地球/6c. 地球的火山：當地球轟鳴時！
作為岩石圈擴張點，大洋中脊是形成新地殼的離散板塊邊界。在漫長的地質時期內，洋底上的這部分新地殼將大陸推開。如果這些大洋中脊形成了新的地殼，那麼一定還有其他地方的地殼被等量地破壞或回收到地球內部。儘管 20 世紀初的一些瘋狂理論提出地球隨著時間的推移而膨脹，變得越來越大，但地震和火山發生的地圖揭示了地球地殼似乎被一個稱為俯衝的過程破壞的其他地方。俯衝是指岩石圈板塊向下進入更深熔化的軟流圈的運動，而岩石圈板塊的這種向下運動是由於一個岩石圈板塊覆蓋另一個下沉的岩石圈板塊而導致的碰撞。俯衝現象最早是由兩位科學家在太平洋兩岸透過仔細聆聽來自地球深處的音樂而發現的。
鋼琴透過敲擊不同長度的長弦發出聲音。每根弦都會以特定的頻率發出聲音，從而以匹配的頻率透過氣體粒子傳送振動。當氣體粒子隨著使耳膜振動的運動波紋時，這些聲波就會被耳朵聽到。地質學家雨果·貝尼奧夫就像聽音樂一樣聆聽地球：聆聽來自地球深處的振動，並將其三維地繪製出來。聲波隨距離變化，在傳播過程中能量會損失。低頻聲波比高頻聲波傳播得更遠，透過聆聽地球，貝尼奧夫可以繪製出聲音起源於地球內部深處的區域。在某些區域，這些聲音的起源位於地球內部非常深處，延伸到地表以下近 670 公里的深度。20 世紀 40 年代，貝尼奧夫在南太平洋湯加群島以北的紐西蘭北部地區，確定了一個產生深層地震聲音的區域。
一位名叫和達清夫的日本研究人員也獨立地聆聽地球發出的聲音，並且也發現了太平洋地區超深層地震的區域，這次是在他家附近的日本。如今，這些區域被稱為瓦迪-貝尼奧夫帶，它們標誌著地殼被一層岩石圈在下沉到另一層岩石圈下方時破壞的區域。當這兩層巨大的脆性岩石相互摩擦時，這些深層地震的振動會從地下這些瓦迪-貝尼奧夫帶輻射出來。繪製地震深度圖標誌著兩塊岩石圈地殼板塊之間的邊界，因為其中一塊板塊被俯衝或推到另一塊板塊下方。這些區域表現出最危險的地震和爆發性火山。在太平洋，這個地震和火山的環帶被稱為火環！
俯衝是指冷而脆的岩石圈在下沉到另一層厚厚的岩石圈之下。這一過程使向下俯衝的岩石圈板塊承受極高的熱量和高溫。向下移動的岩層熔化成熔融岩漿，熔融岩漿密度較小，會上升，形成一個容易發生大規模地震和巨大爆發性火山的區域。這在北美西北海岸表現出來，那裡有一連串大型火山，包括著名的聖海倫斯火山，它們聳立在喀斯喀特山脈之上。
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1980 年 5 月 17 日，四位科學家站在營地的邊緣，眺望華盛頓州喀斯喀特山脈中一座活火山的景色。 胡安·德富卡板塊是一個小的岩石圈板塊，它起源於西北太平洋海岸外海域大洋中脊的離散板塊邊界。該板塊向東移動，在那裡它在俯衝帶下沉到北美大陸邊緣下方。在這個區域之上，貝克山、雷尼爾山、胡德山和亞當斯山等大型火山從雲層中探出頭，山峰覆蓋著積雪。它們共同形成了喀斯喀特山脈。這些山脈中最美麗的之一是聖海倫斯火山，由於其曾經對稱的形狀，它經常被稱為美國的富士山。1980 年，這座山是一座休眠火山，上次噴發是在將近 150 年前的 1842 年，儘管最後一次大規模噴發是在很久以前的 1482 年左右。這四位科學家來這裡是為了觀看火山並露營在疏散區的邊緣。 哈里·格利肯是最年輕的成員，只有 22 歲，他是一位熱情的科學愛好者。那些認識他的人形容他社交笨拙，痴迷於火山，他身材瘦削，戴著厚厚的眼鏡，留著粗糙蓬亂的鬍鬚。他在過去的兩個星期裡一直在這個地方露營，正準備前往加利福尼亞大學，他希望在那裡繼續攻讀研究生課程。大衛·約翰斯頓來到營地繼續監測火山，在格利肯即將離開的時候。約翰斯頓 30 歲，在美國地質調查局工作，最初的團隊負責人唐·斯旺森打算留在營地，但他有一個與來訪學生的會議，所以約翰斯頓從溫哥華出發前往山上，繼續對火山進行觀察。
大衛·約翰斯頓對火山噴發出的火山氣體很感興趣，希望從遙遠的營地監測火山噴發，那裡可以欣賞到火山直衝雲霄的美麗景色。營地裡還有兩位年輕的女科學家，明迪·布魯格曼和卡羅琳·德賴格，她們開車到附近的營地過夜。明迪·布魯格曼設計了一種可以測量距離的雷射測距工具。雷射測距工具已安裝在營地的山脊上，可以無遮擋地看到 6 英里外的火山，並收集有關山體邊緣距離的資料，因為它似乎正在向上凸起。她們來這裡是為了研究它的運動，並在資料收集方面提供幫助。她們將在約翰斯頓的拖車附近用帳篷露營。
科學家們的到來是一系列事件的結果，這些事件始於3月15日。在1980年的那天，美國地質調查局（USGS）於1972年安裝的地震儀探測到一系列地震，這些地震表明火山可能很快就會爆發。USGS火山學家大衛·約翰斯頓開始前往這座山，並開始測量溫度和收集空氣樣本。直升機把他運送到火山上的偏遠山脊。從這些下車點，他迅速攀登危險的山坡，進行實驗和資料收集。3月27日，一股火山灰和氣體羽流噴發到空中近7000英尺，但幾周後，噴發卻奇怪地停止了。火山似乎恢復到休眠狀態。在名為冷水二號的營地，明迪·布魯格曼的雷射測量工具表明，隨著氣體開始在地下聚集，這座山實際上正在向上和向外隆起。雷射反射在唐·斯旺森放在山側的鏡子上。令人驚訝的是，根據他們的遠端雷射測量，這座山每天都在長高5到8英尺。那天晚上，天氣異常晴朗。明亮的星星在夜空中閃爍。營地是觀賞火山並觀察地質過程的絕佳地點。這四位年輕的科學家都是訓練有素的地質學家，但他們都很年輕，因此願意冒著生命危險，一睹一生難逢的火山噴發景象。大衛·約翰斯頓比其他人更瞭解他們所處的危險。他認為火山氣體正在上升穹頂下方聚集，而最近沒有發生蒸汽噴發，預示著這座山體下方隱藏著一個定時炸彈。蒸汽噴發是指火山噴發過程中，火山氣體和熱蒸汽從火山口爆發性噴出的現象，這些爆發性噴發會產生大量火山灰和火山碎屑岩，將它們噴射到火山上空的高空中。它們極其危險。
火山可以根據岩漿中二氧化矽（SiO2）的含量來分類。矽（Si）和氧（O）都是親石元素，在大陸岩石以及地球的地殼和岩石圈中很常見。二氧化矽與玻璃中發現的分子相同，像玻璃一樣，固體SiO2在在地球表面的壓力和溫度下會碎成小塊。如果你曾經打碎過玻璃或陶瓷碗，或者在廚房裡被一塊鋒利的玻璃碎片割傷過，你就會意識到二氧化矽的脆性。二氧化矽在地殼上方俯衝板塊中的富集，很大程度上是由於它的熔點以及與水（H2O）的相互作用。隨著H2O和SiO2一起俯衝，來自上覆海洋的水填充岩石中的孔隙空間，並隨著深度增加而被過熱成蒸汽。這種蒸汽或非常熱的水蒸氣有助於降低周圍二氧化矽岩石的熔點，導致在比沒有水的情況下更低的溫度下形成熔融液體和岩漿房。隨著岩漿上升，由於壓力降低，它也會熔化，當物質向上穿過地殼時，超過熔點。主要含有二氧化矽的岩漿稱為流紋岩漿。流紋岩漿是火山中最具爆發性的岩漿型別。相反型別的岩漿是玄武岩漿，它含有較少的二氧化矽，因此往往粘度較低；這種型別的岩漿通常會以緩慢流動的熔岩形式從火山中流出。熔岩是到達地表並從火山或火山噴口流出的熔融液體岩漿，有時速度很快，有時速度很慢。含二氧化矽量低的玄武岩漿，往往爆發性較弱，但當熔岩遇到建築物和道路時，會造成重大損害，以熔融岩石的形式，燃燒它所遇到的一切；木製房屋、鋼製汽車和混凝土建築物。
二氧化矽可以與其他元素反應形成各種稱為矽酸鹽的礦物。這些礦物在大陸地殼中主要是石英；地球表面最常見的礦物之一。火山學家測量火山中二氧化矽的含量，以確定火山爆發的強度。岩石中二氧化矽含量低於或等於50%的火山被稱為玄武岩火山。玄武岩火山是爆發性最弱的火山，包括許多從富含玄武岩的海底地殼中噴發的火山。像夏威夷這樣的玄武岩火山會產生流動的熔岩。熔岩是地表的液體熔融岩石，而岩漿是用於指埋藏在地表以下的液體熔融岩石的術語。兩者都非常熱，溫度在800°到2,000°攝氏度之間（大多數在1,000°到1,200°攝氏度之間）。流動順滑的熔岩會冷卻形成繩狀熔岩。繩狀熔岩是由粘度低的熔融熔岩形成的，形成光滑的波狀或繩狀巖塊。阿阿熔岩（發音為Ah-Ah）是由粘度高的熔融熔岩形成的，形成非常粗糙和崎嶇易碎的巖塊。
含有大量二氧化矽和水的爆發性火山在噴發過程中會產生大量的火山灰。這是由於這些型別的火山在噴發過程中釋放的火山氣體增加造成的。火山碎屑是從火山噴出的熔岩和岩漿，通常被地下火山氣體的積聚拋向空中。火山碎屑岩是指在火山附近積累的厚厚的火山碎屑物質沉積物。火山灰是由噴射到空中的微小火山碎屑顆粒組成，由於它們體積小，可以被風吹到很遠的地方。2010年埃亞菲亞德拉冰蓋火山和2011年格里姆火山噴發，這兩次噴發都在冰島，產生了大量的火山灰，導致歐洲數千次航班取消。如此大規模的火山灰噴發會導致全球輕微降溫，例如1815年的坦博拉火山噴發、1883年的喀拉喀托火山噴發和1991年的皮納圖博火山噴發，這些火山噴發都在東南太平洋地區。這些主要的火山噴發導致了大量CO2和SO2的釋放，但天空變暗是由於釋放了大量的火山灰，這減少了照射到地球表面的陽光，使地球溫度暫時降低了約1攝氏度。
火山是地球上任何熔融物質從其噴發出來的地質特徵。這包括洋底洋中脊沿線的海底火山，以及陸地表面噴發的火山。火山也可能位於南極洲的冰蓋下方，並導致深處的冰川融化。火山根據其大小和形狀進行分類。
層狀火山是具有陡峭圓錐形山體的火山，由火山碎屑岩或熔岩層組成，是經典的火山形狀，頂部有一個圓形火山口。這些火山由向上移動的岩漿儲量支撐，熔岩從火山口流出，或火山碎屑物質從高火山口噴出。日本的富士山和聖海倫斯山是這種經典火山型別的例子。
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盾狀火山是更大、形狀更寬廣的火山，形成廣闊的穹頂形地形。它們是由冷卻的流動熔岩逐漸堆積形成的，而不是由火山碎屑物質噴發形成的，因此往往坡度較緩。夏威夷大島上的莫納羅亞火山是盾狀火山的例子。
火山碎屑錐或火山渣錐是較小的火山，由大量噴出的火山碎屑岩形成，這些火山碎屑岩沿著火山噴口堆積，形成一堆物質。火山碎屑錐的一個例子是位於亞利桑那州弗拉格斯塔夫北部的大便壺（有時被稱為S P火山）。它們往往相當小，並且經常與其他較大的火山密切相關。這些火山可以由裂隙噴發形成，其中火山場內會開啟一個噴口。
破火山口火山是活火山中最大的，包括直徑達數公里的巨大區域。它們形成一個巨大的岩漿房，這個岩漿房如此之大以至於無法得到火山岩頸的支援，最終會下沉，中心火山口在積水後形成湖泊。由於其體型龐大，破火山口火山可能最具爆發力和危險性，因為它們的影響範圍可以從中心延伸到很遠。噴發頻率較低，但在過去有過此類超級噴發的歷史記錄。黃石公園就是一個破火山口火山的例子，它位於這個超級火山的頂部；俄勒岡州的火山口湖是一個較小的破火山口火山。
溢流玄武岩火山是大型火山，會向周圍景觀噴發熔岩流，覆蓋範圍可能非常廣闊。在這些火山噴發過程中形成的廣泛玄武岩層是溢流玄武岩火山的證據。哥倫比亞河溢流玄武岩就是這種火山噴發模式的一個例子，在俄勒岡州的一大片區域，厚厚的熔岩層覆蓋了整個地區。
大型火成岩省（LIPS）是指規模巨大的火山噴發，導致大量熔岩噴發，岩漿穿過廣泛的岩脈和岩床。岩脈是垂直的岩漿房，而岩床是水平的岩漿房。大型火成岩省覆蓋了地球的大片區域（數千公里），並且常常與主要的生物滅絕事件相關聯。這些噴發產生了印度的德干暗色巖和俄羅斯的西伯利亞暗色巖。術語“暗色巖”之所以使用，是因為它們留下的玄武岩地形非常陡峭和複雜。
大多數火山通常位於岩石圈板塊俯衝的區域，但並非所有火山都沿著這些板塊邊界形成。許多火山，尤其是海底火山，都位於洋中脊。其他火山則位於裂谷中，那裡覆蓋的岩石圈板塊被拉伸和變薄（有時會被拉開並斷裂成正斷層），這使得地殼下方這些薄弱區域的熔融岩漿向上運動，而其他火山則與熱點相關。
熱點是一個地質上令人著迷的特徵，據信是由軟流圈深處岩漿的淺層對流向上湧動，甚至來自地球更深層的地幔下部的熱量上升所導致的。這種額外的熱量導致經過其上方的岩石圈板塊熔化。就像在移動的紙張下方放置一支蠟燭一樣，熱點會導致一系列火山，從最活躍到休眠再到熄滅，因為岩石圈板塊經過這個熱點。夏威夷群島據信是由太平洋中存在的熱點形成的，而黃石公園也被認為是熱點經過北美內部的結果。熱點理論存在很大爭議，一些地質學家認為，它們不是由對流驅動的岩漿地幔柱形成的，而是由這些區域的岩石圈板塊破裂或斷裂形成的。關於熱點起源的地幔柱與板塊之爭在地質學領域非常活躍。
火山對居住在其附近的人們構成重大危害。城市可能被快速移動的火山碎屑流吞噬，火山噴口釋放的有毒氣體可能導致動植物死亡，火山灰可能導致邊坡失穩和重大山體滑坡，摧毀村莊，相關的震動可能引發海嘯。由於火山的活躍特性，已有數千人喪生。1985年，哥倫比亞內瓦多德魯伊斯火山噴發，造成超過23000人死亡，當時大規模的火山泥流（稱為火山泥石流）沖毀了阿爾梅羅市。1982年墨西哥奇欽火山噴發，火山灰覆蓋了大片區域，導致當地農業嚴重損失，並造成4000名居住在火山附近的人員死亡。密切監測地震儀對於在發生地震時發出疏散附近城鎮和城市的預警非常重要，因為火山噴發通常緊隨地震之後。陡峭火山的排水溝也容易發生火山碎屑流，由於其對居住在這些危險區域的人們構成的威脅，因此應長期避免在這些地方居住。由於火山噴發頻率低，而且往往比人類壽命更長，因此人們對火山破壞的記憶很短暫，常常會錯誤地產生安全感。
戴維·約翰斯頓知道那天晚上在聖海倫斯火山上方的營地裡，他為自己置於危險之中。他告訴明迪·布魯格曼、卡羅琳·德賴格和哈里·格利肯，他們應該開車返回溫哥華。他們想留下來過夜，但在聽到他讓他們離開時，意識到他語氣中的擔憂。他們驅車下山，只有戴維·約翰斯頓留下來觀賞星空，等待火山噴發。1980年5月18日上午8:32，晨曦照耀在他露營的拖車上，戴維·約翰斯頓突然看到面前巨大的火山開始坍塌。山側的隆起部分坍塌，火山灰向側方直接噴射到他的山脊上。整座山的一側向上和向外噴射，幾秒鐘內就跨越了6英里。他伸手去拿業餘無線電，並斷斷續續地說出了最後的話，“溫哥華！溫哥華！就是這樣！”他生命中的最後時刻被當地業餘無線電民防服務操作員傑裡·馬丁觀察到，傑裡·馬丁在更高的觀測點露營。他發訊息說：“先生們，坐在我南邊的露營車和汽車被覆蓋了。它也會擊中我。”此後便再也沒有他的訊息。隨著整座山側坍塌並向戴維·約翰斯頓露營的山脊爆裂，爆炸改變了地形的結構。大約300平方英里的區域完全被摧毀，57人在火山噴發中喪生，包括戴維·約翰斯頓和傑裡·馬丁。倖存下來的三個人，明迪·布魯格曼、卡羅琳·德賴格和哈里·格利肯，他們已經開車返回溫哥華，他們將終生致力於研究火山，並警告公眾其危險性。
地球是一個充滿活力的星球，它正受到在不同時間尺度上起作用的過程的改造。地球內部蘊藏的巨大熱量和壓力可以釋放出來，並導致災難。
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