地球科学

用宇宙射线探测火山

预测火山爆发仍然是科学家的挑战。解决方案是否来自宇宙辐射产生的介子,从而可以对火山内部进行X射线检查?

和雅克·马丁(Jacques Marteau) 对于科学N°434

位于瓜德罗普岛的火山地块LaSoufrière,是最近(在100,000到200,000年前)形成的。他仍然活跃又危险。它经历了激烈的岩浆活动,其多个穹顶,各种爆炸爆发和部分塌陷证明了这一点。巴黎环球物理研究所的让·克里斯托夫·科莫罗夫斯基(Jean-Christophe Komorowski)和乔治·布登(Georges Boudon)表明,在过去7800年中,此类事件至少发生了八次。自1530年目前的圆顶形成以来,苏弗雷(Soufrière)经历了六次潜水爆发(伴随着巨大的水蒸气流)。上一次事件发生在1976-1977年:是一次流产的岩浆喷发,岩浆在火山下面升了几公里。面对暴力喷发的威胁,有73,000人被撤离并远离家园六个月。从那时起,岩浆偶尔将酸性气体释放到火山的热液系统中。火山的活动逐渐减少,直到1992年再次增加,这可能是由于流体循环的重新组织。

如何预测皮疹?

在可能爆发的不同情况中,人们可能会担心圆顶坍塌,潜水爆发或岩浆上升。像3000年前已经发生的那样,是否有发生圣海伦斯山1980年爆炸式爆炸的风险?可靠,充分地提前预测这些事件以疏散有关人员:这确实是火山学家的圣杯。他们有各种方法来对火山进行听诊,并试图预测这种事件何时发生以及其剧烈程度。此外,他们正在开发新的技术:其中包括宇宙μ子射线照相技术。

该方法由什么组成?这让人想起射线照相 x。它们穿过人体,或多或少地被它们在途中遇到的组织和骨骼吸收,并为我们提供了与这种可变吸收有关的人体内部图像。同样,宇宙射线穿过物质。是否有可能通过这些宇宙射线观察火山的肠子,这些射线或多或少地被它们穿过的物质吸收了?这个想法是由路易斯·阿尔瓦雷斯(Luis Alvarez)(1911-1988)团队在1960年代中期提出的,该团队是1968年诺贝尔物理学奖的获得者:他建议使用宇宙射线听诊哈弗尔(Kafre)大金字塔,并在那里进行搜索女王的卧室。

1912年由起源于奥地利的美国物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)发现,到达地球的宇宙射线由主要宇宙射线产生的“雨水”粒子轰击地球的大气层组成。这些“级联”中产生的粒子有多种类型:电子和光子,尤其是介子。介子是一种基本粒子,具有与电子相同的特性,除了它是不稳定的(其寿命等于2.2微秒)并且其质量约为200倍(206) ,精确到8倍)。介子有时被称为重电子。这些是我们将返回到的μ子,阿尔瓦雷斯团队曾经用它来“看”金字塔的厚壁。

正是在1990年代中期,来自Nanetamine的日本团队想到了使用宇宙μ子对火山进行听诊的想法。从那时起,粒子检测器得到了显着改进,这使多个团队对使用μ子的火山射线照相产生了兴趣。可以访问这些图像将使得有可能跟踪火山的肠蠕动,并例如在任何可见的显现之前检测岩浆的上升或蒸汽囊的出现。

受监视的火山

在这些团队中,小组 透色的 汇集了来自巴黎环球物理研究所,里昂核物理研究所和雷恩地球科学实验室的地球物理学家和粒子物理学家。该小组正在菲律宾,埃特纳火山和西印度群岛的几座火山上进行实验,在那里,对苏弗里耶尔特别感兴趣,该岩一直受到瓜德罗普火山天文台的工作队的不断监测(请参阅下一页的方框) -反对)。正如我们已经提到的,这座火山经历了潜水爆发,也就是说,以蒸汽羽流的形式猛烈驱逐了大量的水。

火山的热能储存在热液储层中-热水袋中。来自岩浆腔的热量输入以及通常用于疏散的出口(如喷气孔和来源)的逐渐阻塞所产生的能量积聚会导致超压,从而引发喷发。能量的储存量和释放速度决定了喷发的强度。这两个参数取决于储能器的体积和火山圆顶的结构。圆顶的改变因酸性极强的热液的循环而加剧,这些热液侵蚀岩石并降低其机械强度。

此外,山顶(1,467米)被茂密的热带森林所包围,最高海拔为1100米,而浮雕使人难以进入。大雨伴随着强烈的阵风,所有这些情况使监视变得困难。因此,宇宙射线断层扫描具有理论上的优势,即无需攀爬火山的肠子即可。有待证明该方法的可行性及其可靠性。

我们已经提到过,在主要的宇宙射线与大气中的原子碰撞时,会在大约十五公里的高度产生μ子。初级粒子是剧烈的天体物理学现象的结果,例如超新星中的恒星爆炸,在此期间它们被加速。迄今为止,检测到的能量最高的能量约为3.2 3 1020电子伏特,也就是说,比气枪的弹药还要多!

当它们进入大气时,这些颗粒会与空气分子发生碰撞。在冲击下,新的颗粒被释放,然后分解。一连串的崩解导致颗粒状的喷淋,称为大气喷淋。一些天文台- HESS纳米比亚的2号实验室或阿根廷的Pierre Auger天文台专门研究这些现象。

在构成大气淋浴的数十亿个粒子中,μ子占百分之五。它们的能量在几十到几千吉电子伏特之间。它们在真空中以接近光速的速度运动,这归功于相对论效应,从而大大延长了它们的表观寿命。这使他们能够穿过大气层到达地面。在所考虑的能量下,介子实质上是通过电离它们所穿过的物质的原子而相互作用的。

愚蠢的...几乎没有什么可以阻止

能量损失大约是恒定的,每厘米越过的水大约有2兆电子伏特。大气层的厚度相当于十米的水,这些介子会损失两个千兆电子伏特才能到达地面。

单子落地时不会停止。它们穿过物质,在那里失去能量的速度比在空气中更快。如果他们的能量足够高并且障碍物不太密集,他们可以直接越过障碍物。如果障碍物的密度过高,则将其停止。在这里,我们发现射线照相的原理 x,并且可以应用于火山内部的X射线(或断层扫描)。我们测量了火山产生的宇宙μ子通量的衰减。衰减随着穿过的材料量或更确切地说是不透明度的增加而增加,也就是说,平均密度乘以火山中路径的长度的乘积。

所描述的原理如何在实践中进行?我们有一个粒子探测器-也被称为望远镜,因为我们观察到宇宙射线-置于火山脚下并记录了μ子的流动(请参阅第48和49页的方框)。苏弗里耶尔使用的望远镜坚固耐用,可抵抗温度变化,对热带雨水和飓风不敏感。它也轻巧易操纵,可通过直升机运输并落在陡峭的斜坡上。两个或三个人可以安装它。液压缸和旋转底座使望远镜的方向可以改变和微调。它由太阳能电池板,风力涡轮机或燃料电池供电。

望远镜配备有以两个垂直系列排列的闪烁杆,以形成构成矩阵的棋盘格。望远镜具有至少三个25平方厘米的256像素的阵列,可以检测来自961个不同方向的μ子。通过调整矩阵之间的距离来调整角度分辨率。

当带电粒子通过棒时,物质被离子化并发射光子,然后返回其初始状态。介子电离损失的能量产生15,000至20,000个紫外线光子。粘贴在闪烁体心脏上的光纤捕获了其中的一些光子,并将它们引导至产生电脉冲的光电倍增器。因此,介子产生光子,光电倍增器将其转换为电子,电信号由根据实验改编的电子系统放大和整形。 歌剧 (致力于研究称为中微子的基本粒子)。用于跟踪每个介子通过的时钟的精度为几十皮秒。中央计算机收集来自不同矩阵的信息,如果是Soufrière,则将其传输到距离火山约十公里的火山观测台。这使得可以实时测量μ子通量,并检测由于地块内部条件变化而引起的可能变化。

介子通量随着不透明度的增加而降低,其衰减的测量值反映了被探测物体内密度的变化。为了模拟火山中密度的变化,我们解决了所谓的反问题,该方法使我们能够从越过火山泥流中推断出火山的不透明性。 Muon通量分析层析成像技术为我们提供了约20米分辨率的密度图像。

如何校准探测器

然而,仍然有几个难题有待解决:如何校准检测器以获得最佳分辨率的图像?如何评估数据记录的最短持续时间?以及如何从记录的介子通量推论出火山的不透明度变化?首先,重要的是估计可观察的μ子的通量,以便调整检测器的配置。

但是,计算越过山脉的μ子通量需要大致了解该物体中密度的分布。为此,我们使用了地质学家随时间积累的知识。当然,火山的解剖细节是未知的,但是苏弗里耶尔的活动已经被追踪了很长时间,它的断层和烟囱已经通过各种方式进行了探索,因此人们有了一个分布的想法。里面的群众。

根据通过其他方法获得的这些数据,可以根据望远镜相对于物体的位置,其方向和配置来估计通量。然后,我们可以针对每个望远镜的视角评估由μ子穿过的岩石厚度。然后将这些厚度转换为不透明性,该特性决定了介子穿过对象而不被吸收所需的最小能量阈值。于是,可检测的μ子的流动对应于到达火山表面并且其能量足以使它们出来的μ子的流动。

苏弗里耶尔X射线

我们观察到了什么?许多迹象证明了火山的当前活动:裂缝,喷气孔,塔里森断层的酸性湖和热液系统改变的区域。我们先后在火山的东,南和西三个地方设置了望远镜。具有多个观点可以验证数据分析。

射线照片显示火山上部的密度非常低的区域。它们与南火山口的活动区(命名为 rf2rs4),并指出存在腔网络(请参见下面的方框)。它们还显示出一个稀疏的区域(rf4)位于圆顶的底部,这可能对应于被热液流体改变的岩石的存在。较高密度的区域(例如 rf1rf5)揭示存在未改变的岩石,特别是圆顶形成过程中安放的安山岩。中等密度区域(rf3)对应于位于热液储层之间的岩石屏障。

我们的射线照片显示出良好的空间分辨率。将它们与使用其他地球物理方法获得的图像进行了比较:不同的图像揭示了火山内部的相似结构。例如,已经通过圆顶进行了电子断层扫描,从而提供了有关表面结构的信息。这种类型的图像对导电流体的存在很敏感,并揭示了热液系统流体循环的通道。但是,该方法的空间分辨率无法达到μ子通量分析层析成像的空间分辨率。

这两张射线照相完成后,望远镜在同一位置上安装了几个月。在此监视过程中,我们记录了通过火山某些区域的μ子通量的增加,在该区域的岩石筛网只有高能的μ子通过。但是,当我们将这些μ子在几天内的通量取平均值时,我们发现它是恒定的。如果我们观察到通量增加,则必然是介质的密度降低了。

实际上,有关区域对应的地方是喷气孔显示了新的活动。因此,由于建筑物内流体循环的重组,研究区域的岩石可能已经缺水。这种观察结果必须通过独立的测量方法加以证实,显示出用μ子层析成像技术来连续监测火山的兴趣。

持续监控

因此,在瓜德罗普岛上的侧翼上安装了望远镜表明,适合热带环境的探测器对火山的肠腔提供了有趣的X射线。该方法可以区分建筑物内的异质性。积累的新数据将有可能设计出更精确的火山演化模型。定期监测该发展情况应揭示不透明的内部变化。地球物理学家和火山学家可以预测火山爆发吗?这当然是我们所希望的。

该实验是在爆炸型火山上进行的,但也适用于喷发型火山,例如埃特纳火山。不论火山的喷发类型如何,它都具有或多或少的致密内部结构,这些内部结构与空腔,喷发柱,块状岩石或粉煤灰和浮石的存在有关……我们已对其进行了强调。 ,在Soufrière使用的望远镜具有许多优势(抗性,易于操作,精确等),并且该方法可以对危险火山(例如蒙特塞拉特的SoufrièreHills)进行远程层析成像。但是,μ子层析成像有一个缺点:并非在所有地方都适用。

它非常适合Soufrière穹顶,该穹顶的直径约为一公里,且坡度陡峭。介子通量足以在一个月内获得一系列可用数据。另一方面,像留尼汪岛的Piton de la Fournaise之类的盾构式火山不太适合,因为它的底部宽几公里,坡度平缓。

结果,μ子通量会因岩石的厚度而大大衰减,并且需要数月甚至数年的时间才能收集数据以区分内部结构。在埃特纳火山(3,300米高空)上进行的体验中,我们不得不将研究范围限制在一个山顶火山口之一,即东南火山口,其尺寸与瓜德罗普岛Soufrière的那些。

μ子断层扫描能否适用于火山以外的物体?是的,只要您可以对齐宇宙μ子,物体和探测器的流动。其他应用也是可能的,最近在辐射防护与核安全研究所的地下实验室中安装了望远镜, irsn位于Tournemire,以描绘画廊上方的岩石。

从Soufrière到监测地下水

该方法可用于表征覆盖地质处置场所的环境或评估矿产资源。在Soufrière上进行的连续测量也显示了观察密度变化的可能性。该方法还可以评估地下水位的大小并监测其波动,或监测二氧化碳的储存地点。这个非常年轻的方法应该找到许多应用!

用宇宙射线探测火山
8页 1.63兆字节

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