高中地球科學/火山噴發
1980年，聖海倫斯山火山爆發，這是美國曆史上最致命、代價最高的火山噴發之一。這次噴發特別緻命，因為聖海倫斯山是喀斯喀特山脈的一部分，位於俄勒岡州波特蘭和華盛頓州西雅圖之間的繁華地區。這次噴發造成57人死亡，摧毀了250戶房屋，沖毀了47座橋樑。由於噴發產生的巨大爆炸，這座火山的海拔下降了400多米（1300英尺）。如今，聖海倫斯山仍然活躍（圖8.8）。
這座火山現在有一個馬蹄形的火山口，直徑1.5公里（近1英里）。在火山口內，一個新的熔岩穹頂已經形成。這次噴發是如何發生的？為什麼不是所有的火山都像聖海倫斯山那樣爆炸？如果我們知道它要噴發，為什麼會有這麼多人喪生？火山的研究還有很多問題尚未解答。然而，科學家們已經研究火山多年，並正在拼湊出解釋這些強大地質現象的證據。
- 解釋火山如何噴發。
- 描述和比較火山噴發型別。
- 區分不同型別的熔岩，並瞭解岩漿和熔岩的區別。
- 描述預測火山噴發的方法。
所有火山都具有相同的基本特徵。岩漿聚集在岩漿房中，岩漿房可以位於地表以下160公里（100英里）處。當岩石加熱時，它會膨脹，這會產生更大的壓力。結果，岩漿尋找一條出路，向地表推進，並從地球地殼中稱為通風口的裂縫中滲出。最終，它到達地表；當它噴出時，我們稱之為噴發。噴發這個詞也用於其他語境。噴發可以是爆發或爆炸，是一種猛烈而突然的事件，就像人群憤怒爆發一樣。但噴發也可以是某種東西的蔓延，比如你皮膚上的皮疹，逐漸且相對平靜。這兩個定義類似於我們在火山中看到的兩種噴發型別。
每個地質構造都是獨一無二的。它們的組成和結構取決於許多因素，因此不可能有兩個構造完全相同。同樣，每座火山及其噴發都是獨一無二的。然而，我們傾向於看到兩種主要的噴發型別。我們談論噴發是指劇烈爆炸或一種無聲蔓延。這是我們看到的兩種火山噴發型別——爆炸性噴發和非爆炸性噴發。當我們想到火山噴發時，我們通常會想到巨大的火山灰雲噴射到大氣中，然後是厚厚的紅色熔岩河流蜿蜒流下山坡。實際上，這兩種現象很少出現在同一座火山中。火山噴發往往是其中之一。
想象一下二戰末期投放在長崎的原子彈造成的破壞力和力量，那次爆炸造成40000多人死亡。現在想象一下威力比它強10000倍的爆炸。爆炸性火山噴發可以達到這種威力（圖8.9）。當地表下的熱岩漿與水相互作用時，氣體積聚，岩漿壓力不斷上升。這種壓力不斷增大，直到這些溶解的氣體導致它發生巨大的爆炸。
這次巨大的爆炸帶走了岩漿和火山氣體，這些氣體可以噴射到空中幾公里，形成蘑菇雲，類似於核爆炸產生的蘑菇雲（圖8.10）。碎片以極高的速度飛入空中，並在大氣中冷卻形成稱為火山碎屑的固體顆粒。其中一些顆粒可以在大氣中停留數年，這會擾亂天氣模式，影響地球的溫度。其餘的碎片落回地球，在周圍數公里範圍內降落。
有時會發生比第一次更大的二次爆炸。此外，水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫和氯化氫等火山氣體可以形成有毒的、不可見的雲層，在整個大氣層中游蕩。這些氣體會造成酸雨和臭氧破壞等環境問題，實際上會使地球大氣變冷。
在喀斯喀特山脈，聖海倫斯山的爆炸性噴發之前是拉森峰的噴發，拉森峰是加利福尼亞州北部三座喀斯喀特火山之一。1915年5月22日，一次爆炸性噴發將一股火山灰和氣體柱噴射到30000英尺的高空，並引發了一次高速火山碎屑流，熔化了雪，形成了泥石流。拉森峰仍然有地熱活動，可能再次爆炸性噴發。沙斯塔山每600到800年噴發一次。一次噴發很可能會產生巨大的火山碎屑流，也許還會產生泥石流。然而，這座火山也可能像馬紮馬山那樣爆炸，馬紮馬山在1980年的一次噴發中把自己炸燬了，威力比聖海倫斯山強42倍，形成了火山口湖。
第二種型別的火山噴發是非爆炸性或溢流式噴發（圖8.11）。由於不同火山的岩漿成分不同，熔岩的性質也不同。在溢流式噴發中，熔岩流相對平靜，不會從火山中爆炸出來。因此，人們通常在熔岩到達之前有足夠的預警時間，因此非爆炸性噴發致命的可能性要小得多。然而，這並不能阻止它們具有破壞性。即使我們知道熔岩流正在接近，由於熔岩的數量和溫度巨大，幾乎沒有辦法阻止它。
如果沒有火山噴發產生的巨大爆炸和燃燒的熔岩河流，火山就不會那麼有趣。所有火成岩都來自岩漿或熔岩。下次你在火山區附近徒步旅行時，你可以嘗試根據你發現的火成岩型別來識別火山噴發的熔岩型別。
在地球深處，岩漿的形成是火山形成的第一階段。這是因為地表以下的岩石受到重力帶來的巨大壓力。放射性物質的衰變會產生額外的熱量。巨大的熱量和壓力會熔化地表以下的岩石，形成一種類似太妃糖的物質。你可能見過放在陽光下太久的蠟燭。它會變得更軟，更像液體。當分子吸收熱量時，它們會開始彼此滑動，變得更具流動性。岩漿也會發生類似的過程。然而，不同的物質在不同的溫度下熔化。因此，岩石熔化的溫度取決於岩石的具體型別。地球的地殼和地幔由許多物質組成，因此產生岩漿所需的溫度會有所不同。大多數岩漿是在 600°C 到 1300°C 之間形成的（圖 8.13）。
熔化的岩石或岩漿可以在地球下面的岩漿庫中找到。由於岩漿庫在地球表面以下很遠，科學家很難對其進行研究。科學家知道，岩漿庫是在熱量和壓力最大的地方形成的。當構造板塊碰撞並相互摩擦時，就會形成岩漿。這就是太平洋火環是如何形成的。我們還知道，在遠離板塊邊界的地方也有火山，所以我們知道這些地方也存在岩漿庫。岩漿庫可以在存在地幔柱或熱點的地方找到。
這些熱點是如何或為什麼形成的尚不清楚。然而，由於不同的物質在不同的溫度下熔化，岩漿的形成取決於其成分。就像蛋糕的味道取決於你放進去的配料一樣，岩漿和熔岩的行為取決於其成分。某些熔化的岩石以特定的方式起作用。因此，當岩漿變成熔岩時，並非所有熔岩的行為都相同。
岩漿一旦到達地表，就會變成熔岩。考慮一下你可能在你家看到的不同液體——例如蜂蜜和一瓶可樂。你可能會同意這兩種液體在許多方面有所不同。它們的味道不同，顏色不同，其中包含不同的氣體，而且它們的流動方式也不同。事實上，蜂蜜是一種流動阻力很大的液體，而可樂流動起來很輕鬆。蜂蜜的粘度比可樂高；它流動起來很困難（圖 8.14）。可樂的粘度低，因為它很容易流動。不同型別熔岩的主要區別之一就是它們的粘度。
高粘度熔岩是指不太容易流動的熔岩。它往往會留在原地。二氧化矽含量高的熔岩往往粘度更高。由於它流動阻力很大，它會堵塞火山的噴口。壓力越來越大，直到火山最終爆炸。這種熔岩是在爆發式噴發中發現的。它也往往會困住大量的氣體。當氣體釋放時，會使噴發更加猛烈。大多數這種熔岩都被噴射到空中，在那裡它會凝固並變成固體岩石。這種在空中凝固的熔融岩石被稱為火山碎屑物質。在像浮石這樣的火成岩中，固體岩石中的小孔表明岩石還是液體熔岩時氣泡的位置。
低粘度熔岩會沿著山坡滑下或流動。低粘度熔岩不止一種。它們之間的區別在於熔岩的成分不同，以及它們到達地表的位置不同。形成的火成岩型別取決於熔岩的型別。三大類是 aa 熔岩、繩狀熔岩和枕狀熔岩。
aa 熔岩是非爆炸性熔岩中粘度最高的熔岩（圖 8.15）。這種熔岩會形成一層厚而脆的殼，被撕裂成粗糙且參差不齊的碎片。凝固的表面粗糙且尖銳。當熔岩繼續在下面流動時，它可以蔓延到很大的區域。
繩狀熔岩的粘度低於 aa 熔岩，流動性更強。它的表面看起來比粗糙的 aa 熔岩更皺巴巴，更光滑。繩狀熔岩以一系列的葉狀體或圓形區域流動，形成奇怪的扭曲形狀和天然岩石雕塑（圖 8.16）。繩狀熔岩還可以在地下形成熔岩管（圖 8.17）。
枕狀熔岩是在水下火山噴口噴出的熔岩（圖 8.18）。當它在水下噴出時，會非常迅速地冷卻下來，形成粗略的球形岩石，類似於枕頭，更多的熔岩會從這些枕頭中洩漏出來，形成更多的枕頭。枕狀熔岩在水下擴張中心特別常見。
火山噴發可能是毀滅性的，特別是對於靠近火山的人來說。正如氣象學家試圖預測或預報颶風和龍捲風一樣，火山學家也試圖預測火山噴發。雖然預測火山噴發遠非完美，但許多證據可以表明火山即將噴發。其中一些因素難以衡量，這加劇了預測噴發的難度。
預測火山噴發的一個重要因素是火山的歷史。也就是說，我們考慮它上次噴發的時間以及它以前噴發之間的時間跨度。火山分為三個細分——活火山、休眠火山和死火山。活火山是指目前正在噴發或顯示出近期噴發跡象的火山。休眠火山不再顯示活動跡象，但在最近的歷史上曾噴發過（圖 8.19）。最後，死火山是指在最近的歷史上沒有噴發過，而且將來可能不會再噴發的火山。活火山和休眠火山都受到嚴格的監控，因為即使是休眠火山也可能突然顯示出活動跡象。
當火山下面的岩漿向上推擠時，它會震動地面並引發地震。雖然火山附近可能每天都發生地震，但在噴發之前，地震的數量和強度會增加。事實上，即將噴發的火山可能會產生持續的地震，因為地下移動的岩漿會對周圍的岩石造成壓力。為了測量這些地震，科學家使用地震儀來記錄每次地震的持續時間和強度。
所有這些向上推擠的岩漿和氣體會使地面或火山的坡度開始膨脹。有時，地面膨脹會顯示出火山形狀的巨大變化。然而，大多數地表變形都很微妙，只能用傾斜儀來檢測，傾斜儀是一種測量火山坡度角度的儀器。此外，地面膨脹會導致岩石墜落和滑坡的增加。
通常情況下，氣體能夠在岩漿在噴發中到達地表之前從火山中逸出。因此，科學家可以測量火山上或周圍噴口的氣體輸出或氣體排放。可以使用現場儀器或在某些情況下使用衛星從遠處測量氣體，例如二氧化硫 (SO2)、二氧化碳 (CO2)、氯化氫 (HCl) 甚至水蒸氣。計算氣體的數量及其比率有助於預測火山噴發。
如前所述，一些氣體可以使用衛星技術（圖 8.20）進行監測。衛星還可以測量其他因素，例如火山噴發點特別熱點的溫度讀數，或火山表面正在變化的區域。隨著我們技術的不斷進步，科學家能夠更準確、更安全地檢測到變化。
儘管監測方法越來越好，但仍然難以準確預測火山噴發。沒有科學家或政府機構希望被認為是危言聳聽，宣佈將要發生噴發，而實際上並沒有發生。大規模疏散的成本和對社會的干擾，會讓許多人不滿，科學家也會感到尷尬。然而，拯救生命和財產的可能性無疑使火山噴發預測成為一項值得追求的事業。
- 當岩漿因密度小於周圍岩石而上升至地球表面時，就會形成火山。
- 火山噴發可以根據岩漿的粘度分為非爆發性和爆發性。
- 爆發性噴發發生在大陸邊緣，併產生大量噴射到空中的物質。
- 非爆發性噴發主要產生各種熔岩，例如 a'a、 pāhoehoe 和枕狀熔岩。
- 火山可能即將噴發的跡象包括地震、表面隆起、氣體排放以及其他科學家可以監測的變化。
- 火山噴發的兩種基本型別是什麼？
- 幾百年前，龐貝城附近發生了一次火山噴發。考古學家發現了人們互相擁抱的遺骸，被覆蓋一切的火山灰和岩石窒息而死。這種噴發型別是什麼？
- 什麼是火山碎屑物？
- 說出三種低粘度液體和三種高粘度液體。
- 岩漿房和地幔柱有什麼區別？
- 水的沸點是 100°C。為什麼水會使噴發更加猛烈？
- 非爆發性熔岩的三個名稱是什麼？
- 預測火山噴發時考慮了哪些因素？
- 為什麼預測火山很重要？
- 鑑於天文學家距離他們的研究物件很遠，他們可能會尋找哪些證據來確定存在火山的星球的成分？
- 活火山
- 目前正在噴發或即將噴發的火山。
- 休眠火山
- 目前沒有噴發的火山，但曾在有記錄的歷史中噴發過。
- 溢流式噴發
- 相對溫和的、非爆發性的火山噴發。
- 噴發
- 岩漿釋放到地球表面。噴發通常伴隨著氣體的釋放。
- 爆發式噴發
- 火山噴發釋放大量氣體，使岩漿猛烈地噴射到空中。
- 死火山
- 在有記錄的歷史中沒有噴發過的火山，被認為不太可能再次噴發。
- 岩漿房
- 地球內部被固體岩石包圍的區域，包含岩漿。
- 火山碎屑
- 由火山噴發噴射到空中的火山岩碎片組成的岩石。
- 粘度
- 液體的“稠度”或“粘性”。液體越粘稠，流動越困難。
- 您認為科學家會使用什麼型別的證據來判斷古代火山噴發是爆發性的還是非爆發性的？
- 所有的火山都像高聳的山峰那樣，頂部有一個火山口嗎？
- 您認為 A'a 和 Pāhoehoe 這些名稱的起源是什麼？
- 地震並不總是意味著火山即將噴發。關於地震的哪些因素可能表明與火山噴發有關？