熔岩管上方通胀隆起的形成过程

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Development of inflation ridges over Lava tubes

熔岩管受内部压力膨胀形成地表脊，通过有限元模型提出解析尺度关系：膨胀脊高度与内部压力、杨氏模量及有效屋顶厚度相关。实验显示膨胀脊需在屋顶形成后400小时内形成，且需未完全冷却的软质屋顶。该方法为研究活性和静态熔岩流的结构与历史提供了新途径。

　　

爱德华·A·威廉姆斯（Edward A. Williams）|劳伦特·G·J·蒙特塞西（Laurent G.J. Montési）|帕特里克·L·惠利（Patrick L. Whelley）|欧内斯特·R·贝尔（Ernest R. Bell）

美国马里兰大学地质系，8000 Regents Dr，College Park，MD

摘要

在某些熔岩流中，熔岩管能够将熔岩输送到很远的距离。熔岩的压力有时会使活跃的熔岩管膨胀，从而在其上方形成几米高的地形隆起。基于熔岩管膨胀的有限元模型，我们提出了分析性的比例关系，将这些膨胀隆起与管内压力以及膨胀过程中的流动力学特性联系起来。管顶的厚度是一个重要参数，它取决于管顶的年龄和其弹性模量。在各种熔岩流中观察到的膨胀隆起出现在管顶形成后的前400小时内，并且不可能在完全冷却的管顶情况下形成。观测结果与膨胀时的杨氏模量（仅几GPa）一致。这种新方法和比例关系为利用膨胀隆起来探究活跃和非活跃熔岩流的结构和历史提供了可能性。

章节摘录

引言和背景

熔岩管是在熔岩流表面形成一层固化的熔岩壳并变得足够坚固以支撑自身重量时形成的洞穴。这类地貌在地球上许多地方都有发现，包括夏威夷（Greeley, 1987）、肯尼亚（Forti et al., 2003）、冰岛（Pedersen et al., 2017）、韩国（Jeon et al., 2024）、意大利（Calvari and Pinkerton, 1999）以及加那利群岛（Tomasi et al., 2022）。熔岩管在太阳系研究中也具有重要意义。

模型假设和参数限制

我们的分析基于使用COMSOL Multiphysics?构建的二维弹性有限元模型，这些模型在平面应变假设下进行模拟。每个模型由一个大的弹性块组成，其中切出了熔岩管的形状（图3）。根据先前的研究（Blair et al., 2017; Modiriasari et al., 2019; Theinat et al., 2020; Williams and Montési, 2025），熔岩管被理想化为半椭圆形，这很好地反映了Valentine Cave的实际情况（图2）。

膨胀隆起的关系

过高的压力会使管顶抬起，形成高度为$H$的隆起（图4）。我们记录了在不同内部压力$P$、杨氏模量$E$以及有效管顶厚度$T_{\mathrm{ve}}$（支持信息表S1）的各种组合下的隆起高度。

我们观察到，在我们的模型中，隆起高度、膨胀压力和杨氏模量之间存在线性比例关系。这种关系是预期的，因为模型仅考虑了弹性变形：与隆起形成相关的应变是成比例的。

具体的膨胀隆起结果

方程（3）通过有效管顶厚度$T_{\mathrm{ve}}$将膨胀隆起的高度与其膨胀历史联系起来。我们现在展示这种关系可以合理地应用于四个实际的熔岩管膨胀案例：Valentine Cave（LBNM）、El Puesto熔岩流（阿根廷）、Holuhran（冰岛）和Kilauea东裂谷带（夏威夷）。

目前，Valentine Cave的管顶厚度为一米（Whelley et al., 2017）。方程（4）表明，熔岩流在$165\pm <mn>2</mn>$小时内冷却完毕。

讨论

根据当前的管顶形状、管顶厚度以及室温下岩石的杨氏模量，观察到的隆起在现实中的膨胀压力下是无法形成的。Kilauea的例子表明，当压力高到足以形成较大的膨胀隆起且管顶较厚时，熔岩壳可能会发生断裂。然而，在熔岩流动的最初几天内，当管顶尚未完全冷却且较薄且更柔软时，确实可以形成现实的膨胀隆起。

结论

膨胀确实可以导致多个熔岩管上方以及活跃熔岩流中观察到的隆起现象。然而，这些隆起只有在管顶开始形成后不久才能达到观察到的高度，此时管顶相对较薄且柔软。这一结论得到了利用杨氏模量、有效管顶厚度、内部熔岩压力和膨胀隆起高度之间关系的定量分析的支持（见方程（2）、（3）。

CRediT作者贡献声明

爱德华·A·威廉姆斯（Edward A. Williams）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据整理、概念化。 劳伦特·G·J·蒙特塞西（Laurent G.J. Montési）：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。 帕特里克·L·惠利（Patrick L. Whelley）：资源获取、概念化。 欧内斯特·R·贝尔（Ernest R. Bell）：概念化。

利益冲突声明

作者声明本手稿不存在利益冲突。

致谢

本工作得到了NASA SSERVI GEODES（项目编号：80NSSC19M0216）的资助。Valentine Cave的LiDAR数据由NASA PSTAR Project TUBEX（项目负责人：K. Young）收集。我们感谢Sonia Calvari博士、Sean Peters博士以及一位匿名审稿人对本工作的宝贵意见。