通过FTIR来预测火山爆发

FTIR显微镜预测火山爆发，喷发性气体通过FPA探测器进行定量分析。

那不勒斯附近的Phlegraean Fields火山区是当前的一个“热门话题”。两年来，这座超级火山的活跃度不断增加。人们对火山喷发的担忧日益加剧。科学家们夜以继日地努力，预测火山是否喷发？何时喷发？

科学家为了评估火山的危险性所要进行的研究远不止此。他们通过岩石分析，来预测火山喷发时是否会发生火山碎屑流以及碎屑流所具有的破坏力。您对科学家如何做到这些是否感兴趣呢？

如果感兴趣，就请加入我们的地质探险之旅吧。

那不勒斯附近的Phlegraean Fields 火山活跃区

火山喷发的解释

为了确定潜在火山喷发的强度，研究人员需对形成火山的岩石进行分析。这些岩石中可能含有熔融包裹体，其中保存着与火山爆发有关的信息。

CO2、H2O和SO4等分解气体在这里提供关键信息。这些在火山喷发前释放的气体浓度，是监测火山活动的关键参数之一。

最常见气体水蒸汽（H2O）浓度的测量，是预测火山喷发强度的重要一步。包裹体中的H2O含量越高，火山越容易爆发。遗憾的是，这里有一个陷阱。

研究人员必须弄清楚熔融包裹体是否为原始状态，是否在火山喷发期间或之后丧失了水分。研究人员只有能够准确地弄清这一点，才能继续研究水对岩浆喷发的影响。

那么谁能在这方面帮助到他们呢？当然是FTIR！

ATR-FTIR：火山研究领域一颗冉冉升起的新星

透射FTIR是分析熔融包裹体的一种成熟而完善的方法。但它有两个缺点。其一是样品制备耗时长，其二是难以分析较小的熔融包裹体。

而这正是ATR-FTIR的用武之地，它完美解决了以上两个挑战。无需进行繁琐的样品制备，且能够用于分析小样品。除此之外，当ATR物镜与焦平面探测器（FPA相结合时，还能对熔融包裹体中的H2O进行成像分析。这种方法可帮助确定H2O是否为原始状态。

工作原理

光谱图像示例。A：吸收图像明显相似，包裹体的水分分布均匀。B：图像看上去相似，但最大Si–O振动和总水吸收信号空间上不一致。C：有些区域存在不同程度的脱水。D：该熔融包裹体似乎完全耗尽了溶解水。Chemical Geology, 615 (2023) 121217. doi:10.1016/j.chemgeo.2022.1212171*

科学背景

熔融包裹体含有不同的成分，其中包括玻璃基质的状态。玻璃基质含有包括H2O在内的不同成分。为了评估H2O是否为原始状态，研究人员首先需要利用ATR-FPA-FTIR来确定玻璃基质本身进行测试。

如果存在裂纹或变化，则表明玻璃基质可能存在脱水。这会使残余的水不是原始状态。如果玻璃基质完好无损，则研究其中的水分分布与基质本身是否一致非常重要。

如果玻璃基质结构水图像与水的图像不一致，则表明可能存在脱水。如果存在脱水，则这些数据就不能用来预测火山爆发。

如果二者的图像一致，研究人员接下来就能校准和测定玻璃基质中的含水量。运用一条简单的经验法则来预测火山爆发：H2O含量越高，火山越容易爆发。

科学家利用布鲁克的HYPERION FTIR 显微镜完成这一高挑战性的研究。

为何选择布鲁克？

布鲁克是唯一一家提供带FPA探测器的FTIR仪器厂商。HYPERION就是一款这样的设备。那么，FPA探测器在分析火山熔融包裹体时到底有什么优势呢？

1. 高空间分辨率：FPA探测器可以实现精确至亚微米级的高空间分辨率。这使得该探测器可对样品中的小特征进行详细的成像和分析。

2. 效率：FPA探测器可通过一系列探测器同时捕获数据。这使得数据采集过程更快速、更高效，尤其是相比传统的逐点扫描法。高效率对于分析数量巨大的样品非常有用，比如研究多个火山喷发区域时。

3. 成像能力：FPA探测器可用于构建高空间分辨率的化学图像。在火山研究中，这被用于根据水的成像来区分脱气的和原始的熔融包裹体。

4. 校准和定量分析：FPA探测器可进行校准和用于定量分析，这对准确测量熔融包裹体中的含水量至关重要。

HYPERION II是一款创新的红外显微镜

结论

研究人员与政府当局并肩协作，尽其所能地保护人们免受火山爆发的影响。在这项工作中，最重要的是确定未来的火山喷发是喷涌式还是爆发式。这些信息有助于政府部门确定应启动哪种应急预案。

“Campi Flegrei”火山喷发的确切后果尚不确定。据专家估计，该火山喷发可能喷出高达1,000 km³的火山岩。这对本地区的居民甚至世界其他地区都将是一场噩梦。

对于布鲁克，我们希望自己的仪器能为加深了解火山相关的信息，使得生活在火山活跃地区的人们更安全，贡献一份重要力量。在这些仪器中，不仅有HYPERION，还有遥测遥感方面的产品2。

想要了解FPA探测器吗？请阅读这篇文章，了解mapping与成像之间的区别。

参考资料

1. Popa, R.G., Tollan, P., Hermann, J., Bachmann, O. (2023). Degassed versus pristine: Evaluating melt inclusions with a new ATR-FPA-FTIR calibration and water imaging method in rhyolitic melts. Chemical Geology: 615; 121217.
* 请注意，我们对论文中的图6作出了调整。论文中分析的样品是在Nisyros-Yali火山中心采集。

2. Burton, M., Allard, P., Muré, F., La Spina, A. (2007). Magmatic Gas Composition Reveals the Source Depth of Slug-Driven Strombolian Explosive Activity. Science: 317; 227-230.