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2018年基拉韦厄东裂谷区裂隙8喷发事件中，通过分析200余段无人机视频及9个现场样本，揭示了熔岩流速、质地及流变学的时空演化规律。研究表明，气孔率从喷口附近的79-88%减少至12.5公里外的16-26%，有效粘度随距离平方增长，主要因气泡逸出和冷却结晶导致。模型验证表明小气泡的刚性对模拟流速和长度至关重要，时空演化数据为火山预测和风险评估提供依据。
Jasper Baur|Janine Birnbaum|Brenna Halverson|Hannah Dietterich|Julia Hammer|Alan Whittington|Einat Lev
拉蒙特-多赫蒂地球观测站，哥伦比亚大学，纽约州纽约市，美国
摘要
2018年基拉韦厄火山下东裂谷带（KLERZ）的喷发是过去200年来夏威夷岛上规模最大的喷发之一，导致了严重的破坏，摧毁了700多栋房屋和建筑物。大部分喷出的岩浆以熔岩流的形式从Ahu’ailā’au（裂隙8）中流出，该裂隙从5月底一直活跃到8月初。为了更好地了解长期存在的熔岩流的演变过程，我们研究了裂隙8熔岩在空间和时间上的速度、质地变化以及流变特性的变化。我们利用粒子图像测速技术在超过200段覆盖熔岩流持续时间和长度的空中视频中量化了熔岩流的表面速度，并结合了9个同位点的喷发后现场样本的气泡含量和结晶度测量结果，以理解这种流体的质地演变及其对熔岩流变特性和流速的影响。裂隙8的熔岩流具有很高的气泡含量，在喷口处气泡含量为79%–88%，而在距离喷口12.5公里处下降到16%–26%。直径小于50微米的晶体的体积分数从喷口处的6%增加到下游12.5公里处的约18%。我们发现，有效流动粘度随距离呈二次方关系增加。通过使用实验确定的液体粘度并应用现有模型来解释晶体和气泡的影响，我们将这种增加主要归因于最初由喷口附近可变形气泡的丧失引起的质地演变，随后则是冷却和晶体生长的作用。我们展示了考虑气泡演变的重要性，并通过开源热流变熔岩流模型PyFLOWGO来证明这一点，该模型能够更准确地预测观测到的流速。我们的建模结果表明，需要假设小气泡表现出刚性行为才能模拟观测到的流动长度、速度和粘度。
裂隙8熔岩的流速也随时间变化，这种变化受到山顶破火山口近乎每日发生的塌陷事件的驱动。速度变化的特点是先有一个快速加速期，在破火山口塌陷后约4小时流量达到峰值，随后是一个持续长达40小时或直到下一次塌陷事件的逐渐减速期。我们利用这种时间行为来估算山顶储层与下东裂谷带之间岩浆管道系统的可压缩性。总体而言，量化KLERZ喷发的空间和时间演变提供了有关岩浆和熔岩特性的信息，这些信息可用于喷发期间的预测建模和危险评估。
引言
准确预测熔岩流的范围和速度对于减轻熔岩流对社区和基础设施造成的风险至关重要（例如，美国国家科学院、工程院和医学院，2017年；Harris等人，2016年）。熔岩流变特性的下游演变主要受温度和熔岩微观结构控制，这对熔岩流的分布和最终范围具有根本性影响。因此，理解质地和流变特性的变化是风险缓解的关键步骤。此外，测量熔岩流的速度对于危险评估也很重要，因为它可以告知监测人员熔岩流的当前传播速度、通过通道的熔岩体积流量以及发生危险溢出的可能性（Harris等人，2007年；Tarquini和de’Michieli Vitturi，2014年；Dietterich等人，2021年）。近年来，无人驾驶航空系统（UAS）的进步使得能够测量喷发时的熔岩流速度（James等人，2020年）。这些测量结果可以与将速度与表观粘度和其他流变特性相关联的物理模型结合使用，从而实时估算流动熔岩的关键物理特性，而这些特性使用传统粘度计很难、危险或无法获得（Lev等人，2012年；Chevrel等人，2019年）。我们使用从速度场观测中推断出的“有效粘度”来表示熔岩粘度，并使用基于熔岩成分和质地的正向建模计算出的“表观粘度”来表示熔岩的整体行为。2018年基拉韦厄火山下东裂谷带（KLERZ）喷发期间的广泛监测和数据收集为我们提供了以前所未有的细节评估熔岩流演变的机会（Neal等人，2019年）。本研究利用UAS视频、现场样本和数值模型来量化2018年KLERZ喷发期间裂隙8熔岩的空间和时间演变，并确定喷发过程中影响熔岩流动态的关键内部和外部因素。
章节摘录
2018年基拉韦厄火山下裂谷带喷发
基拉韦厄火山位于夏威夷岛上，是目前夏威夷群岛中最活跃的火山。它是一座盾状火山，以其溢流式行为和流动的玄武岩熔岩流而闻名。2018年，Pu’u’ō’ō喷口的塌陷以及2018年春季一条岩脉向下侵入下东裂谷带，引发了过去两百年间岛上最大、最具破坏性的喷发之一（Neal等人，2019年）
方法
本文采用了多种技术和概念。整体逻辑结构如图2所示。我们使用的原始数据包括基于UAS的视频（第3.1节）和在喷发期间及之后收集的激光雷达（lidar）数据生成的数字高程模型（DEM），并将这些数据与喷发结束后收集的熔岩样本相结合。我们从视频中提取流速（第3.2节），从DEM中提取通道宽度、地面坡度和流厚度
速度的空间变化
我们的分析显示，熔岩速度和体积流量与距离喷口的距离有很强的依赖性。尤其是在最初的2公里内，速度随距离喷口的增加而减小。最初，在距离喷口500米范围内的平均速度为11 ± 3米/秒，到距离喷口1公里处降至约1米/秒，到距离喷口11公里处进一步降至0.5 ± 0.1米/秒（地点21）。在距离喷口4公里处有一个局部速度增加
与其他夏威夷熔岩流的比较
2018年KLERZ熔岩流的质地和粘度演变与其他夏威夷熔岩流的演变趋势相似，包括1859年和1984年的莫纳罗亚火山以及1969年至1974年的莫瑙奥卢火山的熔岩流。在所有情况下，气泡含量随距离喷口的增加而减少，而结晶度和粘度则增加。1859年莫纳罗亚火山的熔岩流粘度增加了约9帕斯卡秒/公里（Riker等人，2009年），而莫瑙奥卢火山的熔岩流粘度增幅更大——从喷口附近的90帕斯卡秒增加到5.8公里处的3800帕斯卡秒结论
我们整理并分析了2018年基拉韦厄火山下东裂谷带（KLERZ）喷发期间裂隙8（Ahu’ailā’au）熔岩流通道中的熔岩流速度，这些数据来自200多段空中UAS视频。我们观察到，由于质地演变以及局部坡度的影响，粘度的变化是流速下游变化的主要控制因素，而破火山口塌陷后的时间则解释了数据集中的时间变化。
CRediT作者贡献声明
Jasper Baur：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论研究、数据分析、正式分析、数据管理。Janine Birnbaum：撰写——审阅与编辑、软件开发、方法论研究、数据分析、正式分析。Brenna Halverson：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论研究、数据分析、正式分析。Hannah Dietterich：撰写——审阅与编辑、资源管理、方法论研究、数据管理、概念构建。Julia Hammer：撰写——审阅与编辑、验证
免责声明
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利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Einat Lev报告称获得了美国国家科学基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Gro Petersen、Orya?lle Chevrel、Erika Rader以及一位匿名审稿人对手稿早期版本的评审，这些评审极大地改进了手稿的质量。我们感谢Ed Llewellin在获取资金方面所起的作用，以及他们进行的许多有益讨论和富有成果的合作。我们非常感谢夏威夷火山观测站的科学家们提供样品和数据，并提供了宝贵的反馈和见解。这项工作得到了NSF-NERC资助的支持（NSF EAR
