创新背景

地球内部温度和密度不均匀，在地幔内部形成地幔对流或地幔柱。当高温物质上升到地球浅部时，由于压力减小而发生部分熔融。在外力作用下，这些熔融物质汇聚在一起并在地球的浅部形成岩浆囊。当岩浆囊的压力大于地层的压力时，岩浆就会沿着断层或薄弱的地方冲破地壳，造成火山爆发。

在人类能够控制火山活动之前，加强预报是防止火山灾害的唯一办法。通过地震检测火山活动是较常用的方法。科学家对火山爆发问题的研究，也常常得益于动、植物的某种突然变化。

创新过程

东京大学的一个研究小组发现，火山喷气孔（地球表面的间隙）释放的特定气体中原子的比例可以提供下面岩浆深处正在发生的事情的指标，类似于通过血液检查以检查人体的健康状况。

喷气孔是地球表面（地壳）上的孔洞和裂缝，释放气体和蒸汽，经常发生在火山周围。喷射的气体由多种化学物质组成。它的组成可以让人们深入了解地幔地壳下方发生的事情，岩浆（熔岩）形成并向上推，最终以熔岩的形式喷发。某些气体的同位素（来自具有相同化学性质但质量不同的元素的原子）的比例可以表明隐藏的岩浆活动。

基于对加那利群岛（非洲西北海岸附近的大西洋）El Hierro岛冷泉气的氦同位素比率的观察，研究发现，当岩浆活动增加时，氦同位素比率偶尔会从类似于地壳中发现的氦的低值变为高值，例如地球地幔中的值。氩-40和氦-3比例的变化可以表明岩浆的泡沫程度，这表明不同类型喷发的风险。研究团队致力于了解哪些气体的比例表明某种类型的岩浆活动，希望开发便携式设备，为24/7火山活动监测和预警系统提供现场实时测量。

为了获得进一步的见解，团队决定监测位于群马县东京西北约150公里处的草津白根火山周围六个喷气孔的气体。他们在 2014 年至 2021 年的七年间每隔几个月收集一次样本。收集后将样品带回实验室，并使用称为惰性气体质谱仪的最先进设备进行分析。这使他们能够精确测量同位素组成，包括超痕量（微小但重要）同位素的同位素组成，例如氦-3，与地壳或空气相比，它在地幔中通常更丰富。

研究成功地探测到与岩浆动荡有关的岩浆衍生的氩-40/氦-3比率的变化。研究人员使用计算机模型发现该比率反映了地下岩浆的泡沫量，从而产生与液态岩浆分离的火山气体气泡。岩浆泡沫控制着向火山下方的热液系统，提供岩浆气体以及岩浆的浮力。前者与潜水喷发的风险有关，其中热液系统中水压的增加导致喷发。后者会增加岩浆上升的速度，导致岩浆喷发。

在改进惰性气体质谱仪方面需要开发一种新工具，以实时并在现场执行相同的分析，尽快检测到岩浆活动的变化。研究团队试图开发一种便携式质谱仪，用于现场实时监测富马洛尔气体的惰性气体同位素比率。下一步将用这种新仪器建立一个惰性气体分析协议，对所有活火山进行每周7天以及每天24小时的实时监测。

创新关键点

创新搜集火山喷气孔的气体，使用惰性气体质谱仪监测泡沫岩浆气体，根据气体成分预测火山活动。