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能量释放惊天地,激情似火化作山 ——火山知识知多少 精选

已有 6256 次阅读 2022-4-14 13:46 |个人分类:地学科普|系统分类:科研笔记

2021年,新冠疫情传遍了几乎所有国家,给人类社会带来深重灾难。躲藏在地下深处的岩浆好像也借机给人类捣乱,时不时冒浆出来,给疫情火上浇油。据全球火山计划数据库的资料, 2021年,全球得到确认的火山喷发事件有80起, 多于2020年的73起和2019年的74起。2021年12 月初,日本富士山南部30千米的山梨县发生了4.9级地震,在日本引起了一些人的恐慌。1707年12月份的大喷发就是因为之前一场8.4级地震引发的,这是富士山300多年来最大的一次喷发活动,许多人根据火山的活动周期性预测富士山已经到了大喷发阶段。还有许多传言说美国黄石超级火山下的岩浆活动加剧了,如果这个超级火山被唤醒,会给全人类带来灭顶之灾。进入到2022年,似乎有更多的火山开始活动,截至2月底,全球确认的火山喷发事件已经有48起,其中1月15日汤加火山大爆发,更是把火山活动推向了一个高潮,引起了全世界的关注。很多人不禁会问:地球真的进入火山活跃期了吗?我们中国有火山吗?如果有,近期会不会也有火山大爆发?

提到火山,你首先想到了什么?是从火山口喷出的鲜红炽热的岩浆?是直冲天际的火山灰云? 是曾被埋在火山灰下的庞贝古城?还是火山喷发后留下的美丽风景?你是否会觉得奇怪:从来没有听说过中国有火山爆发啊,我们干嘛要了解火山方面的知识?

 什么叫火山?

地下深处,有大量温度很高(650-1400摄氏度)且呈近似液体状态存在的物质,它们主要由硅酸盐熔体构成,具有较大的黏性,称为岩浆。岩浆中除硅酸盐熔体外,还含有一定量的硅酸盐矿物、金属氧化物等,并且经常有少量(<6%)的水和二氧化碳、硫化物、甲烷等挥发成分。在温度和压力变化时,例如遇到岩石中的薄弱部位(比如岩石中的裂隙时),岩浆就会侵入到这些薄弱地带并聚集,形成大的岩浆房。如果岩浆沿着岩石裂隙喷出地表,往往会在喷出口附近形成高地,称为火山。岩浆沿着地壳中的裂隙等薄弱带运移并喷出地表的过程就称为岩浆喷发,也称为火山喷发。陆地上的火山经常成群出现,称为火山群。海洋环境的火山群常呈弧型分布,称为火山弧或火山岛弧(参看汤加火山的科普文章)。

典型的火山通常呈锥状,称为火山锥。火山喷发后,在火山锥的中心往往形成呈向下凹陷的环形坑,坑中积水成湖称为火山口湖。

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中国最大的火山锥——长白山火山天池(中朝边界)

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五大连池的古火山锥

岩浆喷发通常有两种基本形式,其一是岩浆中含有的气体成分很少,岩浆以比较平静的溢流形式喷到地表并快速冷凝,形成的岩石称为熔岩,最常见的熔岩是由玄武质岩浆构成的玄武岩。其二是岩浆中气体含量较高以及岩浆粘度较大,或者因为有适量的水渗透到岩浆中并气化,当这些高温气体积聚到足够大的压力时,气体和岩浆就会快速冲破上覆岩石的阻力,以爆发的形式喷出,这就是常说的火山爆发。火山爆发喷出的物质通常为大小不等的火山碎屑,包括火山弹、火山岩块、火山砾、火山砂、火山灰等,组成物质中常有火山玻璃,它们形成的岩石称为火山碎屑岩。更多的火山兼有溢流和爆发的特点。

火山类型与火山三要素

岩浆从火山口喷出时,因为岩浆的成分、温度、压力和动力条件各有不同,因而岩浆喷发的强烈程度、形成的火山形态等各不相同。这样,就产生了不同的火山分类,也因此造成火山的类型极为繁杂。

根据形态,可以将火山分为盾形火山、锥形火山、复式火山、低平火山等。如果一个火山锥主要由熔岩构成,就称为熔岩锥,熔岩在完全冷凝前, 流动性强,因此熔岩锥的形态通常比较宽缓。坡度特别小的熔岩锥往往形成盾形火山。主要由火山碎屑构成的火山锥称为火山碎屑锥。完全由火山碎屑构成的火山锥稳固性较差,很容易受到外力的侵蚀破坏。

自然界中最常见的火山往往由多次的岩浆喷发才能形成,不同时期的岩浆成分和喷发方式变化很大,因此许多火山是由熔岩层与火山碎屑层相互交替混合构成,形成的火山称为复式火山,这是地球上最常见的火山类型。中国的长白山天池火山、望天鹅火山属于这类火山。意大利的维苏威火山、日本的富士山、菲律宾的马荣火山、印度尼西亚的喀拉喀托火山、美国的圣海伦火山等等也属此类。

根据岩浆上升通道的差异,可以将火山分为裂隙式和中心式喷发两大类。沿着大型的断裂或裂隙呈线状喷发的称为裂隙式喷发,这种方式多为比较宁静的溢出式喷发,容易形成比较平坦的熔岩台地。这类火山在冰岛最为典型,称为冰岛式火山。岩浆沿着裂隙上升,但上涌通道呈管状, 形成中心式喷发。锥形火山多为中心式喷发所形成。有一类比较少见的岩浆通道,是地下的高温岩浆直接把上覆的较薄且较易熔化的岩石熔化而喷出,称为熔透式喷发,我国台湾的基隆火山就属于熔透式喷发。

锥型火山因岩浆的性质和岩浆喷发的强烈程度不同而千差万别。直观上可以依据火山锥体的发育程度、火山喷出物的状态(熔岩、火山碎屑的比例)、火山喷发的强度把现代火山依次分为夏威夷式(Hawaiian)、斯通博利式(Strombolian)、乌尔卡诺式(Vulcanian)、培雷式(Peléan)及维苏威式(Vesuvian)。这几种形式的火山均属于中心式喷发,都是根据典型的火山名称命名的。需要说明的是,在相邻两类喷发之间并不一定有截然的界线,同一个火山喷发可以出现不同的命名。维苏威式火山在现在的文献中更常称为普林尼式(Plinian),这是因为普林尼叔侄是古罗马时代最早记录下维苏威火山爆发的学者。在观察维苏威火山喷发期间,老普林尼被火山喷发夺去了生命,人们以此表示对伟大学者的敬重。

今年1月15日的汤加火山大爆发,是人类有火山记录以来单位时间内喷发强度最大的,按照已有的分类应该属于普林尼式。但因为汤加火山爆发的能量太过强大,多位火山学家建议将其命名为新的类型——汤加洪阿哈阿帕伊式火山。

 

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火山喷发的几种主要方式(注意:实际情况千差万别,往往会有过渡类型。同一座火山,不同时间的喷发可能会有不同的方式

 

很多情况下,岩浆喷出地表并不一定形成火山锥一样的地质体,有时甚至因为岩浆喷发导致地表塌陷而形成负地形,但依然被称为火山。因此,在现代地球科学中,把火山定义为“岩浆穿过地壳、喷出地表形成的具有特殊机构及形态的地质体”(也有人将火山机构称为火山构造,主要指的是与地壳中岩浆库连通的火山通道、火山口和地表喷出物)。受多种因素影响,地表喷出物可以呈现各种形态,甚至完全被破坏,因此,火山口和火山通道就成了判断火山存在的最重要证据。无论哪种类型的火山,一定存在着地下岩浆自下而上运移、喷出的通道,这些通道称为熔岩管道或火山管道。

面对如此纷杂的火山知识,你是否有陷入了云里雾中的感觉呢?其实,只要记住刘嘉麒院士提出的火山活动三要素,就可以较好地了解火山相关的知识了。这三个要素是:有无岩浆及气液流体,岩浆喷发通道的特征和构造环境引发岩浆和气液流体喷发的动力条件

活火山、休眠火山与死火山

根据火山的活动历史,可以把一般的中小型火山分为活火山、休眠火山和死火山。活火山、死火山和休眠火山通常指的是全新世(距今11700年)以来的火山,人们也将其表述为现代火山。正在喷发的火山以及人类历史中有火山活动或者具有喷发能力的火山称为活火山。根据美国地质调查局的统计,地球上的活火山总数为1350座。平均每天大约有20多座火山处于喷发状态。

有过喷发历史、现在没有喷发活动的火山称为休眠火山,它们下面的岩浆活动并没有停止。休眠火山随时可以“苏醒”喷发,因此休眠火山与活火山之间没有严格的界线。中国的长白山就是典型的休眠火山,它上一次大规模喷发是在1199年至1201年,距今已经800多年了。

死火山指的是火山活动很早就停止了,有人类历史记录以来从没有喷发,火山下面的岩浆活动也彻底停止了,将来不可能再喷发的火山或者火山群。

对于死火山的判别要特别谨慎。例如,墨西哥南部的钦乔纳尔火山曾经于1360年喷发过,有人认为它已经死了。然而,它却在1982年3月29日、4月3日和4月4日连续三次剧烈爆发,共喷射出700万吨有毒的二氧化硫气体和2000万吨碎屑物。火山灰遮天蔽日,最高到达20000米,导致全球后续几年的气温下降。强大的火山碎屑流摧毁了以前的火山口,重新形成一个直径1000米,深300米的火山口。火山的海拔高度则由喷发前的1260米降为1060米。火山周围9个村庄被火山摧毁,20000人流离失所,1900人丧生。

在钦乔纳尔火山大规模爆发前的几个星期,当地曾经发生了多次地震,地质学家认为这些地震是火山复活的前兆,可惜的是地质学家的报告并没有被地方当局重视,所以火山突然爆发时,人们束手无策。

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钦乔纳尔火山(2019年2月)

规模巨大的超级火山可以有长达数十万年的活动周期,这样的超级火山在休眠期千万不能简单地以死火山对待。美国黄石公园就位于一座超级火山之上,在距今210万年、130万年和64万年前,这座超级火山有过三次超大规模喷发,目前,其地下岩浆和地震活动仍然频繁,因此,尽管已经有数十万年没有大的喷发,但它不是死火山,有些科学家担心它很可能重新进入了活跃期。

1951年5月27日,新疆阿什库勒火山群中的阿什火山有过一次喷发,成为中国大陆最近的一次火山喷发。《新疆日报》在当年7月5日的报道中写道: “在于田县苏巴什以南,昆仑大坂西沟一带,5月27日上午9时50分发生火山爆发。第一次爆发时只见一个山头上发出轰隆巨响,接着烟灰像一根大圆柱似的自山顶冒出。接着又连续爆发了3次, 每次只隔几分钟,未发出巨响,只有烟灰上冒。以后几天又看到火山冒烟……”。这是新中国成立之后第一次也是唯一一次关于火山喷发的报道。

火山的规模与分布

受岩浆成分、所处的大地构造位置、火山通道、喷发时间等多种因素的影响,火山的规模千差万别。

巨量的熔岩喷发可以形成面积很大的熔岩台地或熔岩高原。白垩纪末期,印度德干高原的西北部发生过大规模玄武质岩浆的溢出式喷发, 形成了面积达40万平方千米的熔岩台地。2.5亿年前,在中国四川峨眉山也曾经有大量玄武质岩浆从裂隙中喷出,形成了著名的峨眉山玄武岩。

世界上许多大型火山为多期岩浆喷发而形成,并且具有多个火山口。有的火山锥周边还会有多个小的火山口,称为寄生火山。

俄罗斯堪察加半岛的克留契夫火山相对高度达4649米(海拔高度4754米),火山口的直径为625米,是亚洲境内最大的活火山,诞生6000多年来,一直处于活动状态,2021年还在喷发。

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地球上最高的火山是位于智利和阿根廷边界的奥霍斯德尔萨拉多火山,它的海拔高度为6893米。

夏威夷群岛的冒纳罗亚火山海拔高度为4205米,然而它的底座位于海平面之下约6000米深的太平洋海底,海床下面还有8000米。即使从大洋底计算,它的高度已经超过10000米【地球杂志上写成了12000米,特此更正】,因此, 冒纳罗亚火山是世界上相对高度最大的山峰。

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2013年,美国科学家威廉姆•萨格尔教授发现了地球上最大的超级单体火山——大塔穆火山。它位于日本以东约1600公里的太平洋中,火山的最高点在海平面之下2000米,火山的基座距离海平面6400米。火山长约650千米,宽约450千米,总面积31万平方千米,相当于我国山西和山东两省的面积的总和。之前,人们想当然地认为这是由多个火山喷发机构组成的复合火山。因为,现今地球上最大的活火山(夏威夷火山)的体积比大塔穆火山要小得多,却由5个独立的火山组成。经过20余年的研究,萨格尔和他的团队用地震反射剖面和大洋钻探获取的岩心数据证明,大塔穆是岩浆经由一个火山口喷发而成的超级单体火山!

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大塔穆超级海下单体火山3维地图

 

     火山活动是地球上最重要和最普遍的地质作用,主要分布在板块的边界,其中,环太平洋板块的边界火山活动最为强烈,被称为环太平洋火圈。火山活动是地球充满活力的象征,刘嘉麒院士称其为地球的灵魂。据刘嘉麒院士的估算,地球上的火山数量可能多达百万座以上,其中大部分位于大洋中。

中国的现代火山主要分布在中国东部的大陆边缘和青藏高原两个大的区域。东部的火山主要位于黑龙江的五大连池和镜泊湖,吉林的长白山、伊通,辽宁的宽甸,内蒙古的哈拉哈、达来诺尔, 山西的大同,山东的蓬莱、昌乐,江苏的六合,安徽的嘉山,福建的明溪,台湾的大屯、基隆,广东的雷州半岛,海南的琼北、云南的腾冲和广西的涠洲岛;青藏高原的现代火山主要包括阿什库勒、大红柳滩、康西瓦、可可西里、狮泉河等。

火山地貌以及与火山相关的地质遗迹

人们常用海枯石烂、沧海桑田等词语表示时间的久远,地球上的地貌景观大多要经过长期且缓慢的地质作用才能形成,经常是以万年、百万年甚至数亿年为计。但是,火山作用却可以在很短的时间内形成新的地貌或者消亡旧的地貌,这是因为火山作用有强大的爆发力,可以在瞬间造就天翻地覆的场面。2022年1月15日汤加火山大爆发为我们提供了一个绝佳的实例。因此,能够保存下来的典型的火山景观都是历经劫难的宝贵遗迹。

中国缺少现代的活火山,但却是一个多火山的国家。原因在于有大量地史时期的古火山。比较常见的有古火山口、熔岩喷发时形成的枕状熔岩、岩浆冷凝时形成的柱状节理,还有外力侵蚀风化形成的火山岩峡谷、长崖、峰丛、石柱、障谷、一线天等。从空间分布上,由火山作用直接形成的各类火山地貌以及经外动力作用改造过的火山地貌景观不计其数,2017年完成的中国地质遗迹调查数据显示,中国有世界级火山遗迹9处,国家级火山地貌遗迹42处,省级火山地质遗迹119处,分布于全国21个省级行政区,其中西藏、黑龙江、浙江、福建、云南、四川、新疆等地的火山地质遗迹最为发育。从时间上看,遍布主要的地质时代。

新生代的火山地貌主要分布在我国东部滨太平洋构造域,北起黑龙江、吉林、河北、山西和河南,南抵广东、广西和海南;西南滇藏构造域有云南和西藏等地。形成时代从新近纪到第四纪,以火山口、火山锥、熔岩隧道、喷气锥、火山渣、柱状节理、绳状熔岩等形态产出,主要地貌景观有熔岩台地、峡谷、火山锥等。

火山资源

除了美丽的自然风景,火山活动还给人类社会带来丰富的矿产资源。岩浆喷发时,岩浆中的气体迅速膨胀扩散,导致火山熔岩中含有大量的气孔,岩石的密度大大降低,有些可以直接漂浮在水面之上而称为浮岩。火山熔岩因其含有大量互不连通的气孔而成为天然的轻体保温石材。火山渣、火山灰都是非常好的建筑材料。另外,许多金属元素在火山作用下富集成矿。岩浆从地壳深部向上, 运移过程中会将深部形成的矿物晶体携带至地表附近形成侵入岩,或喷出地表形成火山岩,最典型的就是刚玉晶体,其可当作红宝石或者蓝宝石。橄榄岩中的橄榄石巨晶本身就可以当作宝石。天然金刚石是地球上硬度最高、可以加工成最璀璨的钻石的原生矿物,虽然目前已经在许多种岩石中发现,但是可以加工成钻石的金刚石矿物只产于特殊的金伯利岩和极少量的钾镁煌斑岩中,这两类岩石均是火山岩。

与火山相关的地热、温泉等已经成为越来越重要的能源。世界上因火山而闻名的国家有很多,例如日本、冰岛、印度尼西亚、美国等。中国也有许多火山相关的地热资源,典型的实例有西藏、云南、台湾、黑龙江、内蒙古、吉林等省区。

地球是否进入了火山活跃期

根据全球火山计划数据库的资料统计,最近200年来的火山活动强度都在比较平均的水平范围内,还不能得出地球已经进入了火山活跃期的结论。这个统计结果是针对全球的,但就某一特定区域来讲,有些地方火山活动在增加,有些地方火山活动可能在减弱,这都是比较正常的现象。科学家们为守护全人类的平安,一直在监测着全球的火山活动,包括日本的富士山、美国的黄石火山以及中国的长白山。

本文已在《地球》杂志发表,本博文内容略有补充。

 

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河北张家口橄榄岩

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五大连池,火山熔岩

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香港 流纹岩柱状节理

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香港 流纹岩柱状节理

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镜泊湖世界地质公园熔岩塌陷形成的瀑布

镜泊湖世界地质公园中的熔岩熔岩隧道

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本文已经在《地球》杂志发表。



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