量化低温气体排放揭示蒙特塞拉特苏弗里耶尔火山 CO2通量被低估

《SCIENCE ADVANCES》：Quantification of low-temperature gas emissions reveals CO2 flux underestimates at Soufrière Hills volcano, Montserrat

为准确测量火山总挥发通量、了解岩浆系统及全球火山通量，研究人员对蒙特塞拉特苏弗里耶尔火山（Soufrière Hills Volcano）开展火山气体排放研究。结果显示传统 CO2通量计算至少低估三倍，且该研究量化了热液系统对岩浆气体的洗涤作用，对相关研究意义重大。

　　在地球的诸多自然现象中，火山活动一直是备受关注的焦点。全球有超过 8 亿人居住在距离活火山 100 公里以内的区域，火山喷发不仅会直接威胁人们的生命安全，还对全球气候和生态环境有着深远影响。准确监测火山活动、测量火山气体通量和成分，对于及时发现喷发前兆、追踪喷发进程以及量化全球挥发性物质循环至关重要。然而，火山系统极为复杂，气体成分受多种因素影响，传统测量方法存在诸多问题。比如，常用的通过 SO₂排放率结合 X/SO₂质量比计算其他火山挥发物排放率的方法，可能因未考虑热液系统对气体的洗涤作用等因素，导致测量结果不准确。在这样的背景下，为深入了解火山岩浆系统和气体排放过程，国外研究人员针对蒙特塞拉特的苏弗里耶尔火山（SHV）展开了研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员采用了直升机搭载的光学 MultiGAS（OMG）测量技术以及 UV 光谱仪测量技术。利用直升机在火山羽流下方和内部进行测量，获取了丰富的数据。其中，UV 光谱仪用于测量 SO₂通量，而 OMG 则可同时测量多种火山气体的成分。

研究结果

1. 二氧化硫排放：2017 年 5 月 19 日，研究人员使用 Ocean Optics USB2000 UV 光谱仪，在距离火山顶 2、3.5、4.5 和 6 公里处进行了 10 次羽流下方的测量。通过计算得出，SO₂的平均排放率为 4.03 ± 0.9 kg s^-1 。
2. 气体成分：利用 OMG 测量羽流中的气体成分，该仪器可测量 CO₂、SO₂和 HCl 等气体浓度。测量发现，火山 CO₂浓度比背景值高 4 ppm，SO₂浓度最高达 450 ppb，HCl 浓度最高达 70 ppb 。通过多种方法计算得出不同的气体混合比，如中央羽流（点对点）的 CO₂/SO₂（摩尔比）为 10 ± 4，总体 SHV（积分法）的 CO₂/SO₂（摩尔比）为 22 ± 14 等。
3. 非均质羽流：OMG 的高采样频率揭示了气体成分在空间上的非均质性。CO₂羽流宽度平均为 2350 m，SO₂羽流宽度为 1494 m，HCl 羽流宽度为 1010 m ，后两者位于较宽的 CO₂羽流中心。这表明在 SHV 的热液系统中，更易溶解的 SO₂和 HCl 在较冷的喷气孔排放中被洗涤，而较不易溶解的 CO₂则自由排放。
4. 气体通量：通过将 (CO₂/HCl)/SO₂的质量比与 UV 光谱仪测量的 SO₂通量相乘，计算出中央羽流和总体羽流中 CO₂和 HCl 的排放率。例如，中央羽流中 CO₂的排放率为 28.1 ± 13.1 kg s^-1，总体 SHV 羽流（积分法）中 CO₂的排放率为 61.3 ± 39.9 kg s^-1 。

研究结论与讨论

该研究表明，苏弗里耶尔火山存在明显的气体洗涤现象。热液系统对水溶性的二氧化硫和氯化氢有洗涤作用，导致其在羽流中的浓度和通量发生变化。相比之下，CO₂因溶解度较低，受洗涤影响较小。研究人员还发现，传统的 MultiGAS 测量方法以及常用的 CO₂通量计算方法（CO₂/SO₂ x SO₂通量）会导致对 CO₂通量的严重低估。这是因为这些方法可能无法准确测量来自低温喷气孔的 CO₂排放，且未充分考虑热液系统对气体的影响。此外，该研究中的 HCl/SO₂比值与先前火山静止期的测量结果一致，可作为监测火山穹顶活动变化的重要指标。

这项研究的重要意义在于，揭示了传统火山气体测量方法的局限性，强调了精确测量酸性气体对于检测非均质脱气的重要性。研究结果表明，全球范围内许多火山的 CO₂通量可能被低估，这对准确评估火山活动对全球气候和环境的影响有着重要启示。同时，OMG 测量技术的应用为研究火山气体排放提供了更精确的手段，有助于推动火山学领域的进一步发展。未来，研究人员可在此基础上，进一步优化测量方法，深入研究不同火山的气体排放特征，为火山监测和灾害预警提供更可靠的依据。