新研究揭示火山氣泡成核機制：剪切力在壓力無變下觸發氣泡

一項由國際團隊，包括蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）專家參與的研究，挑戰了數十年來火山學界普遍接受的觀點，即火山噴發的氣泡僅在岩漿上升過程中因環境壓力下降而形成。該研究於2025年發表於《科學》（Science）期刊，揭示了移動和變形的含氣岩漿的簡單作用，即可在環境壓力無顯著變化時觸發氣泡成核，此現象被稱為「剪切誘發成核」。

該發現的核心在於火山通道內岩漿的差異運動所產生的剪切力，尤其是在與通道壁摩擦力最大的區域。蘇黎世聯邦理工學院的火山學與岩漿岩石學教授奧利弗·巴赫曼（Olivier Bachmann）指出，實驗結果證實，岩漿因剪切力產生的運動本身就足以形成氣泡，即使壓力並未下降。 為了驗證此理論，科學家們使用飽和二氧化碳（CO2）的加壓熔融聚合物建立類比系統，觀察到在高機械應力區域施加受控剪切力時，氣泡會自發產生。

研究的關鍵發現之一是，引發氣泡形成的臨界剪切應力，會隨著岩漿中溶解氣體濃度的增加而降低。 此外，研究人員指出，剪切力誘發的成核作用，在毛細管數大於10的負五次方時可能發生，此條件在火山通道和黏性最強的岩漿中普遍存在。 該研究由奧利弗·羅什（Olivier Roche）部分領導，並有巴赫曼等人參與。

此機制對火山學具有深遠的影響，它可能解釋了高黏度、富含揮發性物質的岩漿有時會產生寧靜的溢流式噴發（熔岩流），而非劇烈的爆炸性噴發。早期因剪切力導致的氣泡形成，允許岩漿在到達臨界減壓區之前逐步釋放氣體，從而軟化了其噴發行為。 這種機制也對地質記錄的傳統解釋提出質疑，因為如果剪切誘發成核作用顯著，先前基於氣泡紋理估計的岩漿上升速率可能被高估了。

剪切力在火山通道中的作用，類似於攪拌，通道壁附近的岩漿因摩擦力較大而流動較慢，內部則較快，這種差異運動本質上「揉捏」了熔融岩石，從而產生氣泡。 這種對氣泡動力學的深入理解，對於風險管理至關重要，它能更精確地評估火山的爆發潛能，並有助於解釋如美國聖海倫斯火山或智利Quizapu火山等，在富含高爆炸性氣體的情況下，卻偶爾表現出平靜熔岩流噴發的長期現象。 科學家強調，有必要將剪切力的影響納入火山災害預測模型中，以更新現有的火山活動預警系統。