地球/6c. 地球的火山：當地球爆炸時！
作為岩石圈擴張點，中洋脊是新的地殼形成的離散邊界。在漫長的地質時間內，這些新的洋底地殼推動著大陸分離。如果新的地殼是由這些中洋脊形成的，那麼一定存在其他地方，地殼在那裡被同等程度地破壞或回收進地球內部。雖然，在 1900 年代早期，一些瘋狂的理論提出地球隨著時間的推移而膨脹，不斷變大，但地震和火山發生位置的地圖揭示了其他地方，地球的地殼似乎被一個被稱為俯衝的過程所破壞。俯衝是指岩石圈板塊向下運動進入更深層的熔融軟流層，而岩石圈板塊的這種向下運動是由一個岩石圈板塊覆蓋另一個向下俯衝的岩石圈板塊所引起的。俯衝最初是由太平洋兩岸的兩名科學家發現的，他們仔細聆聽地球內部深處傳來的聲音。
鋼琴透過敲擊不同長度的琴絃來產生聲音。每根琴絃都會產生一個特定頻率的聲音，該聲音會以匹配的頻率傳遞到氣體粒子中。這些聲波在耳朵中被聽到，因為氣體粒子隨著振動耳膜的運動波紋起舞。地質學家休戈·貝尼奧夫像聽音樂一樣傾聽地球：傾聽來自地球深處的振動，並在三維空間中繪製這些振動。聲波隨距離變化，在傳播過程中會損失能量。低頻聲波傳播得比高頻聲波更遠，透過傾聽地球，貝尼奧夫可以繪製出地球內部深處聲音起源的位置。在某些區域，這些聲音的起源非常深，延伸到地球表層以下，到達近 670 公里的深度。貝尼奧夫在 1940 年代確定了紐西蘭北部、湯加群島下方南太平洋的一個深度地震產生聲音的區域。
獨立地，一位名叫和田清夫的日本研究員也在傾聽地球發出的聲音，他也發現了太平洋深處超深地震的區域，這一次是在他位於日本的家中附近。如今，這些區域被稱為瓦達蒂-貝尼奧夫帶，它們標誌著地殼被一層岩石圈板塊俯衝到另一層岩石圈板塊下方而被破壞的區域。當這兩層巨大的脆性岩石相互摩擦時，來自這些深層地震的振動會從這些地下瓦達蒂-貝尼奧夫帶中輻射出去。繪製地震深度的圖可以標出兩塊岩石圈地殼板塊之間的邊界，因為一塊板塊俯衝到另一塊板塊下方。這些區域表現出最危險的地震和爆炸性火山。在太平洋，這條地震和火山的環帶被稱為火環！
俯衝是指冷的脆性岩石圈在另一層厚厚的岩石圈下方下沉。這個過程使向下俯衝的岩石圈板塊經受極度高溫和高壓。向下運動的板塊融化成熔融岩漿，而熔融岩漿密度較小，會上升，形成一個容易發生大規模地震和巨型爆炸性火山的區域。這種現象在北美西北海岸沿線有所體現，那裡是一系列大型火山，包括著名的聖海倫斯山，聳立在喀斯喀特山脈之上。
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1980 年 5 月 17 日，四名科學家站在營地邊緣，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型岩石圈板塊，它起源於西北太平洋海岸外海洋中洋脊的離散板塊邊界。該板塊的運動方向為東，它在俯衝帶中俯衝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，山峰覆蓋著積雪。它們共同構成了喀斯喀特山脈。其中最美麗的山峰之一是聖海倫斯山，它曾經被稱為美國的富士山，因為它的形狀曾經對稱。1980 年，這座山是一座休眠火山，最後一次噴發是在近 150 年前的 1842 年，儘管最後一次大規模噴發是在 1482 年左右。
大衛·約翰斯頓對火山噴發的火山氣體很感興趣，他希望能從遙遠的營地監控火山噴發，那裡可以欣賞到火山衝向天空的壯麗景色。營地裡還有兩位年輕的女科學家，明迪·布魯格曼和卡羅琳·德萊傑，她們開車到附近的營地過夜。明迪·布魯格曼設計了一種雷射測距儀，可以測量距離。雷射測距儀被安裝在營地山脊上，那裡可以無遮擋地看到六英里外的火山，並收集資料，以確定火山邊緣的距離，因為火山邊緣似乎在向上隆起。她們來這裡是為了研究火山的運動，並在資料收集方面提供幫助。她們打算在約翰斯頓的拖車附近紮營。
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。在那一天，1980年，美國地質調查局 (USGS) 在1972年安裝的地震儀探測到了一系列地震，這些地震表明火山可能很快噴發。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。直升機把他送到火山上的偏遠巖架上。從這些下降點，他迅速攀爬危險的斜坡，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，噴發奇怪地停止了。火山似乎恢復了休眠狀態。在名為冷水二號的營地，明迪·布魯格曼的雷射測距儀表明，這座山實際上在向上和向外隆起，因為地下開始積聚氣體。雷射反射在唐·斯旺森放置在山坡上的鏡子上。令人驚訝的是，根據他們遠端雷射測量，這座山每天都在增長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。營地是一個理想的地方，可以觀察這座山，並觀察地質過程的演變。這四位年輕的科學家都是訓練有素的地質學家，但他們很年輕，因此願意冒著生命危險，只為欣賞一生一次的火山噴發。大衛·約翰斯頓比其他人更瞭解他們所處的危險。他認為，火山氣體在上升的穹頂下方積聚，最近沒有發生蒸汽噴發，這預示著山體下方存在一顆定時炸彈。蒸汽噴發是指火山噴發期間，火山氣體和熱蒸汽從火山中爆炸性噴出的現象，這些爆炸性噴發會產生大量的灰燼和火山碎屑岩，將它們噴射到火山上空的空中。它們非常危險。
是什麼讓火山具有爆炸性？
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火山可以根據其二氧化矽 (SiO2) 含量來分類。矽 (Si) 和氧 (O) 都是親石元素，在大陸岩石中很常見，在地球的地殼和岩石圈中也很常見。二氧化矽與玻璃中的分子相同，與玻璃一樣，固體 SiO2 在地球表面的壓力和溫度下會碎裂成小塊。如果你曾經打破過玻璃碗或在廚房裡被一塊鋒利的玻璃割傷，你就會意識到二氧化矽的脆性。在俯衝板塊上方的地殼中，二氧化矽含量較高，這在很大程度上是由於其熔點和與水 (H2O) 的相互作用。當 H2O 和 SiO2 一起俯衝時，來自上覆海洋的水會填充岩石中的孔隙，並隨著深度增加而過熱成蒸汽。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，從而在比沒有水的情況下更低的溫度下形成熔融液體和岩漿庫。岩漿在上升時也會由於壓力的降低而融化，當物質向上穿過地殼時會越過熔點。含有大量二氧化矽的岩漿被稱為流紋岩漿。流紋岩漿是火山中最具爆炸性的岩漿型別。與之相反的岩漿型別是玄武岩漿，它含有較少的二氧化矽，因此粘度較低；這種型別的岩漿通常會以緩慢流動的熔岩的形式從火山中流出。熔岩是已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。玄武岩漿中的二氧化矽含量低，因此爆炸性較小，但當熔岩以熔岩的形式遇到建築物和道路時，會導致重大損害，它會燃燒它遇到的所有東西；木製房屋、鋼鐵汽車和混凝土建築。
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。它們主要是在大陸地殼中形成石英；它是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，以確定火山的爆炸性。岩石中二氧化矽含量在50%或以下的火山被稱為玄武岩火山。玄武岩火山是爆炸性最小的火山，包括許多從富含玄武岩的海底地殼中噴發的火山。像夏威夷火山這樣的玄武岩火山會產生流動的熔岩。熔岩是地表上的液態熔融岩石，而岩漿是用來指埋在地下的液態熔融岩石的術語。兩者都非常熱，溫度在800°到2000°攝氏度之間（大多數在1000°到1200°攝氏度之間）。光滑的流動熔岩會冷卻形成繩狀熔岩。繩狀熔岩是玄武岩岩石，由於低粘度熔融熔岩，它們會形成光滑的起伏或繩狀塊體。塊狀熔岩（讀作啊-啊）是玄武岩岩石，由於高粘度熔融熔岩，它們會形成非常粗糙和崎嶇的易碎塊體。
含有大量二氧化矽和水的爆炸性火山會在噴發期間產生大量的火山灰。這是由於這些型別的火山在噴發期間釋放的火山氣體增加造成的。火山碎屑是指從火山中噴出的熔融岩石和岩漿，通常被地下火山氣體的積累推入空中。火山灰是指在火山附近積累的厚厚的火山碎屑物沉積物。火山灰由噴射到空中的細小的火山碎屑顆粒組成，由於它們尺寸很小，可以被風吹到很遠的地方。2010年冰島埃亞菲亞德拉冰蓋火山和2011年冰島格里姆火山噴發都產生了大量的火山灰，導致歐洲取消了數千次航班。如此大規模的火山灰噴發會導致全球溫度略微下降，例如1815年坦博拉火山、1883年喀拉喀托火山和1991年皮納圖博火山的大規模噴發，都在太平洋東南部。這些大規模噴發導致了大量的 CO2 和 SO2 的釋放，但天空變暗是由於大量火山灰的釋放造成的，這些火山灰使照射到地球表面的陽光減少，從而使地球溫度暫時下降了約1攝氏度。
火山型別
[edit | edit source]火山是指地球上任何熔融物質從其噴發的地理特徵。包括海底山脊的海底火山，以及在地表噴發的火山。火山也可以位於南極洲的冰蓋下，導致深處的冰川融化。火山根據其大小和形狀進行分類。
成層火山
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成層火山是指具有陡峭圓錐形山體的火山，由火山灰或熔岩層組成，是典型的火山形狀，頂部有一個圓形火山口。這些火山由向上移動的岩漿儲備支撐，熔岩從火山口流出，或火山碎屑岩從高火山口噴出。日本的富士山和聖海倫斯山是這種典型火山型別的例子。
盾狀火山
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盾狀火山是更大的、形狀寬闊的火山，形成一個寬闊的穹頂狀地形。它們是由冷卻的熔岩流的逐步堆積形成的，而不是由火山碎屑岩的噴射形成的，因此往往坡度較小。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
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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。火山渣錐的例子是位於亞利桑那州弗拉格斯塔夫北部的屎罐（有時也被稱為 SP 火山）。它們往往比較小，並且經常與其他更大的火山密切相關。它們可以由裂隙噴發形成，裂隙噴發是指火山場內開裂形成噴口。
破火山口火山是活動火山中最大的，其直徑可達數公里，佔地面積巨大。它們形成巨大的岩漿房，這些岩漿房太大，以至於無法得到火山岩體的支撐，最終會塌陷，形成中心坑，並隨著水的注入而形成湖泊。由於規模較大，破火山口火山噴發威力最大，破壞性也最強，其影響範圍可以延伸到離中心很遠的地方。儘管噴發頻率較低，但歷史上曾經發生過多次這種超級噴發。黃石國家公園就是一個破火山口火山的例子，它坐落在一個超級火山之上，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，它們會向周圍地勢低窪地區噴出大量的熔岩流，覆蓋範圍非常廣。這些火山噴發時會形成廣泛的玄武岩層，為我們留下了溢流玄武岩火山的證據。哥倫比亞河溢流玄武岩就是一個典型的例子，厚厚的熔岩層覆蓋了俄勒岡州的大片區域。
大型岩漿區（LIPs）是規模巨大的火山噴發，會導致大規模熔岩噴發，岩漿會沿著延伸的岩脈和岩床流動。岩脈是垂直的岩漿房，而岩床是水平的岩漿房。大型岩漿區覆蓋了地球上大片區域（數千公里），通常與生物大滅絕有關。這些噴發形成了印度的德干地盾和俄羅斯的西伯利亞地盾。之所以稱為“地盾”，是因為它們留下的玄武岩地貌十分陡峭複雜。
大多數火山都位於俯衝板塊地區，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帶，這些裂谷帶是地殼上覆板塊被拉伸變薄的地方（有時會被拉開並斷裂成正斷層），這使得地殼下方薄弱區域的熔融岩漿能夠向上流動，而另一些火山則與熱點有關。
**熱點**是一種地質上引人注目的特徵，據信是由軟流圈深處的淺層岩漿對流向上湧動，甚至是由地幔深處更深層的熱量向上湧動引起的。這種額外的熱量導致上方的岩石圈板塊融化。就像一根蠟燭放在一塊上面經過的紙張下方一樣，熱點會導致一系列被灼熱的火山，從最活躍到休眠到熄滅，因為岩石圈板塊會經過該熱點。夏威夷群島據信是由太平洋上的一個熱點形成的，而黃石國家公園也被認為是熱點穿過北美大陸內部造成的。熱點理論存在爭議，一些地質學家認為它們並非由對流驅動的岩漿地幔柱形成，而是由這些地區岩石圈板塊破裂或斷裂造成的。關於熱點起源的地幔柱與板塊之爭在地質學界仍然十分激烈。
火山對靠近它們的人們構成重大威脅。快速移動的火山碎屑流可以吞噬城市，火山噴氣孔釋放的有毒氣體可以殺死動物和人類，火山灰會造成斜坡失穩和大型滑坡，沖毀村莊，與火山相關的地震會引發海嘯。數千人死於火山爆發。1985年，哥倫比亞的內華多·德·魯伊斯火山噴發，導致大規模火山泥流（稱為“火山泥石流”）沖毀了阿美羅市，造成超過23000人死亡。1982年墨西哥的埃爾奇瓊火山噴發，火山灰覆蓋了大片區域，導致當地農業遭受重大損失，並造成居住在火山附近的4000人死亡。密切監測地震儀非常重要，當發生地震時，可以及時預警，以便疏散附近的城鎮和城市。陡峭的火山斜坡上的排水溝也容易發生火山碎屑流，因此不應長期居住在這些地方，因為它們對居住在那裡的人們構成危險。由於火山噴發頻率較低，而且週期往往超過人類的壽命，人們對火山造成的破壞記憶模糊，常常錯誤地認為安全無虞。
大衛·約翰斯頓知道那天晚上他在俯瞰聖海倫斯山的營地裡會面臨危險。他告訴明迪·布魯格曼、卡羅琳·德賴德格和哈里·格利肯，他們應該開車回溫哥華。他們想留下來過夜，但聽到約翰斯頓語氣中的擔憂後，他們決定離開。他們下山開車，只有大衛·約翰斯頓留下來看著星星，等待著山爆發。1980年5月18日上午8:32，晨曦照耀著約翰斯頓的露營拖車，他突然看到面前這座巨大的山開始坍塌。山體側面的隆起部分塌陷，火山灰以側向的方式直射向他的山脊。整個山體一側被向上和向外噴射出來，向他飛去，以秒速跨越了6英里。他伸手去拿對講機，斷斷續續地發出最後一句話：“溫哥華！溫哥華！就是現在！”他生命中的最後時刻被當地無線電業餘愛好者應急服務員傑裡·馬丁觀察到，當時他正在更高處的觀測點露營。他發來了訊息：“各位，我南邊的那輛露營車和汽車被覆蓋了。我也會被擊中。”從此以後，他再也沒有訊息。這次爆炸重塑了地形的形狀，整個山體一側坍塌並被炸向大衛·約翰斯頓所在的山脊。大約300平方英里的土地被徹底摧毀，57人在噴發中喪生，其中包括大衛·約翰斯頓和傑裡·馬丁。三位倖存者，明迪·布魯格曼、卡羅琳·德賴德格和哈里·格利肯開車回到了溫哥華，他們將畢生致力於研究火山，並告誡公眾火山帶來的危險。
地球是一個充滿活力的星球，它正在被以快慢不同的時間尺度運作的過程改造著。地球內部蘊藏著巨大的熱量和壓力，一旦釋放，就會造成災難。
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