《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Bottoms up: Coupling versus decoupling within K??lauea’s magma supply system
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本研究通过建立物理模型分析基拉韦厄火山深浅层岩浆系统的动态耦合，发现非线性压力扩散在底向上过程中增强耦合，顶向下过程中解耦，有效解释了2003-2007年岩浆供应激增及2018年东 rift 区喷发期间的地面变形和气体排放数据。
盖塔诺·费兰特（Gaetano Ferrante）| 赫尔格·M·贡纳曼（Helge M. Gonnermann）
美国德克萨斯州休斯顿莱斯大学地球、环境与行星科学系，主街6100号，邮编77005
摘要
关于岩浆如何穿越数十公里的岩石圈——从软流圈地幔中的源区到达地球表面的喷发口，我们知之甚少。夏威夷岛上的基拉韦厄火山（K??lauea）通常被视为一个开放系统火山的典型代表，其熔岩通过一个开放的通道持续不断地被输送到浅层储藏区。为了维持这一通道的开放状态，我们认为基拉韦厄火山传输系统中的岩浆压力与周围岩石的静岩压力达到了平衡。基于这一假设，我们建立了一个预测模型，用于描述基拉韦厄火山下方岩石圈尺度上的岩浆传输过程，并用它来解释2003-2007年间岩浆供应激增以及2018年下东裂谷带（Lower East Rift Zone）喷发期间的地表变形和气体排放现象。研究发现，基拉韦厄火山的浅层储藏区与其深层供应区在自下而上的过程中紧密耦合，导致岩浆压力快速扩散和岩浆供应速率的显著变化；而在自上而下的过程中，深层供应系统与浅层储藏区则基本解耦，岩浆供应速率对浅层火山岩浆通道和储藏系统的压力变化不敏感。
引言
火山是复杂的岩浆储存和传输网络的表面体现（Cashman等人，2017年），这些网络通常被称为火山的岩浆通道系统。岩浆通道系统从地球表面延伸数十公里，穿过岩石圈，一直延伸到形成岩浆的软流圈地幔。尽管我们对岩浆生成和储存的深度和体积有很好的了解，以及对火山喷发的大量观测数据，但对于其间发生的物理过程仍知之甚少（Poland等人，2014年）。越来越多的研究致力于利用地球物理观测来阐明火山的岩浆通道系统结构（例如Wright和Klein，2006年；Wech和Thelen，2015年；Matoza等人，2021年；Willing等人，2023年），并研究其流体连通性（例如Shapiro等人，2017年；Journeau等人，2022年）。然而，我们目前对火山内部运作机制的概念模型仍然较为静态，无法描述深层火山结构如何影响其表层行为，反之亦然。加深对这一主题的理解对于提高预测岩浆活动、解释火山前兆和评估喷发风险的能力至关重要。作为世界上监测和研究最为深入的火山之一，夏威夷岛上的基拉韦厄火山为解决这一知识空白提供了理想的案例。
基拉韦厄火山是夏威夷-皇帝海山链（Hawai’i-Emperor Chain）中第二年轻的火山，该海山链绵延近6000公里，横跨太平洋。这些火山被认为是由于太平洋板块覆盖了一个位于软流圈地幔深处的“热点”（由高温岩浆柱上升引起）而形成的（Wolfe等人，2009年；Wolfe等人，2011年）。基拉韦厄火山通常被视为一个开放系统火山的典型代表，其熔岩几乎持续不断地从地幔输送到浅层储藏区（图1a；Eaton和Murata，1960年）。尽管我们对这座火山的理解取得了重大进展，但自20世纪60年代以来，我们对基拉韦厄火山岩浆通道系统的概念模型基本没有变化（图1a；Eaton和Murata，1960年；Poland等人，2014年）。供给基拉韦厄火山喷发的岩浆被认为起源于80-100公里深处（Tilling和Dvorak，1993年；Wright和Klein，2014年），并通过多孔流动上升到岩石圈底部（约40公里深度）（Tilling和Dvorak，1993年）。从那里，熔岩可能通过半永久性的通道被引导至浅层储藏系统（Eaton和Murata，1960年；Poland等人，2014年）。浅层储藏区由多个相互连接的储库组成（Cervelli和Miklius，2003年；Baker和Amelung，2012年；Wang等人，2021年），其下方是构成火山密集核心的橄榄石堆积体（Clague和Denlinger，1994年；Plattner等人，2013年；Wieser等人，2019年）。喷发要么发生在山顶，要么发生在两条裂谷带上，分别向西南和东方延伸（图2a）。
在过去20年里，基拉韦厄火山经历了两次异常事件。2003年，在经历了近50年的相对稳定期后，火山经历了由地幔驱动的岩浆供应激增（Poland等人，2012年），这为我们提供了观察火山自下而上动态过程的机会。随后，在2018年，基拉韦厄火山发生了200多年来最大规模的喷发（Neal等人，2019年），这为我们研究火山自上而下的过程以及一个长期存在的问题提供了机会：深层岩浆供应是否会对大规模火山喷发引起的山顶减压做出反应？先前的研究假设，从山顶储库中大量排出的岩浆可能导致地幔中岩浆供应的激增（Dvorak和Okamura，1987年；Dvorak和Dzurisin，1993年）。2018年的喷发是否也是如此？深层岩浆供应是否对喷发做出了响应，还是保持不变？
利用基拉韦厄火山的开放通道特性，以及三十年来收集的地球物理、大地测量和地球化学观测数据，我们建立了一个基于物理的岩石圈尺度岩浆传输模型，以研究基拉韦厄火山深层供应与浅层储藏之间的动态联系。我们发现，基拉韦厄火山供应通道的可能尺寸范围，以及2003-2007年岩浆供应激增期间伴随的浅层地震活动的匮乏，与通道对压力变化的弹性响应是一致的，从而导致沿通道的非线性压力扩散。考虑到非线性压力扩散，可以解释这样一个现象：在岩浆供应速率翻倍的情况下（如2003-2007年的激增期间），在线性扩散模型框架下，地幔源区的压力需要不切实际地大幅增加。值得注意的是，我们发现非线性压力扩散导致在自下而上的过程中基拉韦厄火山的深层供应与浅层储藏之间存在强耦合，而在自上而下的过程中则解耦。
节选内容
普乌奥奥（Pu‘u‘ō‘ō）喷发
1983年至2018年间，基拉韦厄火山经历了四个多世纪以来持续时间最长的喷发，几乎持续从名为普乌奥奥（Pu‘u‘ō‘ō）的东裂谷带喷口喷发（图2a；Heliker等人，2003年）。尽管喷发持续时间很长且规模巨大，但在喷发前的20年里，基拉韦厄火山被认为处于相对稳定的状态，喷发的岩浆量与输送到火山的岩浆量相当（Poland等人，2014年）。与此同时，基拉韦厄火山浅层储藏区的岩浆供应速率
压力平衡假设
普遍认为，源自夏威夷岩浆柱的岩浆通过一条长期存在的开放通道被输送到基拉韦厄火山，这条通道垂直或近乎垂直地从岩石圈-软流圈边界延伸到火山的地壳岩浆储藏区（图1a；Eaton和Murata，1960年；Wright和Klein，2006年）。这条通道的性质（大小和几何形状）既不确定又非常重要，因为它决定了基拉韦厄火山下方的压力分布，进而影响岩浆的流动
通道尺寸的限制
压力平衡假设的一个基本后果是，它对供给基拉韦厄火山的深层通道尺寸提出了限制（图3），而这仍是火山研究中尚未完全解决的方面之一（Wright和Klein，2006年）。根据方程（5），宽度为w、开口为b的岩脉中的岩浆体积流量Q可以表示为：
假设岩浆与周围岩石之间的压力平衡，则\frac{dQ}{dz} = p \cdot g，即基拉韦厄火山下方的静岩压力梯度。基拉韦厄火山供应通道的稳定性及可能的替代方案
供给基拉韦厄火山的岩浆通道的起源、演变和当前状态仍是研究中的空白领域。在这项工作中，我们探讨了基拉韦厄火山是否由一条细长的裂缝（岩脉）供给的可能性，并研究了其柔韧性如何影响火山深层结构与浅层储藏之间的耦合。
结论
跨岩石圈的岩浆传输是固体地球科学中尚未完全理解的领域之一。为填补这一知识空白，我们建立了基拉韦厄火山下方岩石圈尺度岩浆传输的模型。该模型能够再现三十年间可获得的地表观测数据，阐明了基拉韦厄火山的浅层储藏区与深层供应区之间的动态联系。我们发现，对于预期的岩脉柔韧性范围
CRediT作者贡献声明
盖塔诺·费兰特（Gaetano Ferrante）：负责撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。赫尔格·M·贡纳曼（Helge M. Gonnermann）：负责撰写初稿、指导工作、资源协调、方法论制定、资金申请及概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了NSF-EAR-2114382项目的支持。我们感谢Taiyi Wang和一位匿名审稿人提出的宝贵意见，这些意见提高了手稿的质量。同时，我们也感谢Michael Poland对初稿提出的有益讨论和意见。
