FTIR顯微鏡預(yù)測(cè)火山爆發(fā)，噴發(fā)性氣體通過(guò)FPA探測(cè)器進(jìn)行定量分析。
那不勒斯附近的Phlegraean Fields火山區(qū)是當(dāng)前的一個(gè)“熱門(mén)話題”。兩年來(lái)，這座超級(jí)火山的活躍度不斷增加。人們對(duì)火山噴發(fā)的擔(dān)憂日益加劇。科學(xué)家們夜以繼日地努力，預(yù)測(cè)火山是否噴發(fā)？何時(shí)噴發(fā)？
科學(xué)家為了評(píng)估火山的危險(xiǎn)性所要進(jìn)行的研究遠(yuǎn)不止此。他們通過(guò)巖石分析，來(lái)預(yù)測(cè)火山噴發(fā)時(shí)是否會(huì)發(fā)生火山碎屑流以及碎屑流所具有的破壞力。您對(duì)科學(xué)家如何做到這些是否感興趣呢？
如果感興趣，就請(qǐng)加入我們的地質(zhì)探險(xiǎn)之旅吧!
火山噴發(fā)的解釋
為了確定潛在火山噴發(fā)的強(qiáng)度，研究人員需對(duì)形成火山的巖石進(jìn)行分析。這些巖石中可能含有熔融包裹體，其中保存著與火山爆發(fā)有關(guān)的信息。
CO2、H2O和SO4等分解氣體在這里提供關(guān)鍵信息。這些在火山噴發(fā)前釋放的氣體濃度，是監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)之一。
最常見(jiàn)氣體水蒸汽（H2O）濃度的測(cè)量，是預(yù)測(cè)火山噴發(fā)強(qiáng)度的重要一步。包裹體中的H2O含量越高，火山越容易爆發(fā)。遺憾的是，這里有一個(gè)陷阱。
研究人員必須弄清楚熔融包裹體是否為原始狀態(tài)，是否在火山噴發(fā)期間或之后喪失了水分。研究人員只有能夠準(zhǔn)確地弄清這一點(diǎn)，才能繼續(xù)研究水對(duì)巖漿噴發(fā)的影響。
那么誰(shuí)能在這方面幫助到他們呢？當(dāng)然是FTIR！
ATR-FTIR：
火山研究領(lǐng)域一顆冉冉升起的新星
透射FTIR是分析熔融包裹體的一種成熟而完善的方法。但它有兩個(gè)缺點(diǎn)。其一是樣品制備耗時(shí)長(zhǎng)，其二是難以分析較小的熔融包裹體。
而這正是ATR-FTIR的用武之地，它解決了以上兩個(gè)挑戰(zhàn)。無(wú)需進(jìn)行繁瑣的樣品制備，且能夠用于分析小樣品。除此之外，當(dāng)ATR物鏡與焦平面探測(cè)器（FPA）相結(jié)合時(shí)，還能對(duì)熔融包裹體中的H2O進(jìn)行成像分析。這種方法可幫助確定H2O是否為原始狀態(tài)。
工作原理
光譜圖像示例。A：吸收?qǐng)D像明顯相似，包裹體的水分分布均勻。B：圖像看上去相似，但最大Si–O振動(dòng)和總水吸收信號(hào)空間上不一致。C：有些區(qū)域存在不同程度的脫水。D：該熔融包裹體似乎完全耗盡了溶解水。
Chemical Geology, 615 (2023) 121217. doi:10.1016/j.chemgeo.2022.1212171*
科學(xué)背景
熔融包裹體含有不同的成分，其中包括玻璃基質(zhì)的狀態(tài)。玻璃基質(zhì)含有包括H2O在內(nèi)的不同成分。為了評(píng)估H2O是否為原始狀態(tài)，研究人員首先需要利用ATR-FPA-FTIR來(lái)確定玻璃基質(zhì)本身進(jìn)行測(cè)試。
如果存在裂紋或變化，則表明玻璃基質(zhì)可能存在脫水。這會(huì)使殘余的水不是原始狀態(tài)。如果玻璃基質(zhì)完好無(wú)損，則研究其中的水分分布與基質(zhì)本身是否一致非常重要。
如果玻璃基質(zhì)結(jié)構(gòu)水圖像與水的圖像不一致，則表明可能存在脫水。如果存在脫水，則這些數(shù)據(jù)就不能用來(lái)預(yù)測(cè)火山爆發(fā)。
如果二者的圖像一致，研究人員接下來(lái)就能校準(zhǔn)和測(cè)定玻璃基質(zhì)中的含水量。運(yùn)用一條簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)預(yù)測(cè)火山爆發(fā)：H2O含量越高，火山越容易爆發(fā)。
科學(xué)家利用布魯克的HYPERION FTIR顯微鏡完成這一高挑戰(zhàn)性的研究。
HYPERION II是一款創(chuàng)新的紅外顯微鏡
布魯克是一家提供帶FPA探測(cè)器的FTIR儀器廠商。HYPERION就是一款這樣的設(shè)備。那么，F(xiàn)PA探測(cè)器在分析火山熔融包裹體時(shí)到底有什么優(yōu)勢(shì)呢？
1
高空間分辨率：FPA探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)精確至亞微米級(jí)的高空間分辨率。這使得該探測(cè)器可對(duì)樣品中的小特征進(jìn)行詳細(xì)的成像和分析。
2
效率：FPA探測(cè)器可通過(guò)一系列探測(cè)器同時(shí)捕獲數(shù)據(jù)。這使得數(shù)據(jù)采集過(guò)程更快速、更高效，尤其是相比傳統(tǒng)的逐點(diǎn)掃描法。高效率對(duì)于分析數(shù)量巨大的樣品非常有用，比如研究多個(gè)火山噴發(fā)區(qū)域時(shí)。
3
成像能力：FPA探測(cè)器可用于構(gòu)建高空間分辨率的化學(xué)圖像。在火山研究中，這被用于根據(jù)水的成像來(lái)區(qū)分脫氣的和原始的熔融包裹體。
4
校準(zhǔn)和定量分析：FPA探測(cè)器可進(jìn)行校準(zhǔn)和用于定量分析，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量熔融包裹體中的含水量至關(guān)重要。
研究人員與政府當(dāng)局并肩協(xié)作，盡其所能地保護(hù)人們免受火山爆發(fā)的影響。在這項(xiàng)工作中，最重要的是確定未來(lái)的火山噴發(fā)是噴涌式還是爆發(fā)式。這些信息有助于政府部門(mén)確定應(yīng)啟動(dòng)哪種應(yīng)急預(yù)案。
“Campi Flegrei”火山噴發(fā)的確切后果尚不確定。據(jù)專家估計(jì)，該火山噴發(fā)可能?chē)姵龈哌_(dá)1,000 km³的火山巖。這對(duì)本地區(qū)的居民甚至世界其他地區(qū)都將是一場(chǎng)噩夢(mèng)。
對(duì)于布魯克，我們希望自己的儀器能為加深了解火山相關(guān)的信息，使得生活在火山活躍地區(qū)的人們更安全，貢獻(xiàn)一份重要力量。在這些儀器中，不僅有HYPERION，還有遙測(cè)遙感方面的產(chǎn)品2。
想要了解FPA探測(cè)器嗎？請(qǐng)閱讀這篇文章，了解Mapping與成像之間的區(qū)別。
參考資料
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.
* 請(qǐng)注意，我們對(duì)論文中的圖6作出了調(diào)整。論文中分析的樣品是在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.
如您對(duì)以上應(yīng)用感興趣
長(zhǎng)按左側(cè)二維碼
填寫(xiě)產(chǎn)品咨詢表
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
會(huì)員.png)
5
立即詢價(jià)
您提交后，專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)