒比板块东缘，北美洲板块以每年20毫米的速度俯冲到加勒比板块下方（DeMets等人，2000年）。该地区的俯冲带也被称为小安的列斯俯冲带（Eastern Caribbean subduction zone）。
岩石样本采集
2024年5月，我们在苏弗里埃尔火山进行了野外考察，采集了大量具有不同程度热液蚀变的岩石样本（见图1）。所有采集的样本都属于“La Soufrière Phase”阶段，该阶段属于该地区最年轻的火山复合体“Grande Découverte-Soufrière”（GDS）。总共从火山顶部和侧翼采集了573块岩石样本。我们选择了易于接触且具有不同蚀变程度的区域进行采样。
宏观与微观观察
采集的岩石样本被分配了蚀变等级，从AGI 1（最轻微蚀变）到AGI 5（最严重蚀变）（见表1）。图1展示了各等级代表性岩石的照片。所有岩石样本的照片见补充图1–40。AGI 1等级的岩石呈灰色或浅灰色，具有玻璃质白色的斜长石斑晶（见补充图9.89、11.119和19.126）。部分AGI 1等级的岩石表面存在宏观孔隙。
讨论
本研究提供了大量数据，旨在揭示热液蚀变对火山岩渗透性的影响。在讨论中，我们首先分析了图6中的主要观察结果：（1）为什么随着蚀变程度的增加，平均渗透性也随之增加；（2）为什么渗透性范围也会随之扩大；（3）为什么蚀变程度最严重的样本（AGI 5）中包含了渗透性最高和最低的岩石。接下来，我们探讨了这些现象的重要性。
结论
我们通过综合的野外和实验室研究，探讨了热液蚀变对火山岩渗透性的影响。在野外，我们评估了苏弗里埃尔火山穹丘处约600块岩石的蚀变程度，并使用便携式渗透仪测量了它们的渗透性。在实验室中，我们进一步测量了从野外采集的岩石样本的渗透性，以建立便携式仪器测量结果与实验室测量结果之间的关联。
作者贡献声明
阿加塔·波甘（Agata Poganj）： 负责撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、数据可视化、方法设计、数据分析及概念框架构建。迈克尔·J·希普（Michael J. Heap）： 负责撰写、审稿与编辑、项目监督及资金申请、概念框架构建。帕特里克·鲍德（Patrick Baud）： 负责撰写、审稿与编辑、项目监督及概念框架构建。
未引用的参考文献
Boudon等人，1998年
Brothelande等人，2014年
Friant等人，2006年
Heap和Violay，2021年
Heap等人，2020年
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了法国国家科学研究中心（ANR）的资助（项目编号：MYGALE，主题为“建模爆炸性火山侧翼崩塌预警系统的热液蚀变物理和化学梯度”；项目编号：ANR-21-CE49-0010）。迈克尔·J·希普还获得了欧洲研究委员会（ERC）的资助（项目编号：ERC-ROTTnROCK-101118491）。迈克尔·J·希普还得到了法国大学研究所（IUF）的支持。
我们感谢编辑Lucia Capra以及两位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见帮助我们改进了研究内容。
