火山如何“塑造”一切？

 编者按：1月12日，菲律宾塔阿尔火山开始喷发，火山灰高达10至15公里，菲火山地震局称，塔尔火山的喷发活动加剧，将引发一系列火山地震。火山喷发是怎么形成的？危害有多大？全球范围内都有哪些活火山分布……本文是一详尽完整的科普之作。

地球的青春痘

如果地球也会长青春痘，那就是火山。

它是地球释放“火气”的渠道，来自地球深部的高温使岩石部分熔融产生岩浆，在压力的作用下喷出地表，冷却的岩浆与喷出的碎屑堆积就形成了火山。

▲ 火山系统一般由储存岩浆的岩浆房、岩浆通道、火山口、物质堆成的火山锥（即山体）等构成 

火山最令人恐惧的或许是那灼热通红的熔岩流，它温度可高达1200℃，将流经之处吞噬殆尽。熔岩流看起来十分可怕，但其实它有粘性，流动速度不算太快。

更为可怖的，其实是喷发出的火山碎屑与气体混合成的火山碎屑流。它的速度可达高速行驶的汽车的10倍，300米/秒，温度也可达800℃，夹杂着冰雹般的大小石块、能钻入肺泡可致窒息的极细火山灰，再混入高浓度的二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷等有毒气体……置身其中，几乎没有任何生还的可能。

▲ 大量火山灰和含硫火山气体可以进入大气形成气溶胶，反射太阳光，使地球进入“寒冬”。火山灰还会形成泥浆雨，硫形成酸雨，持续危害作物生长，可能引发饥荒。冰岛曾因1783年拉基火山喷发后的大饥荒人口直接减少1/5 

历史上，古罗马名城庞贝就是被火山碎屑所掩埋。公元79年，维苏威火山喷发，仅仅18小时，庞贝古城就被漫天袭来的超过100亿吨的火山碎屑全部埋没，最深处达到了19米，超过6层楼的高度。那些狂奔、攀爬、抱头、蜷缩、甚至还在嬉戏、熟睡的人们，都永远被凝固在了生前的姿势。

现在，尤其是经过欧洲的一些飞机航线，经常得“绕”着火山飞。直径小于2毫米的火山灰无孔不入，它们非常坚硬，摩擦损害机械，还可能带电，干扰电子仪器；尤其当它们被吸入发动机，在高温中熔融又结晶，附着在零件上，极易导致引擎故障，甚至使飞机就此“瘫痪”在半空中。

▲ 一般而言，距今1万年内未喷发过的称为死火山，喷发过的称为活火山，活火山又分两种，现今经常或周期性喷发的为现代活火山，有史以来曾经喷发但长期静止的为休眠火山，可能再次喷发

NASA认为，对人类而言，超级火山的爆发，其实比任何小行星的撞击都可怕。目前地球上大约有20座随时都可能爆发的火山，其中最危险的是美国黄石公园火山——世界上最大的活火山之一。 

距今210万年前，黄石发生了史上最大的火山喷发之一。威力足足超过8.0级地震10000倍，火山烟灰冲击上了10万米的高空，直达地球极光所在的热层——广岛投下的“小男孩”原子弹的浓烟只有1万余米，在它面前真只是个小男孩。

▲ 黄石超级火山喷发的高度对比图

超过2000立方千米，足以填满30个青海湖的火山灰被喷到了大气里。这么多的火山灰遮天蔽日，隔绝了阳光，炽热的火山却让地球一度进入了“寒冬”。英国科学家曾用计算机进行模拟实验，黄石火山爆发可使地球年均气温下降10℃，至少持续6-10年之久。

▲ 此后，黄石火山又在距今130万年和64万年前发生过相似等级的爆发，形成了现在面积约10000平方千米、厚度约2000米的黄石熔岩高原

今天，这里仍暗流涌动，地下被发现有180万平方千米、接近于墨西哥大的岩浆房，距离地表最近处只有8公里，而且还在不断膨胀。

如果黄石火山爆发，方圆1000公里内的人几乎都无法幸免于难，巨量火山灰在全球扩散，更多的人可能因吸入的火山灰导致肺部固化而死亡，由此带来的全球降温，甚至瘟疫和饥荒更是无法估量。

▲ 现在，地球上有500多座活火山。国内已探明的活火山至少14座，其中长白山天池是最大、最有喷发可能的火山

生命的基础

火山这么可怕，那没有火山就好了？

如果把视线放大，你会发现，拥有火山，对地球来说，反而是一种幸运。这还得从46亿年前，地球刚形成时说起。 

46亿年前的地球，远不是现在湛蓝宁静的模样。刚刚撞击形成的地球充满热量，表面覆盖的全是炽热火红的岩浆，没有大气也没有水，可以说就是一个“大火球”。 

在冰冷的宇宙里，地球逐渐开始冷却，密度大的元素沉去地心，密度小的浮向表面。表面的岩浆冷却形成一层“外壳”，越向地心温度则越高，最终形成了由外向内的“地壳-地幔-地核”结构。

其中，地幔由固体岩石构成，但它具有塑性，也就是可以进行“蠕动”。其中一层岩石发生了部分熔融，带着点儿“液态”的岩浆，地质学上叫作软流圈。火山喷发的岩浆，主要就来源于这里。

▲ 地球结构图。最外是一层薄薄的坚硬的岩石地壳，占地球体积1%，中间是塑性、可蠕动的地幔，占地球体积83%，地核由液态外核和固态内核构成

地核内核源源不断地向外散发着热量。由于液态外核可以流动，地幔岩石可以蠕动，其中的物质受热都可以上升，这些热量便在不同圈层间一路“接力”冲上地表，就形成了火山。完成“接力”后，物质冷却下降，回去再受热上升，这便形成了一圈圈的热对流。

液态外核和地幔中都有这样的热对流。液态外核里含有许多铁镍等导电的金属物质。在热对流和地球自转共同作用下，电磁感应便形成了地磁场。

       

▲ 地磁场可以保护地球免受太阳风暴、强辐射干扰；也可以保护大气不被太阳风吹走

持续的地幔对流和火山活动，将热量不断带离地核，使导电物质得以冷却下降。这些对流活动速度刚刚好，地球便拥有了稳定且强大的地磁场。 

地球的原始大气主要是氢和氦，但它们质量极小，很快就被太阳风吹走了。是火山，不断喷发出大量二氧化碳、水蒸气、氮、臭氧等，形成了早期大气。地球引力加上地磁场，便将大气“锁”在了地球上。

▲ 早期大气中的水蒸气一部分来源于彗星撞击带来的冰物质，一部分就来源于火山喷发从地底带出的气态水

当地球进一步冷却，大气中的水蒸气变为液态降下来，汇集在低洼处，就形成了原始海洋——水与火看似不容，但这些水有相当一部分就来源于火山。

▲ 碳循环示意图

火山喷发出二氧化碳进入大气，二氧化碳又溶解于雨水中落在地表岩石上，与之发生化学反应释放出碳元素和矿物质。它们随河流汇入海洋，形成海底的碳酸盐沉积；随板块俯冲与重熔，碳元素回到地幔，再由火山喷发而出。

这便是地球独有的碳循环，而火山就是其中的一个恒温调节器。宾夕法尼亚大学地球物理学家布拉德·福利说，“如果火山没有将二氧化碳送回大气中，地球会变得非常冰冷，甚至封冻住。”

现在，大气里的臭氧，保护地球免受有害辐射的伤害。适中的大气则能束缚住适量的太阳能，让地表温度保持在零度之上，让水不至于结冰。

现在还有研究认为，在火山的化学环境中，无机物转化成了有机物；而这，正是生命出现的第一步。

▲ 火山形成的海底热泉可以提供多种矿物质，相比同样深度的其它海底地区，这里通常生物更为繁盛，拥有化能合成细菌、古生菌、巨型管虫、蛤蜊、节肢动物等多种生物。化能合成细菌维生的方式，不是通过光合作用，而是氧化深海热泉喷出的硫化物获取能量并合成有机质；其它生物依靠它们生活。这种热泉环境和原始海洋条件颇为相似

火山塑造了一切

地球表面的岩石圈非常坚硬，地幔里的热对流则不断“冲击”着它，让地球表面的岩石圈像碎蛋壳一样被分为许多硬块。这便是板块构造。现在，地球是太阳系中唯一拥有活动构造板块的星球。   

       

 ▲ 地球的构造板块示意图

地球表面，地幔“驮”着板块们缓慢移动着。所以，板块与板块相遇的地方，常会发生挤压、碰撞、俯冲等活跃的构造运动，90%的火山活动出现在这里。（也就是上图的红线之处）

还有一些火山位于板块内部，来自2900km深的核幔边界的热流直接“冲上”地壳，像柱子一般，被称为地幔柱，它们形成了热点火山（也就是上图的红点）。 

       

▲ 热点是地幔柱在地表的区域，位置相对固定，而板块又在其上缓缓移动，便拉成了“一大长串”的链状火山，比如夏威夷群岛的火山 

从地幔不断上涌的岩浆，使得陆地裂开，海水涌入裂口，岩浆不断喷发，形成增生的洋中脊，这是地球上最广泛的火山活动区域。

熔岩遇水冷却后，构成了新的海底，不断扩张将两侧的陆地越推越远，海洋也向外生长。

▲ 海洋的扩张示意图

但当海洋扩张到一定程度时，密度更大的海洋地壳，会在与密度更小的陆地的交接处发生俯冲，海底物质便回归地幔，海洋开始消减，直至完全闭合。

这过程中，两侧陆地将发生碰撞，形成造山带，地球上最宏伟的喜马拉雅山脉，就是如此形成。现在的青藏高原，在几千万年前还是一片浩瀚的海洋，残留的海洋，则在高原上留下了大大小小的湖泊。比如一种看法认为，青海湖最初就是由还存留在陆地上的海水汇集而成的。

▲ 太平洋虽然是世界最大的海洋，但它正在消亡。太平洋板块在边界发生俯冲，构造活跃，形成环太平洋火山带，集中了世界上2/3的火山，如同一个“火环”     

现在地球上，东非大裂谷可以说是海洋生长的第一阶段，它未来将成为一条洋中脊。而红海、亚丁湾则是正在生长的海洋幼年期；大西洋是成年期的海洋，趋于平衡；太平洋的消减大于生长；地中海已经不再生长，未来将会慢慢消亡。

洋中脊火山系统使得海洋生长，推动大陆分离，最终地球变为了现在的“七大洲五大洋”模样。板块分离出现了环境隔离，再加上不同气候带的作用，生命便逐渐分化了现在差异巨大的物种。

▲ 火山地貌示意图

如今，70%的地球表面都是火山岩，其中海底几乎全由火山岩组成。火山喷出了丰富的地形地貌，熔岩冷却形成高山、高原、丘陵、岛屿……中国的内蒙古高原、峨眉山地区、涠洲岛、澎湖列岛等的形成，都与火山有关。

可以说，正是火山，塑造了如今的地球模样。

“幸运”的地球

放眼全宇宙，能像地球这么“幸运”的星球可真不太多。

太阳系里，星球结构与地球十分相似的水星。体积小，冷却速度较快，它的地幔外区已冷却。在过去的10亿年中，水星的火山喷发和熔岩流都已停止，没有地幔与火山带走热量促进对流，水星的磁场已经减弱到强度只有地球的1%；加上离太阳距离最近，远不足以抵挡太阳风。水星上的大气已经全被吹跑了，上面也没有水。

▲ 火星西半球地貌示意图   

大小是地球的一半、距太阳更远的火星，冷却速度更快。曾经熔融的地核，可能已经固化；内部没有活动的岩浆，也没有火山活动。火星的磁场近乎消失，只有地球的1/800。 

火星上曾有降水冲刷的痕迹，说明它很可能拥有过大气和海洋。但现在已经失去了稳定的大气，大气密度只有地球的1%。因此，许多地质学家认为，火星可能就是地球演化的下一阶段，换句话说，也就是没有火山，也没有地质运动之后，地球归于平静的未来。

可以说，火山活动，就是一个星球具有“生命力”的象征；它就像人类青春发育期时，激素分泌旺盛所冒出的“青春痘”。

如果没有了火山，那么这颗星球也就没了心跳，没有了推动着一切代谢与重生的力量。不会有大气和海洋，更不会有生命，只能慢慢暴露在宇宙中，归于沉寂。 

作者：陈正全（中国地震局地质研究所助理研究员，实验火山学方向）、樂兮、苏小七   

编辑：苏小七  

制图编辑：苏倩文、刘昊冰、程远    

技术支持：岳官印、魏健  

主要参考资料：

1.中国国家地理自然百科《地球》  

2.中国国家地理自然百科《海洋》 

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

4.维基百科：火山  

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