书城科普读物探究式科普丛书-地球的怒火:火山
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第1章 谁执彩练当空舞——火山知识篇(1)

第一节什么是火山

我们常常从电视上或者报纸上看见令人不寒而栗的火山喷发的报道,可你是否知道什么是火山呢?

从名称上看,火山似乎是着火的山,因此常常被人理解为“火山”。其实不是,在西方语言中,火山最初叫做“武耳卡”,包含有“山在燃烧”的意思。“武耳卡”是罗马神话中的锻造之神。古代的欧洲人看到意大利东南地中海里的利帕里群岛上的山不时喷火冒烟,以为是有位神仙在地下拉开他的风箱打铁。于是便把这个小岛命名为“武耳卡诺”,后来人们虽然知道这种现象究竟是怎么回事了,但仍把这座火山称为“武耳卡诺”火山,并习惯用它来作为科学中的火山的通称;在英文中写成Volcano;来源于拉丁语Vulcanus,意思是地壳上的一个开口。地质学概念传到中国译成中文时,利用了原有的“火山”一词。

火山虽然叫做“火”山,其实是没有火的。火山喷烟吐火不是山在燃烧,而是一种高热的岩浆从地下涌出来造成的现象。岩浆里包含着许多气体和水分。当它冲出地面的时候,气体和水蒸气大量分离出来,直上高空,剩下来的液态物质熔岩,温度很高,常在1000℃以上,像火一样红。它好像沸腾的铁水,夜间还能映红烟云,辉煌夺目。于是,我们就看到了熊熊的火光腾空而上。

火山不仅没有火,有时还看不见山。火山的“山”是由地下喷出的碎屑和熔岩堆形成的。这些物质散布很广,越靠近喷发口堆得越多,因而常常形成一座中央高、四周低的锥形山峰。这是最具有火山特征的火山。日本的富士山就是这样一座火山。我国大同附近的火山,大体上也看得出圆锥一般的外形。

当岩浆沿着地壳中长长的裂缝溢出时,给我们留下的只是熔岩构成的又宽又平的高地,就看不见山了。当然有一些火山在海底喷发,我们就更看不见山了。

因此,简单地说,火山就是地下深处的高温岩浆及其有关的气体、碎屑从地壳中喷出而形成的,并具有特殊形态和机构的地质体。

第二节火山是怎样形成的

认识火山形成的原因,我们还得从地球的形成和构造说起。我们人类生存的地球,在刚刚形成的时候,原本是一团炽热的大火球。

后来,随着温度的逐渐降低,较沉的物质下沉到中心,形成地核;较轻的物质漂浮到地面,冷却后形成了地壳。其实,大约在45亿年以前,地球的大小就已经和今天相差不多了。但原始的地球上既无大气,又无海洋。在最初的数亿年间,由于原始地球的地壳太薄,再加上小天体的不断撞击,造成地球内溶液不断上涌,地震与火山喷发随处可见。地球内部蕴藏着大量的气泡,在火山喷发过程中从内部升起形成云状的大气。这些云中充满水蒸气,然后又通过降雨落回到地面。降水填满了洼地,注满了沟谷,最后积水形成了原始的海洋。到了距今25亿年至5亿年的元古代,地球上出现了大片相连的陆地,变成了今天这个样子。

今天,我们都知道地球是圆形的。可你是否知道地球的内部构造呢?在日常生活中,我们都吃过很多带核的水果,它们有皮、肉和核。地球内部的结构也就类似于这些有核的水果。科学家根据化学成分的不同,把地球分为四层-地壳、地幔、外地核和内地核。

地球最外圈层,也就是我们脚下踩着的土地称为地壳,是薄薄的坚硬的岩层;当然地壳并不只是包括人类所能看见的土地,还包括了海底海床的那部分土地。地壳在地球上分布的厚度是不均匀的,大陆部分的地壳厚度一般在32千米左右;而海底部分的地壳厚度常常只有5千米至8千米。

而在地球内部,中间的比较柔软、致密的一层则被称为地幔,地壳就漂浮在地幔之上;这里是产生岩浆的地方。

顾名思义,地核就是地球的中心。它们被地幔“包裹”着,包括液态的金属外地核和固态的金属内地核。外地核的温度要比内地核的温度高,所以呈液态状,可以达到6000℃。

表面上地球好像是静止不动的,实际上在地壳下面,地球在不停地运动,火山和地震就是它不断运动导致而成的。甚至可以说,没有火山喷发,地球也不可能形成今天的地貌。

我们知道,地壳大部分是由岩石组成的,上面覆盖着一层薄薄的土壤,这是岩石经过亿万年的雨水侵蚀和风化作用造成的。地壳因为太薄了,所以非常的不稳定,随时都有可能裂开,形成火山喷发。

我们所说的火山一般都是已经诞生了的,但并不能保证世界上永远只有这些火山。随着时间的不断流逝,还有可能诞生新的火山。

1943年,人们就曾在墨西哥目睹了一个新火山的诞生。

那年的2月5日,位于墨西哥首都墨西哥城西约320千米远的帕里库廷村,突然大地震动,紧接着地底下发出了轰隆隆的响声。

以后震动不断发生,虽然不是十分强烈,但有逐渐加强的趋势。当时,有一个叫普里多的农民正在自家的玉米地里干活。他忽然发现他的地里出现了一个不断冒出烟来的小洞。起初,他还以为是枯叶着火,便用铁锹铲了一些土盖上。然而于事无补,烟还是在不断地向外冒。

过了些天,2月20日下午4点左右,普里多正在地旁休息,大地忽然又震动起来,地底下再次发出了轰隆隆的声音。原先冒烟的地方骤然裂开了一条约5厘米~6厘米的裂口,而且越裂越长,大量的浓烟从裂口喷涌而出,还嘶嘶作响,带有难闻的硫磺气味。不多一会儿,裂口附近的树木开始燃烧起来。这时,喷烟的小洞已扩展到直径2米左右。洞里像沸腾了一样,不断翻滚着沙子。除烟外,还有许多灰沙和石块从洞中喷出。第二天早上8点,当普里多再次来到他的地里时,只见地上铺满了大大小小的石块和灰沙,喷口周围堆得更多,已形成了高约10米的小丘。一个星期后,小丘高达100余米。接着,在小丘的北边也出现一条裂缝,炽热的岩浆从裂缝中源源不断地涌出,它就像一条火龙一直流出2千米外才逐渐凝固成岩石。以后这个小山还在不断升高,直至形成了今天我们能看到的真正的火山。

那么,火山究竟是怎样形成的呢?

原来,在地壳之下100千米~150千米处,有一个“液态区”,区内存在着高温、高压下含气体挥发成分的熔融状硅酸盐物质,即岩浆,它一旦从地壳薄弱的地段冲出地表,它的温度和压力便开始下降,岩浆就变成了火山岩。堆积在其周围,慢慢地就形成了火山。

通俗地说,火山就是处于不断变化中的地壳内部喷出的岩浆和碎屑物质堆积成的山体。人们最常见、最熟悉的火山是锥形火山。

它内部的岩浆沿喷气孔流出并凝固成岩石,在火山口顶端留下一圆锥形。当火山再次喷发,第二层火山灰和熔岩沉积在第一层的顶部,如此一层层堆积起来,火山就这样长大了。

然而,最新研究表明,倘若没有板块运动,板块与板块之间的碰撞、俯冲,沉积在地壳下面的岩浆就不会喷出地表。那么,什么是板块运动呢?说起板块运动,就不得不解释一下板块构造学说。

第三节什么是板块构造学说

板块构造学说是在大量海洋地质、地球物理和海底地貌等资料分析的基础上,从大陆漂移、海底扩张学说逐步发展、建立起来的一种新的大地构造理论。它认为岩石圈的构造单元是板块,板块的边界是洋中脊、转换断层、俯冲带和地缝合线。由于地幔的对流,板块在洋中脊分离、扩大,在俯冲带和地缝合线处下冲、消失。

按照板块构造学说,全球被划分为欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印度洋板块和南极板块6大板块(外层地壳中紧挨地幔顶端的坚硬物质层);其间还有一些小板块,如可可板块、智利板块等。所有这些板块都漂浮在具有流动性的地幔软层上。随着软流层的运动,各个板块会发生相应的水平运动。据地质学家估计,大板块每年可以移动1厘米~6厘米距离。

板块构造理论强调的是板块的大规模水平运动。在运动过程中,板块可以产生、生长、消亡,而且这种变化可以定量预测。

不同板块相遇时所产生的相互作用一般有以下四种形式:如果两个板块相互远离,会形成洋中脊或大陆脊,具体取决于两板块相遇地点是在海洋下还是在陆地下。两板块分离时,岩流圈以下的地幔岩石会流入两板块间的真空地带。此时的压力水平不是很高,因而地幔岩石可以熔化,并形成岩浆。如果岩浆从中流出,就会冷却、硬化,并形成新生的地壳。这样,板块分离所产生的缝隙就得以填充。

这种岩浆产生的过程称为扩散中心火山作用。

当两板块相撞时,其中一个板块可能会被挤压到另一个板块下方,从而会沉陷到地幔当中。这一过程称为潜没,一般会形成海沟(一种极深的沟壑,通常在海底)。如果坚硬的岩石圈陷入高温、高压的地幔当中,其自身温度也会升高。很多科学家认为沉陷的岩石圈在这一深度下不会熔化,但高温和高压的环境会使水分(表面水分和水化矿质中的水分)被排出板块,并进入上面的地幔层。在这种楔形结构中,水含量的提高会导致地幔岩石的熔点降低,进而可以熔化为岩浆。这种岩浆的生成方式称为潜没区域火山作用。

如果两板块相撞,而双方都不能潜没到另一方之下,就像两辆汽车在相撞时那样,这时,地壳物质就会发生“褶皱”,继而形成隆起的山峰。这一过程不会产生火山。但这种类型的板块边界将来可能会演变为潜没区域。

还有一些板块在相向移动时,既不会相互挤压也不会相互牵连。这种转型板块边界很少引发火山活动。

岩浆也可以从岩石圈中部以下被推挤到上方,但与生成于板块边界附近的岩浆相比,这种现象不算常见。通常这种板块间火山活动的起因是,某些异常高温的地幔物质形成于地幔中较低位置,而后被推挤到地幔中较高的位置上。地幔物质会呈现出一个羽状形态,宽度约为500千米至1000千米,地幔物质在向上涌动的过程中会产生一个热点,它位于地表某一定点的下方。由于这种地幔物质的热量奇高,它会熔化并在地壳下形成岩浆。热点本身是静止不动的;但如果大陆板块移动时经过这些热点区域时,在岩浆的作用下就会产生一个火山群,成为板块的一部分并随着板块一起移动。但板块下面的热点仍然留在原地。夏威夷火山群就是由这样的热点所产生的,它们的历史至少有7000万年。

在上述几个过程中形成的岩浆,后来又怎么样了呢?我们看到,洋中脊附近生成的岩浆会硬化并形成新的地壳物质,因而形成不了具有喷发能力的陆地火山。大陆脊区域的岩浆有时虽然能够喷射到陆地上,但这种情况并不常见,所以大多数陆地火山是由潜没区域火山作用和热点火山作用产生的。

当固态岩石变为具有流动性的岩石物质时,其密度就会低于周围的固态岩石。由于存在这一密度差,岩浆就会在强大外力的作用下喷涌而上(气球中的氢气在密度更高的气体环境中漂浮而上,石油在密度更高的水环境中喷涌而上,都是这个道理)。在岩浆喷涌而上的过程中,强大的热力会熔化一些岩石,使其掺入到岩浆中,形成岩浆混合物,而岩浆会持续地穿过地壳向上运动,直至来自周围固态岩石向下的压力超过向上的压力。此时,岩浆会聚集在地表下的岩浆囊中。如果岩浆的压力高达某一水平,或是地壳中产生了裂缝,这些熔融态的岩石就会从地表喷出,冷却后形成火山。

板块构造理论很好地阐释了地磁、地震、地热、火山、岩浆活动、变质作用、矿产形成、生物演变、大洋形成、洋底地形、洋底年龄、造山运动等众多地质现象和问题。从地质学发端以来,还没有哪一种综合性理论,能如此简单明了地解释如此众多的事实。板块构造学说的诞生,是地学史上的划时代事件。因为它改变了人们的传统地球观。

第四节火山的形成必须具备哪些条件

一个地方能否形成火山主要在于是否具备以下条件:

1.部分熔融体的形成,必须有较高的地热(自身积累的或外边界条件产生的),或隆起减压过程,或脱水而减低固相线;2.岩浆在地壳中的汇集,或岩浆囊形成的位置与中性浮力面的深度有关,而中性浮力面的深度又与地壳流变学间断面有关;3.岩浆囊中的物理化学过程,主要是结晶体、挥发物与流体的份额间的相互作用,岩浆喷发起着促使或抑制作用。地壳岩浆囊的存在起着拦截、改造从地幔升上的岩浆的作用。它也是形成爆炸式火山喷发的重要条件;4.岩浆囊的存在对岩浆通道的形成有促进作用,而构造活动产生的引力场是形成岩浆通道的主要原因;5.岩浆离开岩浆囊后的上升受到压力梯度与浮力的双重驱动。

火山形成后,就像一个人诞生到了这个世界上,我们就把它想象成一个有生命的物质,从各个方面对它进行分析。譬如它的构造、它的分布情况、它的种类等。