火山活动规律

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  地球上哪里有火山?火山为什么会喷发以及如何喷发?为什么它们能够以截然不同的方式喷发?要回答这些问题,必须从数十公里的岩浆源头到地表进行追踪。这一切都始于地壳之下的地幔,地幔的运动是岩浆形成的原因。岩浆比周围的岩石轻,它从源头被挤出并上升到地球表面。岩浆通常积聚在一个储层里,在这里它会冷却、结晶、成分和物理特性发生改变,以至于增加其挥发性元素的浓度。火山这一储层不稳定,最终会释放出岩浆。当岩浆被推到地表时,它会释放气体。根据释放的气体量,火山喷发可以分为液体流或高速携带岩浆碎片的气体喷射的形式。火山物理学已经取得了很大进展,但许多不确定因素仍然限制了专家的预测。

1.火山是如何产生的

  火山由岩浆组成[1],在大多数情况下,岩浆位于地幔[2] 深40多公里处。岩浆由地幔中的岩石融合而成,然后移动到地表,进而建立了一个巨大的管道系统将其带到火山口(图 1)。

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图1.火山系统不同部分的示意图
岩浆的深源主要与地幔的大规模运动有关(这里表示上升气流)。岩浆通过破碎周围的岩石上升到地表。在地表附近,它经常积聚在一个储层中。[来源:作者图](Reservoir 储层;Fracture 裂隙;Source源;Courant de convection对流传播)

  岩浆上升到地表是因为它比周围的岩石。当它遇到密度较小或特别抗变形的地层时,它会停止运动并在储层中积聚。在储层中,岩浆冷却、部分结晶,留下矿物和残余岩浆,

  其成分随结晶过程而变化。这是地球上有多种多样岩浆和喷发机制的原因。储层不稳定并最终断裂,使岩浆上升到地表。正是在这最后一个阶段,火山爆发才得以形成。火山系统的最后一部分是火山本身,它可以上升到几公里的高度,并且可以发生深远的变化。火山可以保持数十万年的活跃度,高度可以上升几公里。例如,西西里埃特纳火山的年龄估计为 50 万年。 地球上最大的火山是夏威夷岛上的莫纳克亚火山,它活跃了近一百万年,但现在已经消失。它的顶峰可高出海床近十公里。

2.火山的来源

  在地核之外,地球基本上是固体,仅在少数特定地方产生岩浆。当它冷却时,地幔被大型对流运动 [3] 以每年几厘米到几十厘米的速度驱动。这些运动有两种不同的形式:与板块运动相关的大区域 [4],负责洋底扩张和大陆漂移,以及局部的、近似圆柱形的向上流,称为羽流或热点 [5]。地幔岩是矿物的组合,不是单一物质。 熔融不会在给定的温度下发生,而是在从标志着液体出现的固相线 [6] 到看到最后一个固体消失的液相线 [7] 的温度范围内发生。 在地球上,它可以以两种截然不同的方式发生。

2.1 减压熔融

  这是最重要的熔融机制,与常识不符,因为它会随着岩石温度的降低而起作用。地幔固相线温度以5°C/km 以上的速度随压力升高。在当前地球状态下,地幔在很深的地方完全是固体,但温度相当高。当岩石上升到地表时,它们的压力会降低,膨胀。假设在绝热条件下,压力的功通过其感能的减少来补偿,因此通过它们的温度以 0.5°C/km 的低速率降低来补偿。在上升流中,温度最终达到固相线,从而引发熔融(图 2)。

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图 2. 标志着熔融开始的地幔岩石的固相线曲线
红色虚线曲线显示了向上运动的岩石的温度变化。在很深的地方,地幔处于高温但低于固相线:它是固体。当它们上升到地表时,地幔岩石穿过固相线边界并部分熔融。[来源:作者图](Temperature 温度; Profondeur 深度; Magma 岩浆; Solidus 固相线; Solide 固体; Liquide 液体)

  这种机制导致了两种类型的火山(图 3)。第一个与对流单元的向上流动有关,这些对流单元通过横穿海底的山脊 [8] 在地表实现。这些火山鲜为人知,因为它们位于海底两公里多的地方,但它们产生了地球上最大数量的熔岩 [9]。第二种类型的火山是最大的,例如夏威夷和留尼汪岛的火山,它们是由地幔柱(也称为热点)形成的。

环境百科全书-土壤-火山与地球内部运动的关系
图 3. 火山与地球内部运动的关系
显示了四种火山类型。最丰富的是与地球地幔中上升或下降的对流有关。 在图的右侧,显示了起源于延伸区域的火山。[来源:作者的图]

2.2 水合熔融

  即使少量的水也会降低固相线温度。停留在地表的岩石在与水圈接触时已水合。它们被拖入俯冲带的冷下沉气流 [10] 并在深处脱水。这样释放出来的水穿透周围的地幔并使其融融,就像冬天道路上用来清除冰的盐一样。与此相关非常著名的火山(图3)如马提尼克岛的佩利火山和日本的富士火山,他们形成了岛弧,如日本和西印度群岛。

2.3 地球上火山的分布

  其他机制也在地球上发挥作用,例如在加厚的大陆地壳内或在延伸带内,但并不对全球范围内的大量岩浆的成因。无论如何,火山活动的最终原因在于数千公里的地球地幔内部运动(图 3),岩浆在上升和下降时产生。火山是全球活动的标志,在人类尺度上可以被认为是永久性的。

3 岩浆的产生

  在陆地条件下,岩石熔融不会完成,岩浆最初是固体基质中的填隙液体。岩浆比其基质轻,由阿基米德推力向上推进[11](图4)。为了从源头提取它,不能将其分散在相互隔离的小区域中,只有在其数量足够时才能实现。这就是为什么我们在地球表面看不到与极低的部分熔融速率相对应的岩浆。地球上最丰富的岩浆是洋脊玄武岩[12],其熔融率约为20-25%。提取本身是通过必须封闭在岩浆后面的固体基质的变形来完成的。这种变形非常缓慢,只有收集大量产生的液体才能获得大量岩浆流。

环境百科全书-土壤-密度随深度的变化
图4. 密度随深度的变化
虚线(CC)对应大陆地壳的岩石。其他两条曲线显示了玄武岩岩浆的密度,要么是“干燥的”,即溶液中不含水,要么是含水浓度为0.8%(以重量计)。这两种岩浆在超过15公里的深度比地壳轻。[来源:作者的图](Densite 密度;Prodondeur 深度; Hydrate水合物; Sec 干燥)

  靠近地表的地壳岩石不容易变形。驱动力仍然是阿基米德力(图4),但岩浆上升的机制不再相同。当岩浆压力超过一定值时,岩石具有给定的机械强度和断裂阈值。岩浆在在地质学上称为堤坝的狭窄裂隙中传播, [13](图5)。可以从地表探测到这种水力压裂现象伴随着小地震。当岩浆源干涸时,岩浆速度减慢并最终冻结,在裂中充满凝固的岩浆(图5)。

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图5. 左图:水力压裂引起的岩浆传输,加压岩浆在岩石中打开裂隙,在阿基米德推力的作用下上升。右图:一条横跨冰岛悬崖地层的堤坝[来源:作者的图片和个人收藏](Propagation传输; Magma sous pression压力下的岩浆)

4 火山储层及其岩浆

  岩浆是由多种氧化物组成的复杂流体,其中以 (SiO2)、 (FeO 和 Fe2O3) 和 (Al2O3) 的氧化物最为丰富。岩浆可以通过岩石的部分熔融或更“原始”岩浆的部分结晶产生。它的化学成分决定了它的物理特性,从而决定了它的喷发条件。

4.1 火山储层的形成

  只要原始岩浆比它遇到的岩石轻并且能够使它们断裂,它就可以上升。在地表附近(图 4),岩石的密度通常低于这种岩浆,要么是因为它们是沉积成因的,要么是因为它们是断裂的。当岩浆到达它们时,阿基米德力改变并阻止上升。在其他地方,比岩浆密度大且特别抗变形的岩石可以阻止岩浆通过。在这两种情况下,都会在地表下形成一个储层。储层起着基础性的作用。由低流速的深源供给,它充当岩浆蓄积器,并允许非常大的体积快速喷发。此外,它充当一个化学反应器,岩浆在其中成分发生改变。

4.2 “高级”岩浆的制造

  在储层内,岩浆在与周围较冷的岩石接触时会失去热量并凝固。 与熔融一样,凝固不会整体发生,而是在一定温度范围内扩散。岩浆逐渐结晶并留下成分不断变化的残余液体。连续的岩浆是所谓的岩浆系列的一部分。图 6 说明了玄武岩结晶时产生的不同液体。火山早期会喷出玄武岩,然后逐渐喷出该系列中的所有其他岩浆,这通常被称为“演化”。岩浆储层能够在封闭系统中喷发出,但也可以由原始岩浆补充。根据再注入和喷发的顺序,它的化学成分可能会发生复杂的变化。残余岩浆可能趋向于演化的成分,然后变成最原始的成分。

4.3 岩浆的粘度

  玄武岩的粘度是食用油的一百倍,而食用油本身的粘度是水的一百倍。 一个值得注意的事实是岩浆粘度的巨大变化,如图 6 所示,对于干燥即没有水的岩浆。 在玄武岩流纹岩之间[14]粘度增加了十多个数量级! 流纹岩等极其粘稠的岩浆流动非常缓慢,其行为与玄武岩完全不同。 因此,当岩浆的成分发生变化时,同一火山会产生非常不同的喷发。

环境百科全书-土壤-岩浆系列
图6. “岩浆系列”和相关物理性质
显示的岩浆为玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩,是玄武岩岩浆部分结晶形成的。它们是在储层结晶过程中形成的连续残余液体。[来源:作者的图] (Concentration 浓度; Viscosite 粘度; Dendite 密度)

4.4  挥发性物质和火山气体

  了解火山喷发行为所需的最后一个成分是挥发性物质,如水、碳和二氧化硫。 它们少量存在于地幔岩石中,并在熔融过程中集中在岩浆中。在深处的高压下,它们可溶于岩浆中(图7)。在岩浆和地表温度下,它们处于气态。其中,水是最丰富的,按重量计算,它的浓度通常只有几个百分点。尽管水量很少,但水对火山喷口中岩浆的行为有重大影响,我们将在后面章节介绍。例如,它会影响岩浆的粘度,每添加 1%,岩浆粘度就会下降 10 倍。

环境百科全书-土壤-纹岩岩浆
图7. 含水量为3%的流纹岩岩浆的水溶性曲线,数值相当低所有这些水在50兆帕(500巴)以上的压力下溶解,对应于约2公里的深度。在溶解度阈值以上,岩浆是饱和的,部分水呈现为气体。岩浆可以通过两种不同的方式达到饱和,一种是上升过程中的减压,另一种是储层中的部分结晶。[来源:作者的图] (Concentration en eau dissoute 溶解水浓度; Courbe de solubilite 溶解度曲线; Cristallisation fractionnee 部分结晶;Decompression 减压)

4.5储层的断裂

  要发生喷发,储层必须释放其所含岩浆,这可能是由两种现象造成的。第一种是从源头注入岩浆,该岩浆持续活跃。储层膨胀直到其壁不再能承受压力。第二种现象是结晶。原始岩浆中溶解的挥发性元素不能被晶体吸收,只有极少数例外。因此,随着结晶过程的进行,它们在残余液体中富集。当它们的浓度最终达到溶解度阈值时,岩浆饱和并出现气相。从那一刻起,储层包含岩浆和气泡的混合物,其密度远低于原始岩浆的密度。在恒定质量的情况下,密度的降低导致体积增加,从而使储层膨胀。在这两种情况下,储层的充气都表明正在发生喷发。它会导致地面上升,其幅度通常为几厘米。使用当今的设备可以轻松测量这种变形。

5 主要喷发机制

5.1 两种主要喷发类型

  根据火山通道出口处岩浆中存在的气体量,可以区分两种主要的喷发类型。当该量较低时,气体会分散在岩浆中的气泡中。气体和岩浆的混合物表现为流体,喷发以液体流的形式进行。当气体量高时,岩浆被粉碎,岩浆分散在气体中。图8说明了这种情况下扩口通道中的减压顺序。随着岩浆上升,溶解度随着压力下降而降低(图7),并且越来越多的挥发性物质聚集在气相中。火山岩浆和气体的混合物首先以气泡的形式悬浮在液体中的形式出现,然后经过一个不稳定的岩浆起泡阶段。气泡破裂,形成一股携带岩浆碎片的气体射流。这一机制被称为“爆炸性”。

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图8. 火山通道中的减压序列
由于挥发性物质的出溶和气体的膨胀,岩浆逐渐充满气泡。岩浆和气泡的悬浮变得不稳定,岩浆被粉碎成碎片,由气体射流携带。[来源:作者的图](Decompression 减压; Fragmentation 破碎; Exsolution des volatils挥发物的出溶; Magma 岩浆; volatils en solution溶液中的挥发物)

5.2 两种“爆炸性”机制

  普林尼式(Plinian) 喷发(图 9)是最壮观的。在喷发口的出口处,一股强大的火山气体喷流以100-300 m/s 之间的速度(这是混合物中的声速)携带熔岩碎片(图10)。喷发柱在大气中上升到可以超过三十公里的高度。当它遇到高层大气中非常稀薄的空气时,火山混合物最终会横向扩散。然后,它被一种实质上的水平运动所激活,让岩浆碎片像雨滴一样落在非常大的表面上。我们发现爱琴海圣托里尼岛“米诺斯”喷发的沉积物,大约发生在公元前1600年,面积超过几十万平方公里。普林尼式火山喷发通常会转变为火山碎屑流,这是一种更具灾难性的状况,如下所述,更准确地说是火山爆发的普林尼式阶段。普林尼式阶段的典型持续时间为几十小时。

环境百科全书-土壤-爆炸性机制
图9. 两个主要的爆炸性机制
左图:一个普林尼柱在高空上升到稀薄大气密度低于火山混合物的高度。混合物横向传播,使其碎片沉积。右图:火山碎屑流是由于比空气密度更高的喷发柱坍塌造成的。[来源:作者的图]
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图10. 1980年5月美国华盛顿州圣海伦斯火山喷发形成的火山柱
气体和岩浆碎片的混合物以高速离开火山通道。[来源:美国地质调查局,公共领域]

  在火山碎屑流的情况下 [14](图9),气体和岩浆的混合物类似于喷发口出口处的普林尼式喷发的混合物,但大气中的机制发生了变化。喷发的岩浆的流速和数量几乎相同,但喷发柱距地面仅几公里。火山混合物在出口点附近回落,并被引导成强大的窄流,而不是在高海拔地区大面积分布(图11),其影响是毁灭性的。火山碎屑流沉积物比其普林尼式同类沉积物厚得多,并显示出复杂的层理,表明其侵位条件的混乱和剧烈。

  79 年著名的维苏威火山喷发摧毁了罗马城市庞贝和赫库兰尼姆,这表明火山喷发机制可能会发生不合时宜的变化。这座火山起源于普林尼政权,从长远来看,这是令人不快和具有破坏性的,但对人们来说并不是致命的。它突然改变了状态,开始释放出猛烈而致命的火山碎屑流。

Video 1: 爆炸性火山喷发期间形成的气体和灰烬大气柱的示例。[来源:Ashraf Bouiafri]

5.3  湍流的作用

  以上所述的毁灭性喷发不需要太多气体。事实上,这完全取决于如何测量气体的量。如果按重量计算,陆生岩浆很少含有超过5%的挥发性物质。但是,由于气相密度很低,按体积测量时,它在混合物中占主导地位。例如,对于1%的总重量的水蒸气,已占体积的95%左右。岩浆中挥发物含量低的一个重要影响是,从火山中逸出的混合物在任何状态下都比大气密度高。如果不增加气体量,这种混合物就无法上升到高空。在这些条件下,普林尼式火山如何喷发呢?

环境百科全书-土壤-火山碎屑流
图11.印度尼西亚西纳邦火山斜坡下的火山碎屑流
这种流动不是由于大气柱的坍塌,而是由于充满气泡的厚熔岩流的爆炸。[来源:Jean-Guillaume Feignon,通过imaggeo.egu.eu发布]

Video2:印度尼西亚西纳邦火山的火山碎屑流的例子[来源:Marc -Volcano – Szeglat]

  这两种爆炸状态的起源可以从喷发柱在大气中上升时的行为中找到(图10)。气流流动速度快且处于湍流状态,因此漩涡将空气并入柱中(图12)。混合物逐渐变轻。只要它比空气重,它就会在重量的作用下减速。如果它的上升速度降到零,它就会回落到出口附近的地面上。这是火山碎屑流的状态(图9)。如果火山柱吸入的空气量很大,火山混合物最终会变得比空气轻。在这种情况下,它由阿基米德推力向上推进。这就是普林尼式机制(图9)。产生火山碎屑流的喷发柱高度很少超过几公里,而普林尼式的喷发柱高度可能超过20公里。

环境百科全书-土壤-火山喷发柱如何变得比周围空气轻
图12.火山喷发柱如何变得比周围空气轻的解释

5.4 熔岩流喷发

  熔岩流有几种类型,这取决于熔岩的粘度和火山的坡度。玄武岩喷发可以在极远距离形成巨大的熔岩场,甚至在水平地面上。北美西部哥伦比亚高原上的熔岩流已经流动了几百公里。更粘稠的熔岩,如英安岩和流纹岩(图6),不会扩散太多,并在喷发通道上形成厚流。这些被称为“熔岩穹顶”。1980年,美国华盛顿州圣海伦斯山的熔岩穹顶厚度达到300米。

Video3俄罗斯奇维卢奇火山熔岩流喷发和熔岩穹顶生长的例子。[来源:Newsfalre]

5.5 其他方案

  玄武岩火山有两种强度较低的特殊爆炸性喷发方式。在熔岩喷泉中,通道中的流动采用中央气体喷射的形式,将边缘的液体薄膜拉起。在出口处,形成了壮观的熔岩墙,可以上升数百米。熔岩喷泉在西西里岛的埃特纳火山和夏威夷的基拉韦厄火山很常见。斯特朗博利型火山爆发是熔岩流非常低的极端情况。这些主要是气态喷发,由大量火山气体爆炸引起。喷发通道充满了熔岩,可以保持数年畅通。顾名思义,这些火山喷发在那不勒斯海岸附近的斯特朗博利岛上很常见。因1902年培雷火山的灾难性喷发而闻名的“火云”是火山碎屑流(图11)。它们是由熔岩穹顶的爆炸形成的,其特征是穹顶凝固壳的碎片和穹顶核心的液态岩浆碎片混合而成。它们比大气柱坍塌造成的熔岩流更短,体积更小。正是这种类型的水流在 1902 年培雷火山爆发期间摧毁了圣皮埃尔·德·马提尼克市。与之前的喷发不同,潜水喷发不会喷出岩浆,而只会喷出火山机构及其基岩的碎片。岩浆通过加热和蒸发周围岩石中的水,在这些喷发中起到间接作用。这些喷发可能会抛出巨大的巨石,并且通常在岩浆喷发之前发生。

6 火山机构

  有些火山喷发可以达到十公里的高度,例如夏威夷的火山,那里陆地面积仅占总面积的一小部分。在大洋边缘的大陆或岛弧中,这些火山机构较为适中,但仍可升至数公里的高度。

  如此重要的火山机构改变了喷发条件。首先,岩浆必须移动一段额外的距离才能到达出口点。岩浆的密度再次发挥了至关重要的作用。海拔越高,越难登顶。在某些情况下,这是不可能的,喷发发生在火山的两侧。第二个效应是该机构在火山基底的表层部分产生压应力场。这些应力可能变得足够强大,使堤坝转向,从而阻止其垂直推进并向侧面注入。在离火山机构一定距离之外,岩浆返回到未受干扰的环境,并继续上升,形成火山锥。

  火山机构是脆弱的。在岩浆渗透的变形作用下,它可能会失稳并崩塌。其中的岩浆突然减压膨胀,形成破坏性的涌流。这就是1980年美国华盛顿州圣海伦斯火山喷发初期发生的情况。

7 认知和不确定性评估

  在过去的四十年里,火山物理学有了长足的发展。所涉及的主要机制可以认为已被确定和理解,但我们的知识仍然存在重大差距。喷发造成的破坏主要取决于喷发的总体积持续时间,而这些仍然是只能在喷发后测量的变量。无论是岩浆储层的尺寸还是它们所含岩浆的成分都不清楚。喷发经常发生机制变化,例如在普林尼式和火山碎屑流之间交替,并以熔岩流的排放结束。单独来看,这些机制是可以理解的,但完整的喷发序列却不是。目前,这些问题看来似乎都遥不可及,可能只能通过开发精细的成像方法跟踪岩浆储层内部和外部喷发源的喷发过程来回答。

8 要记住的信息

  • 岩浆在地球上不断产生,不会在深处停留很长时间。
  • 火山位于一些特定的​​地方,与地球的内部活动有关。
  • 阿基米德的推力作用下,岩浆自行上升到地表。
  • 组成和物理性质不同的岩浆是由储层中的部分结晶产生的。
  • 喷发的方式取决于岩浆的物理特性及其含量。
  • 在高气体浓度下,喷发以带有粉状岩浆的湍流大气柱的形式出现。

参考文献和说明

封面图片:2006年1月阿拉斯加奥古斯丁火山喷发 [来源:美国地质调查局,公共领域]http://www.avo.alaska.edu/image_full.php?id=5927].

[1] 岩浆是由岩石熔融产生的液体。

[2] 地幔是地球上体积最大的一层,位于地壳底部和地核之间,深度接近2900公里。

[3] 对流现象描述了当流体密度在空间上变化时(例如,当流体从上方冷却时),流体中自发发生的运动。

[4] 板块是在地球表面移动的大型刚性表面单元。

[5] 羽流或热点是由小源产生的近似圆形截面的局部上升气流。

[6] 固相线是固体开始熔融的温度。

[7] 液相线是固体完全熔融的温度。

[8] 洋脊是海洋中部的水下山脉。它们是地幔对流环上升部分的标志。

[9] 熔岩是从火山中逸出的液体。它是由含有不同数量气泡和晶体的岩浆构成的。

[10] 俯冲带是板块沉入地球内部的地方。它们标志着地幔对流环的下沉气流。

[11] 阿基米德推力是施加在比周围流体轻的体积上的力。

[12] 玄武岩是指地幔岩石部分熔融形成的岩浆,熔融率不超过30%。

[13] 堤坝是由加压岩浆形成的裂缝。

[14] 流纹岩是玄武岩结晶序列结束时形成的岩浆。

[15] 形容词pyroclastic指的是“火成碎屑”,是岩浆的碎片(该词来源于“pyro”,意为着火,“碎屑”,意为岩石碎片)。


译者:李通                      编审: 崔岩山                 责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: JAUPART Claude (2022年10月6日), 火山活动规律, 环境百科全书,咨询于 2024年3月2日 [在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/sol-zh/the-laws-governing-the-activity-of-volcanoes/.

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