美国黄石国家公园老忠实间歇泉喷发时的水量、热流以及溶质排放量

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Water volumes, heat flow, and solute discharge from Old Faithful Geyser eruptions, Yellowstone National Park, USA

通过便携式量水槽、高速度视频分析和化学测量等方法，2025年4月对黄石国家公园Old Faithful间歇泉的45次喷发进行了综合观测，计算出平均喷发水量为27.9±9.4立方米，并首次精确测定了其热流量（2.2-2.4兆瓦）和年度化学物质排放量，为地质模型提供关键数据并建立监测基准。

　　

作者名单：Shaul Hurwitz、R. Blaine McCleskey、Maxwell L. Rudolph、Sara Peek、David A. Roth、Melissa Schott-Atkins、Michael Manga、Kiernan F. Folz Donahue、Mara H. Reed、Jefferson D.G. Hungerford

美国地质调查局，加利福尼亚州莫菲特菲尔德

摘要

美国黄石国家公园内的著名老忠实间歇泉因其喷发的相对规律性和令人印象深刻的规模而吸引了大量研究。众多研究包括观测、测量和分析，这些成果为间歇泉喷发模型提供了依据。然而，一些基本参数（如释放的质量和热量）仍然知之甚少。2025年4月，我们使用便携式水槽测量了45次老忠实间歇泉喷发时的水量，并通过测量火洞河中的电导率来估算蒸发水量。我们还利用高速视频进行了流速测量，计算了沿喷发通道蒸发的水量，并通过热力学计算估算了以蒸汽形式释放的水量以及间歇泉的热量输出。计算得出，老忠实间歇泉每次喷发的平均水量为27.9 ± 9.4立方米，且喷发量与前一次喷发间隔时间无显著关联。通过对喷发过程中液态物质的分析，也得出了类似的数值（21–30立方米）。间歇泉的热流量估计为2.2–2.4兆瓦，每年释放的氯化物、氟化物和砷的质量分别为63吨、3.9吨和241千克。间歇泉锥体和喷发通道上的年平均硅沉积量为7吨。本研究为全球其他间歇泉的研究提供了方法论，并为监测老忠实间歇泉的未来活动变化提供了基准。

引言

自然间歇泉非常罕见，全球仅有不到1000座，其中约一半位于美国黄石国家公园（Bryan, 2008）。间歇泉的稀有性反映了其形成所需的特殊条件：充足的水源和热量，以及具有适当裂缝和空腔结构的地下水文系统（Hurwitz和Manga, 2017）。间歇泉的喷发是由上升水流在减压过程中热能转化为动能驱动的。它们为研究火山喷发提供了独特的自然实验室，因为它们在热量和物质通量、喷发动力学以及地震活动等方面与火山有许多相似之处（Kieffer, 1984, Kieffer, 2017）。这促使来自多个学科的科学家研究间歇泉喷发相关的复杂过程、喷发前后的地球物理信号，以及地球上及其他太阳系天体上生命存在的可能性（Hurwitz和Manga, 2017; Hurwitz等人, 2021）。对间歇泉动力学的深入理解可能有助于揭示其他多相间歇过程及其他由局部能量和物质输入引起的自组织、间歇性现象（Kieffer, 1989, Kieffer, 2017）。 黄石国家公园上间歇泉盆地（UGB）内的老忠实间歇泉由Ferdinand V. Hayden命名，他于1871年领导了对怀俄明州西北部的地质调查，最终使黄石成为美国首个国家公园（1872年）。Hayden（1883）写道：“老忠实的喷发非常规律，频率极高，为观测提供了极佳条件。”由于其喷发的规律性，该间歇泉吸引了大量研究。研究内容包括温度和压力测量（Birch和Kennedy, 1972；Hutchinson等人, 1997；Kedar等人, 1998；Van Orstrand, 1924）、喷发过程中的视频观测（Hutchinson等人, 1997）、与喷发周期相关的地震活动分析以及地下结构研究（Cros等人, 2011；Hurwitz和Shelly, 2017；Kedar等人, 1996；Kieffer, 1984；Nicholls和Rinehart, 1967；Rinehart, 1965, 1969；Vandemeulebrouck等人, 2013；Wu等人, 2017, 2019）、喷发间隔的统计分析（Azzalini和Bowman, 1990；Nicholl等人, 1994；Vicari和Van Dorp, 2013）及其对大地震的响应（Hurwitz等人, 2014）、与周围间歇泉的相互作用（Fagan等人, 2022；Marler, 1951；Rojstaczer等人, 2003）、对季节性和年际降水模式的响应（Hurwitz等人, 2008）以及严重干旱的影响（Hurwitz等人, 2020）。研究还记录了至少130年来喷发水的化学成分基本保持不变（Hurwitz等人, 2012a；Price等人, 2024），大部分喷发水在流经深邃高温的631.3 ± 4.3千年的熔岩溪凝灰岩（Matthews等人, 2015）和上覆流纹岩（Paces等人, 2024）后重新充入间歇泉。此外，还有研究揭示了称为“间歇泉蛋”的沉积物的形成（Smith等人, 2018），以及间歇泉锥体上溅水池中多样微生物的繁衍生息（Keller等人, 2023）。基于大量测量数据，科学家们建立了多个关于该间歇泉喷发的物理模型（Fournier, 1969；Geis Jr, 1966；Kieffer, 1989；O'Hara和Esawi, 2013；Rudolph和Sohn, 2017）。 然而，尽管这些参数是喷发系统的基本热学和物理特性，但老忠实间歇泉喷发的水量及其释放的质量和热量仍不明确。定量确定这些参数非常重要，因为它们可以为间歇泉喷发模型提供输入，并有助于更好地检测由地震、气候变化、地下热量变化或基础设施开发引起的变化（Foley等人, 2014；Hurwitz和Lowenstern, 2014）。测量水量具有挑战性，因为喷发水流经多个非常浅的喷出通道（图2），风可能会将水滴带走，部分喷出物还会蒸发或重新渗入间歇泉的硅华沉积物中。以往对喷发量的估计范围从20立方米（Kieffer, 1984）到14–32立方米（Hutchinson等人, 1997）再到38–45立方米（Allen和Day, 1935）不等，但这些研究未详细说明所用方法、水槽数量、测量期间喷发次数及天气情况，因此无法评估这些数值的不确定性及其报告范围。 2025年4月11日至15日期间，我们结合多种方法测量并量化了老忠实间歇泉的喷发水量。由于喷发水流方向受风速影响，我们使用了位于喷口西侧的主喷出通道中的水槽、火洞河中的电导率测量以及高速视频记录进行流速测量。我们通过分析水化学变化来估算喷发通道中的蒸发水量，并通过热力学计算估算蒸汽质量及热量输出，最后计算了间歇泉释放的主要溶质质量。这些结果加深了我们对这个世界最著名间歇泉运作机制的理解，并为监测其活动变化提供了基准。

方法介绍

老忠实间歇泉的水文特征 老忠实间歇泉喷出的水通常根据风向通过六个浅通道中的一个或多个通道流出（图2）。这些通道的深度通常仅比周围的硅华台地稍深，宽度从几厘米到超过1米不等。第3至6号通道将水排入间歇泉喷口以北约170米的火洞河。第1号通道中的南向水流被涵洞引导后与其他通道汇合。

测量方法

为了确定喷发开始时间，我们结合了白天的目视观测（geysertimes.org）和位于第2号通道喷口处的国家公园服务温度记录仪的数据（图2）。根据温度记录仪数据与观测结果的相关性，我们发现温度峰值出现的时间比喷发开始时间滞后三分钟。

用于测量水量的详细方法描述

水槽和河流测量

我们测量了45次喷发的水量，这些喷发的平均间隔时间为93分钟，最短为58分钟，最长为140分钟。我们使用Parshall水槽测量了第1和第2号通道的水量（图4），并通过测量火洞河中的电导率来测量第3至6号通道的水量（图2）。在13次喷发中有12次，我们同时利用压力传感器测量了水槽静水井中的水位。

讨论

黄石高原火山场的热液系统（Christiansen, 2001）包含超过10,000个热力特征，包括喷气孔、泥锅、温泉、热爆炸坑和间歇泉（Hurwitz和Lowenstern, 2014；Lowenstern和Hurwitz, 2008）。特别是老忠实间歇泉吸引了大量研究，这些研究为间歇泉喷发模型提供了重要数据，并为监测其变化奠定了基础。

结论

基于对黄石国家公园老忠实间歇泉45次喷发的水量测量、喷发水的化学分析、喷发流体的视频分析及热力学计算，我们得出以下结论：

• 老忠实间歇泉每次喷发的平均水量为27.9 ± 9.4立方米，这一数据包括通过水槽测量的水量、通过电导率测量的流入相邻火洞河的水量等。

<红it作者贡献声明> Shaul Hurwitz：负责撰写初稿、可视化制作、数据验证、项目管理、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。 R. Blaine McCleskey：负责修订和编辑、可视化制作、数据验证、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。 Maxwell L. Rudolph：负责修订和编辑、可视化制作、数据验证、软件开发、方法论设计、资金筹集、数据分析。 <声明利益冲突> <作者声明：本研究不存在任何与研究相关的利益冲突。> <致谢> 本研究是在研究许可YELL-SCI-08342的支持下进行的。我们感谢黄石资源研究中心的Alison White在后勤方面的支持，感谢Margery Price、Samantha Hilburn和Tara Cross在测量工作上的帮助，以及Rob Runkel、Katie Walton-Day、John Fulton和David Susong在喷发量测量方面的讨论和指导。同时感谢Steve Ingebritsen、Jean Vandemeulebrouck以及两位匿名审稿人的宝贵意见和建议。