给火山做CT

2012年1 1 月的某日， 瓜德罗普岛南部的苏弗里耶尔高地上，一群头戴保护盔， 身着远足登山服，背包鼓鼓囊囊的科学家在同名火山脚下紧张忙碌着。有“老妇人”之称的苏弗里耶尔火山往日云雾缭绕，但是今天，海拔1467米的主峰却难得地一露峥嵘。那里没有山麓上的茂密植被，取而代之的是一派月表般的荒凉景象，到处是被酸腐蚀的深坑，以及颜色怪异、吐着腐蚀性浓烟的喷气口。科学家们今天来此并非为了登顶，而是对他们设计并安放在主峰脚下的神奇仪器进行最后调试：这款μ子望远镜是地球物理学家和粒子物理学家合作研发的成果。是的，这是一台望远镜，用于捕捉穿过火山的宇宙线，以获得火山内部结构图片。通俗点说，就是给整个火山来一次CT扫描。与医用CT机不同的是，科学家用μ子这种宇宙粒子代替了X射线。目前，科学家已用此设备完成了两幅透视图，第三幅正在摄制中。

μ子是宇宙线在2万米的高空与大气中的原子剧烈碰撞后产生，并持续射向地球表面的。它们对生物无害，能够穿越数千米厚的岩层。与物质的接触将削弱它们的能量，因此岩层越厚、密度越高，穿越后μ子的能量就越弱。于是研究人员想到，可以通过比较穿过火山的μ子流和大气μ子流的能量来绘制火山密度图。如同CT扫描仪作业时会围绕人体旋转，研究人员也带着宇宙粒子探测器环绕火山主峰移动，以进行多角度数据采集。首先是每隔90°，然后是每隔60°。他们的最终目的是绘制火山主峰的3D断层影像，以更好地估测火山的爆发风险。如某块区域岩石松动塌陷，封闭岩浆库，导致岩浆库内压力上升，便会造成火山爆发。

苏弗里耶尔火山喜怒无常。它会突然之间勃然大怒，令岩浆一泻而出。没错，苏弗里耶尔火山喷发过，而且还会继续喷发。它上一次在爆裂式爆发中喷吐岩浆还要追溯到1530年，也正是那次剧烈爆发，形成了如今的主峰。最近一次由地下水汽化引起的普林尼式喷发（排放出大量水蒸气、火山灰和气体）则在1976年，当时疏散了7.4万名群众。如今，若是火山再次喷发，波及的人数至少将有9万。

侧坡不稳

原安的列斯群岛和留尼汪岛火山观测站站长、火山学家乔治·布东（Ge o r g e sBoudon）认为：“现在已建立的火山监测系统（测量火山锥变形情况、记录地震波、分析化学气体和温泉等）能提前数月预测到可能发生的火山爆发，从而尽早疏散人群。但是人们现在还无法预测火山爆发的类型。”到底是普林尼式火山爆发， 还是如1902年造成3万人死亡的培雷火山爆发那样，是会喷出大量火成碎屑物的爆裂式火山喷发？亦或是喷发期持续数月，甚至如蒙特塞拉特岛苏弗里耶尔火山那样持续15年之久的火山喷发？火山情况的演变、爆发强度、涉及区域⋯⋯对专家们来说，影响预测精度的不确定因素实在太多。

这一切，使得开发μ子望远镜这样的新型工具显得尤为必要。其实目前已有多种描绘火山内部结构的技术，如地震波成像、电子成像等，但对这些信号的解读仍存在分歧。而μ子望远镜，尽管只作为辅助探测设备，但好处μ子不论穿过怎样的物质都能保持直线轨迹，所以最终得到的图像显示的是所经区域的平均密度。因此，结论更为直接。

目前， 瓜德鲁普的苏弗里耶尔火山还没有显现出任何令人担忧的征兆。空气中一如往常地弥漫着淡淡的硫磺味。为拍摄第三张透视图，科学家正要去挪动监测设备的位置。走在路上，项目负责人、地球物理学家多米尼克·吉贝尔（Dominique Gibert）解释道：“苏弗里耶尔火山下酸性流体对流活跃。这是岩浆气体与地下含水层相遇而造成的，热带降雨使这些含水层水量极为充沛。然而，活跃的热流循环却削弱了岩浆室顶的机械强度。”倘若火山活动卷土重来，便可能造成“侧坡不稳”，引发火山局部塌陷。在过去的1.2万年中，这样的情况已发生了十几次。而现在正在进行的透视成像将更好地对薄弱区域进行定位，确定受损、不稳定部位的规模，从而预测可能会塌陷的区域。在此前获得的第二张透视图中，人们第一次看到了火山锥内部中心区域的空洞结构。“这样一张火山锥内部的完整图像已经是一项巨大成就，尤其对我们提高山体建模的精度大有裨益。”乔治·布东总结道。



令人兴奋的技术

研究人员穿过茂密的植被，终于来到了安置设备的地方。这是一套装配简陋的设施，很难让人联想到尖端仪器。然而事实上，这套电子设备与意大利格兰萨索实验室OPERA项目组科学家用来搜寻中微子的设备如出一辙。那些黄色面板是闪烁体阵列探测器，能够精确地探测到穿过面板的μ子数量及运动轨迹。专为此次任务而设计，这些探测器能够抵御雨水以及苏弗里耶尔火山变幻莫测的气候。参与该项目的法国里昂核物理研究院粒子物理学家雅克·马托（JacquesMarteau）指出：“从粒子物理角度，这次实验并没有任何革命性的突破，我们早在50年前就知道如何捕捉μ子。由于随时都能接收到μ子流，我们用它来校准仪器。但在地球物理学中应用μ子却是彻底的创新。”

如果人们早在50年前就知道如何捕捉μ子，那为何直到今天才将它们应用于地球物理研究？“制造便携节能的电子仪器还是挺费时间的。”多米尼克·吉贝尔解释道。利用μ子的想法最初来自诺贝尔物理学奖获得者路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷茨（Luis WalterAlvarez，1911～1988）和一些日本的地球物理学家。1970年，阿尔瓦雷茨对埃及卡夫拉金字塔进行μ子造影，希望能发现隐藏其中的秘室。但是尝试失败，没能找到任何秘室。后来，日本科学家重新起用这一方法。日本地球物理学家田中宏幸（Hiroyuki Tanaka）介绍道：“2006年我们完成了第一批透视成像。现在，我们正用这项技术监测距东京100千米的浅间火山。”



被田中宏幸和多米尼克·吉贝尔的初步成果所吸引，意大利、法国和美国的一些其他团队也开始对宇宙μ子断层扫描术产生了浓厚的兴趣。苏弗里耶尔火山研究团队已开始输出他们的技术，其中一项优势是可以在距离目标较远的地方操作，从而保证科学家的人身安全，这把他们带向了喷发中的火山。继埃特纳火山研究项目（2010～2012）之后，2013年，他们将对蒙特塞拉特岛的苏弗里耶尔火山进行断层摄影，目的是为了确定其爆发潜力，同时得到地球上最年轻的岩浆室顶的内部图像。此外，曾在2009年年底喷发，导致5万人撤离的菲律宾马荣火山是研究人员的另一个目标，他们将对其岩浆管道和喷发柱进行断层摄影。

然而，μ子望远镜面临的真正挑战在于估测火山爆发柱的浓度。我们还记得冰岛艾雅法拉火山爆发时，气象学家曾为建立火山微粒空气传播模型而着实犯难。当时他们缺少一个关键变量，那就是火山烟雾的实际密度。而μ子望远镜也许能解决这个问题。对苏弗里耶尔火山这样的庞然大物进行断层造影要花上好几个月，但对火山口冒出的烟雾进行探测花不了几个小时，并完成实时数据分析。现在，科学家已准备把此项技术用于矿山勘探、工业灾害研究，甚至考古等领域。宇宙线照相术可谓前景无限。