編者按：1月12日，菲律賓塔阿爾火山開(kāi)始噴發(fā)，火山灰高達(dá)10至15公里，菲火山地震局稱，塔爾火山的噴發(fā)活動(dòng)加劇，將引發(fā)一系列火山地震?；鹕絿姲l(fā)是怎么形成的？危害有多大？全球范圍內(nèi)都有哪些活火山分布……本文是一詳盡完整的科普之作。

地球的青春痘

如果地球也會(huì)長(zhǎng)青春痘，那就是火山。

它是地球釋放“火氣”的渠道，來(lái)自地球深部的高溫使巖石部分熔融產(chǎn)生巖漿，在壓力的作用下噴出地表，冷卻的巖漿與噴出的碎屑堆積就形成了火山。

▲ 火山系統(tǒng)一般由儲(chǔ)存巖漿的巖漿房、巖漿通道、火山口、物質(zhì)堆成的火山錐（即山體）等構(gòu)成 

火山最令人恐懼的或許是那灼熱通紅的熔巖流，它溫度可高達(dá)1200℃，將流經(jīng)之處吞噬殆盡。熔巖流看起來(lái)十分可怕，但其實(shí)它有粘性，流動(dòng)速度不算太快。

更為可怖的，其實(shí)是噴發(fā)出的火山碎屑與氣體混合成的火山碎屑流。它的速度可達(dá)高速行駛的汽車的10倍，300米/秒，溫度也可達(dá)800℃，夾雜著冰雹般的大小石塊、能鉆入肺泡可致窒息的極細(xì)火山灰，再混入高濃度的二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、甲烷等有毒氣體……置身其中，幾乎沒(méi)有任何生還的可能。

▲ 大量火山灰和含硫火山氣體可以進(jìn)入大氣形成氣溶膠，反射太陽(yáng)光，使地球進(jìn)入“寒冬”。火山灰還會(huì)形成泥漿雨，硫形成酸雨，持續(xù)危害作物生長(zhǎng)，可能引發(fā)饑荒。冰島曾因1783年拉基火山噴發(fā)后的大饑荒人口直接減少1/5 

歷史上，古羅馬名城龐貝就是被火山碎屑所掩埋。公元79年，維蘇威火山噴發(fā)，僅僅18小時(shí)，龐貝古城就被漫天襲來(lái)的超過(guò)100億噸的火山碎屑全部埋沒(méi)，最深處達(dá)到了19米，超過(guò)6層樓的高度。那些狂奔、攀爬、抱頭、蜷縮、甚至還在嬉戲、熟睡的人們，都永遠(yuǎn)被凝固在了生前的姿勢(shì)。

現(xiàn)在，尤其是經(jīng)過(guò)歐洲的一些飛機(jī)航線，經(jīng)常得“繞”著火山飛。直徑小于2毫米的火山灰無(wú)孔不入，它們非常堅(jiān)硬，摩擦損害機(jī)械，還可能帶電，干擾電子儀器；尤其當(dāng)它們被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，在高溫中熔融又結(jié)晶，附著在零件上，極易導(dǎo)致引擎故障，甚至使飛機(jī)就此“癱瘓”在半空中。

▲ 一般而言，距今1萬(wàn)年內(nèi)未噴發(fā)過(guò)的稱為死火山，噴發(fā)過(guò)的稱為活火山，活火山又分兩種，現(xiàn)今經(jīng)?；蛑芷谛試姲l(fā)的為現(xiàn)代活火山，有史以來(lái)曾經(jīng)噴發(fā)但長(zhǎng)期靜止的為休眠火山，可能再次噴發(fā)

NASA認(rèn)為，對(duì)人類而言，超級(jí)火山的爆發(fā)，其實(shí)比任何小行星的撞擊都可怕。目前地球上大約有20座隨時(shí)都可能爆發(fā)的火山，其中最危險(xiǎn)的是美國(guó)黃石公園火山——世界上最大的活火山之一。 

距今210萬(wàn)年前，黃石發(fā)生了史上最大的火山噴發(fā)之一。威力足足超過(guò)8.0級(jí)地震10000倍，火山煙灰沖擊上了10萬(wàn)米的高空，直達(dá)地球極光所在的熱層——廣島投下的“小男孩”原子彈的濃煙只有1萬(wàn)余米，在它面前真只是個(gè)小男孩。

▲ 黃石超級(jí)火山噴發(fā)的高度對(duì)比圖

超過(guò)2000立方千米，足以填滿30個(gè)青海湖的火山灰被噴到了大氣里。這么多的火山灰遮天蔽日，隔絕了陽(yáng)光，熾熱的火山卻讓地球一度進(jìn)入了“寒冬”。英國(guó)科學(xué)家曾用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，黃石火山爆發(fā)可使地球年均氣溫下降10℃，至少持續(xù)6-10年之久。

▲ 此后，黃石火山又在距今130萬(wàn)年和64萬(wàn)年前發(fā)生過(guò)相似等級(jí)的爆發(fā)，形成了現(xiàn)在面積約10000平方千米、厚度約2000米的黃石熔巖高原

今天，這里仍暗流涌動(dòng)，地下被發(fā)現(xiàn)有180萬(wàn)平方千米、接近于墨西哥大的巖漿房，距離地表最近處只有8公里，而且還在不斷膨脹。

如果黃石火山爆發(fā)，方圓1000公里內(nèi)的人幾乎都無(wú)法幸免于難，巨量火山灰在全球擴(kuò)散，更多的人可能因吸入的火山灰導(dǎo)致肺部固化而死亡，由此帶來(lái)的全球降溫，甚至瘟疫和饑荒更是無(wú)法估量。

▲ 現(xiàn)在，地球上有500多座活火山。國(guó)內(nèi)已探明的活火山至少14座，其中長(zhǎng)白山天池是最大、最有噴發(fā)可能的火山

生命的基礎(chǔ)

火山這么可怕，那沒(méi)有火山就好了？

如果把視線放大，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，擁有火山，對(duì)地球來(lái)說(shuō)，反而是一種幸運(yùn)。這還得從46億年前，地球剛形成時(shí)說(shuō)起。 

46億年前的地球，遠(yuǎn)不是現(xiàn)在湛藍(lán)寧?kù)o的模樣。剛剛撞擊形成的地球充滿熱量，表面覆蓋的全是熾熱火紅的巖漿，沒(méi)有大氣也沒(méi)有水，可以說(shuō)就是一個(gè)“大火球”。 

在冰冷的宇宙里，地球逐漸開(kāi)始冷卻，密度大的元素沉去地心，密度小的浮向表面。表面的巖漿冷卻形成一層“外殼”，越向地心溫度則越高，最終形成了由外向內(nèi)的“地殼-地幔-地核”結(jié)構(gòu)。

其中，地幔由固體巖石構(gòu)成，但它具有塑性，也就是可以進(jìn)行“蠕動(dòng)”。其中一層巖石發(fā)生了部分熔融，帶著點(diǎn)兒“液態(tài)”的巖漿，地質(zhì)學(xué)上叫作軟流圈?；鹕絿姲l(fā)的巖漿，主要就來(lái)源于這里。

▲ 地球結(jié)構(gòu)圖。最外是一層薄薄的堅(jiān)硬的巖石地殼，占地球體積1%，中間是塑性、可蠕動(dòng)的地幔，占地球體積83%，地核由液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核構(gòu)成

地核內(nèi)核源源不斷地向外散發(fā)著熱量。由于液態(tài)外核可以流動(dòng)，地幔巖石可以蠕動(dòng)，其中的物質(zhì)受熱都可以上升，這些熱量便在不同圈層間一路“接力”沖上地表，就形成了火山。完成“接力”后，物質(zhì)冷卻下降，回去再受熱上升，這便形成了一圈圈的熱對(duì)流。

液態(tài)外核和地幔中都有這樣的熱對(duì)流。液態(tài)外核里含有許多鐵鎳等導(dǎo)電的金屬物質(zhì)。在熱對(duì)流和地球自轉(zhuǎn)共同作用下，電磁感應(yīng)便形成了地磁場(chǎng)。

       

▲ 地磁場(chǎng)可以保護(hù)地球免受太陽(yáng)風(fēng)暴、強(qiáng)輻射干擾；也可以保護(hù)大氣不被太陽(yáng)風(fēng)吹走

持續(xù)的地幔對(duì)流和火山活動(dòng)，將熱量不斷帶離地核，使導(dǎo)電物質(zhì)得以冷卻下降。這些對(duì)流活動(dòng)速度剛剛好，地球便擁有了穩(wěn)定且強(qiáng)大的地磁場(chǎng)。 

地球的原始大氣主要是氫和氦，但它們質(zhì)量極小，很快就被太陽(yáng)風(fēng)吹走了。是火山，不斷噴發(fā)出大量二氧化碳、水蒸氣、氮、臭氧等，形成了早期大氣。地球引力加上地磁場(chǎng)，便將大氣“鎖”在了地球上。

▲ 早期大氣中的水蒸氣一部分來(lái)源于彗星撞擊帶來(lái)的冰物質(zhì)，一部分就來(lái)源于火山噴發(fā)從地底帶出的氣態(tài)水

當(dāng)?shù)厍蜻M(jìn)一步冷卻，大氣中的水蒸氣變?yōu)橐簯B(tài)降下來(lái)，匯集在低洼處，就形成了原始海洋——水與火看似不容，但這些水有相當(dāng)一部分就來(lái)源于火山。

▲ 碳循環(huán)示意圖

火山噴發(fā)出二氧化碳進(jìn)入大氣，二氧化碳又溶解于雨水中落在地表巖石上，與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出碳元素和礦物質(zhì)。它們隨河流匯入海洋，形成海底的碳酸鹽沉積；隨板塊俯沖與重熔，碳元素回到地幔，再由火山噴發(fā)而出。

這便是地球獨(dú)有的碳循環(huán)，而火山就是其中的一個(gè)恒溫調(diào)節(jié)器。賓夕法尼亞大學(xué)地球物理學(xué)家布拉德·福利說(shuō)，“如果火山?jīng)]有將二氧化碳送回大氣中，地球會(huì)變得非常冰冷，甚至封凍住?！?/p>

現(xiàn)在，大氣里的臭氧，保護(hù)地球免受有害輻射的傷害。適中的大氣則能束縛住適量的太陽(yáng)能，讓地表溫度保持在零度之上，讓水不至于結(jié)冰。

現(xiàn)在還有研究認(rèn)為，在火山的化學(xué)環(huán)境中，無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化成了有機(jī)物；而這，正是生命出現(xiàn)的第一步。

▲ 火山形成的海底熱泉可以提供多種礦物質(zhì)，相比同樣深度的其它海底地區(qū)，這里通常生物更為繁盛，擁有化能合成細(xì)菌、古生菌、巨型管蟲、蛤蜊、節(jié)肢動(dòng)物等多種生物?；芎铣杉?xì)菌維生的方式，不是通過(guò)光合作用，而是氧化深海熱泉噴出的硫化物獲取能量并合成有機(jī)質(zhì)；其它生物依靠它們生活。這種熱泉環(huán)境和原始海洋條件頗為相似

火山塑造了一切

地球表面的巖石圈非常堅(jiān)硬，地幔里的熱對(duì)流則不斷“沖擊”著它，讓地球表面的巖石圈像碎蛋殼一樣被分為許多硬塊。這便是板塊構(gòu)造?，F(xiàn)在，地球是太陽(yáng)系中唯一擁有活動(dòng)構(gòu)造板塊的星球。   

       

 ▲ 地球的構(gòu)造板塊示意圖

地球表面，地幔“馱”著板塊們緩慢移動(dòng)著。所以，板塊與板塊相遇的地方，常會(huì)發(fā)生擠壓、碰撞、俯沖等活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，90%的火山活動(dòng)出現(xiàn)在這里。（也就是上圖的紅線之處）

還有一些火山位于板塊內(nèi)部，來(lái)自2900km深的核幔邊界的熱流直接“沖上”地殼，像柱子一般，被稱為地幔柱，它們形成了熱點(diǎn)火山（也就是上圖的紅點(diǎn)）。 

       

▲ 熱點(diǎn)是地幔柱在地表的區(qū)域，位置相對(duì)固定，而板塊又在其上緩緩移動(dòng)，便拉成了“一大長(zhǎng)串”的鏈狀火山，比如夏威夷群島的火山 

從地幔不斷上涌的巖漿，使得陸地裂開(kāi)，海水涌入裂口，巖漿不斷噴發(fā)，形成增生的洋中脊，這是地球上最廣泛的火山活動(dòng)區(qū)域。

熔巖遇水冷卻后，構(gòu)成了新的海底，不斷擴(kuò)張將兩側(cè)的陸地越推越遠(yuǎn)，海洋也向外生長(zhǎng)。

▲ 海洋的擴(kuò)張示意圖

但當(dāng)海洋擴(kuò)張到一定程度時(shí)，密度更大的海洋地殼，會(huì)在與密度更小的陸地的交接處發(fā)生俯沖，海底物質(zhì)便回歸地幔，海洋開(kāi)始消減，直至完全閉合。

這過(guò)程中，兩側(cè)陸地將發(fā)生碰撞，形成造山帶，地球上最宏偉的喜馬拉雅山脈，就是如此形成?，F(xiàn)在的青藏高原，在幾千萬(wàn)年前還是一片浩瀚的海洋，殘留的海洋，則在高原上留下了大大小小的湖泊。比如一種看法認(rèn)為，青海湖最初就是由還存留在陸地上的海水匯集而成的。

▲ 太平洋雖然是世界最大的海洋，但它正在消亡。太平洋板塊在邊界發(fā)生俯沖，構(gòu)造活躍，形成環(huán)太平洋火山帶，集中了世界上2/3的火山，如同一個(gè)“火環(huán)”     

現(xiàn)在地球上，東非大裂谷可以說(shuō)是海洋生長(zhǎng)的第一階段，它未來(lái)將成為一條洋中脊。而紅海、亞丁灣則是正在生長(zhǎng)的海洋幼年期；大西洋是成年期的海洋，趨于平衡；太平洋的消減大于生長(zhǎng)；地中海已經(jīng)不再生長(zhǎng)，未來(lái)將會(huì)慢慢消亡。

洋中脊火山系統(tǒng)使得海洋生長(zhǎng)，推動(dòng)大陸分離，最終地球變?yōu)榱爽F(xiàn)在的“七大洲五大洋”模樣。板塊分離出現(xiàn)了環(huán)境隔離，再加上不同氣候帶的作用，生命便逐漸分化了現(xiàn)在差異巨大的物種。

▲ 火山地貌示意圖

如今，70%的地球表面都是火山巖，其中海底幾乎全由火山巖組成?；鹕絿姵隽素S富的地形地貌，熔巖冷卻形成高山、高原、丘陵、島嶼……中國(guó)的內(nèi)蒙古高原、峨眉山地區(qū)、潿洲島、澎湖列島等的形成，都與火山有關(guān)。

可以說(shuō)，正是火山，塑造了如今的地球模樣。

“幸運(yùn)”的地球

放眼全宇宙，能像地球這么“幸運(yùn)”的星球可真不太多。

太陽(yáng)系里，星球結(jié)構(gòu)與地球十分相似的水星。體積小，冷卻速度較快，它的地幔外區(qū)已冷卻。在過(guò)去的10億年中，水星的火山噴發(fā)和熔巖流都已停止，沒(méi)有地幔與火山帶走熱量促進(jìn)對(duì)流，水星的磁場(chǎng)已經(jīng)減弱到強(qiáng)度只有地球的1%；加上離太陽(yáng)距離最近，遠(yuǎn)不足以抵擋太陽(yáng)風(fēng)。水星上的大氣已經(jīng)全被吹跑了，上面也沒(méi)有水。

▲ 火星西半球地貌示意圖   

大小是地球的一半、距太陽(yáng)更遠(yuǎn)的火星，冷卻速度更快。曾經(jīng)熔融的地核，可能已經(jīng)固化；內(nèi)部沒(méi)有活動(dòng)的巖漿，也沒(méi)有火山活動(dòng)?；鹦堑拇艌?chǎng)近乎消失，只有地球的1/800。 

火星上曾有降水沖刷的痕跡，說(shuō)明它很可能擁有過(guò)大氣和海洋。但現(xiàn)在已經(jīng)失去了穩(wěn)定的大氣，大氣密度只有地球的1%。因此，許多地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，火星可能就是地球演化的下一階段，換句話說(shuō)，也就是沒(méi)有火山，也沒(méi)有地質(zhì)運(yùn)動(dòng)之后，地球歸于平靜的未來(lái)。

可以說(shuō)，火山活動(dòng)，就是一個(gè)星球具有“生命力”的象征；它就像人類青春發(fā)育期時(shí)，激素分泌旺盛所冒出的“青春痘”。

如果沒(méi)有了火山，那么這顆星球也就沒(méi)了心跳，沒(méi)有了推動(dòng)著一切代謝與重生的力量。不會(huì)有大氣和海洋，更不會(huì)有生命，只能慢慢暴露在宇宙中，歸于沉寂。 

作者：陳正全（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所助理研究員，實(shí)驗(yàn)火山學(xué)方向）、樂(lè)兮、蘇小七   

編輯：蘇小七  

制圖編輯：蘇倩文、劉昊冰、程遠(yuǎn)    

技術(shù)支持：岳官印、魏健  

主要參考資料：

1.中國(guó)國(guó)家地理自然百科《地球》  

2.中國(guó)國(guó)家地理自然百科《海洋》 

3.The Encyclopedia of Volcanoes, Second Edition-Academic Press   

4.維基百科：火山  

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