地球要进入火山活跃期了吗？分析南极与海底隐藏的火山

伤我心太深

　　火山的活跃期与米拉科维奇循环
　　大规模的火山喷发之后，地球的平均温度会降低。但也可能是大规模的气候变化减缓或加剧了火山的活动。

　　原则上，任何一次大规模的火山喷发都会影响到我们星球的气候。最能说明问题的一个例子就是1991年6月菲律宾的皮纳杜波火山喷发。当时，100万吨火山硫黄冲入大气层，导致大气中弥漫了大量的固态悬浮微粒(飘浮在空气中直径在0.001～10μm之间的微小颗粒)。它们吸收和折射阳光，导致地球气候出现了剧烈的变化。经过好几年，硫酸盐微粒才逐渐落到地球表面。那次火山喷发使地球平均温度临时性地降低了0.5℃。

　　另一个例子是1982年墨西哥埃尔乞卓火山喷发后，地球平均温度在一段时间里下降了0.3℃。
　　气候的变化是否会影响火山活跃性呢?

　　德国一个以什捷费·库特罗尔费为首的科研团体——亥姆霍兹基尔海洋研究中心——致力人类生存与环境的复杂关系的科学研究，试图证实这一想法。基于这一出发点，一个不寻常的现象引起了他们的注意。

　　在长达10年时间里，他们研究了大陆俯冲带的渗透过程。在俯冲带，旧的海洋地壳逐渐下陷到地球的内部。从俯冲带延伸到围绕太平洋周边的地方布满了无数的火山，被称为“太平洋火圈”，是地震、火山高发地带。美国地质勘探局统计，1900年以来，“太平洋火圈”平均每年发生19.4起里氏7.0级以上的地震。2016年以来，“太平洋火圈”地震和火山活动有加剧迹象。“火圈”周围总是积聚着很厚的火山灰和其他物质的沉积层。

　　地质学家从近46万年间在中美洲太平洋沿岸附近出现的沉积层里发现了一个有趣的现象。这里的火山活动呈现周期性，它们有时长时间处在休眠状态，有时苏醒，持续不断喷发。


　　为了证实他们的看法，库特罗尔费和他的同事着手实施综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program)，对从太平洋各地采集来的海底底泥(岩芯) 样品进行了研究。这些样品涵盖了我们地球大约100万年的历史。其结论证实了他们的观点：火山有长期平静与持续活跃交替的现象，一个周期约为4万年。
　　经过详细统计和分析，他们还发现了更为奇怪的现象：火山的活跃期与米兰科维奇循环(Milankovich cycles)不谋而合。





　　南极洲也有火山

　　海底火山世界呈现很多种形式，但很少得到研究。而地球上一些最大的火山恰恰藏身于海洋，但是一直到现在，我们对它们还是不甚了解。2013年年底，我们才知道处在南极边缘的火山的一些特点，虽然按照地质物理常识，它们不该在那里。

　　南极的玛丽·伯德地地域冰天雪地，一望无际，寒风刺骨——这就是南极洲通常的景观。但是，这个冰的世界并不总是寒冷的，甚至在其表面还经常冒出火焰。冰与火这种离奇组合在南极并不罕见。环绕南极的大海海底，火山遍地皆是。其中一座现在还蠢蠢欲动，呈现活跃状态，其他的则早就平息无声。处在南极玛丽·伯德地附近的火山群分布在阿蒙森海深度为1600米到2400米的海底，属于死火山。因为科学考察船很难接近这些被淹没的火山，它们至今没能被很好研究。

　　阿蒙森海海底火山群很奇特，它们的诞生与传统的有关火山地质物理的认识有着很大不同。

　　科学家将火山分成两大类，一类在地球岩石的接缝处形成，岩浆从这里奔流而出，很容易就流到了地球表面;一类分布在岩石下面，科学界通常将这类地点称为“热点”。“热点”是地幔中相对固定和长期的热物质活动中心，它们向活火山提供富集各种微量元素的岩浆。随着“热点”上方的岩石圈板块不停运动，先形成的火山从“热点”处移开并逐渐熄灭成为死火山，新的火山又在“热点”上方形成，然后移開，结果就形成了一串年龄定向分布的线状火山链。这类火山活动时，熔岩向外溢出，无地震发生，因此，由此形成的火山链也叫无震海岭。在这里，“热点”从地幔深处凸起，将地壳烧穿。这种火山最为典型的就是夏威夷群岛的火山。夏威夷天皇海岭火山链的走向实际上记录了太平洋板块的运动方向：在4000万年前是从南向北沿NNW(北—西北)向运动，最晚在2600万年以后转变为从东向西沿NWW(西北—西)向运动。

　　但是，玛丽·伯德地沿岸的水下火山并不是这样。它们附近并没有板块边界，而地球内部灼热的物质也没有流向它们。科学家对这里进行的地质化学分析呈现一种令人感兴趣的现象。从这些水下火山流出的熔岩成分依然具有典型“热点”火山的成分。此外，玛丽·伯德地火山群的化学特征接近南极中部火山的化学特征，甚至与新西兰群岛上的火山的特征相似。这究竟是怎么回事呢?




　　不久前，科学家才对南极水下火山的奇特现象做出了可接受的解释。

　　今日的南极洲是1亿年前古生代和中生代初期南半球庞大的冈瓦纳大陆的遗址。一股巨大的炽热物质流(即地幔柱，是地球深部地幔热对流运动中的一股上升的、圆柱状固态物的热塑性流，从软流圈或下地幔涌起并穿透岩石圈而形成的热地幔物质柱状体。它在地表或洋底露出时就表现为“热点”。“热点”上的地热流值大大高于周围广大地区，甚至会形成孤立的火山)从地幔深处突起，横穿过去，落入两个新大陆——南极洲和“新西兰洲”。如今，只有新西兰各岛离开了“新西兰洲”。

　　当时，两个新大陆从地幔柱开始朝不同的方向漂移，它们的“底部”都沾满了从地幔深处喷出的物质。后来，这些物质向上挤出，穿透地壳，从南极和新西兰的火山口喷射出来。这就是为什么这些火山相距很远，但喷出的熔岩化学成分完全一样。要知道，熔岩某个时候就是从同一个“热点”流出的。

　　这就是上面提到的玛丽·伯德地地下火山吗?不，因为它们不在南极大陆，而是在远离南极洲的另一个地方。它们是在海洋岩石地台上形成的。但是地幔物质从不甘心寂寞，总是从一个地方流到另一个地方。就这样，接近南极表面的物质流独自泉涌般地冲离大陆，在不同的地方烧热海洋板块，并且为这里的水下火山补充物质。

　　在玛丽·伯德地周围，这些火山大约在6000万年前就已经形成，灼热的岩浆通过板块裂缝流出。某个时期，在南极洲海岸附近的火山喷发物形成了一连串就像大西洋加纳利群岛那样的岛屿。但是，火山活动已经停息。经过几百万年的海水冲刷腐蚀，这些由火山物质构造的岛屿已经被磨损得面目全非。但是这些死火山的根部和框架依然保留下来，深深地淹没在海水下。


　　这就是令人着迷的南极洲畔水下火山的历史。这一事例再次说明，目前我们还远远没有了解地球火山的形成过程。尤其是这些水下的火山还没有引起科学家足够的重视和研究。但是，每一次的新发现，都会使我们的认识提高一步。
　　20世纪二三十年代，南斯拉夫地质物理学家米鲁吉·米兰科维奇经过细致的计算，认为远古时期地球的温度随着它从太阳处获取热量的多少而变化。

　　米兰科维奇的假设直到二战之后才引起重视。20世纪70年代，哥伦比亚大学的地质学家捷姆斯·赫斯、召·依姆伯尼和李科拉斯·什克尔顿确定了近100万年间冰川和气候变化的周期，他的假设才最终得到证实。他们首次计算出一组类变化周期，为10万年、4.1万年、2.3万年和1.9万年，被称为“米兰科维奇循环”。米兰科维奇循环揭示了地球气候的变动规律，以10万年为主要周期，伴随着4万年以及2万年左右的周期，与地球运行轨道的三种变化要素有关。这三个影响因素(偏心率、地轴倾斜度、岁差)使得地球的冰期与间冰期大都与太阳辐射到达地球的量有关。

　　4.1万年的周期，仿佛对应于火山活跃期，对应于地轴与地球公转轨道摆动平面的倾斜度22. 3°到24. 5°之间的变化周期。

　　这看似无足轻重的变化，明显地对地球四季的差异起作用。在近100万年间，当大部分旱季都集中在北半球也就是赤道以北时，表现得尤为明显。地轴倾斜得越厉害，地球北部地区的冬季越寒冷。但是，在夏季，那里又特别炎热。地轴倾斜变小，冬夏季就变得不甚分明，冬季无大雪，而夏季在北半球也不會热，雪来不及融化，便形成了逐渐往南方移动的冰川，于是便开始了冰川期。

　　还是回到我们的火山话题。如果它的活跃周期与气候变化一致，那么，是否可以说气候的变化会对火山活跃产生影响呢?

　　其实，火山活动影响气候的案例众所周知。如果不拿菲律宾1991年比纳杜波火山爆发为例的话，我们也可以以印尼在近千年中最大的三座火山遗址——1883年的喀拉喀托火山(造成地球平均温度下降)，1815年坦博拉火山(欧洲因为它的出现而出现了“无夏季之年”)和1257年的龙目岛火山(2013年科学家才复原了当时喷发的情景，欧洲档案文献里记载了当时的严寒和饥荒)举证，证明火山喷发如何影响到气候。

　　但是，研究人员收集的事例无情地证实，气候同样影响到火山的活跃，这就意味着气候也会影响到地球内部熔岩的流动过程。

　　这种影响的原理又是怎样呢?

　　什捷费·库特罗尔费和他的同仁为我们找到了答案。地球平均温度上升得越明显，冰川融化的速度就越快，海平面也就上升得越高，海水对海底的压力就越大。在海洋地壳较薄的区域，比如与太平洋板块接壤的岩石圈板块，承受的压力同样也会明显增大。海底出现新的裂缝，并逐渐扩大。当这些裂缝延伸到地球表面，越来越多的岩浆汇集在一起并向外释放，最终导致火山喷发。

　　正像前文所说的，火山的活跃度随着地球平均温度的上升而增加。在寒冷的时候，冰川体积缓慢增长，海平面又逐渐降低，海洋地壳承受的压力也会逐渐减轻，火山喷发减少。

　　今天，海平面持续上升，但是未必有危险，不会因为全球性的海平面上升而出现一连串的火山爆发。整个地球是个有机的整体。即使海平面持续上升几百年，地球上的火山活跃度也需要经过三四千年才明显上升。用库特罗尔费的话说，这是“水的高明之处”。

　　“如果说到自然周期，”库特罗尔费强调，“现在我们正处在自然变暖的周期，我们不是还活得好好的吗?火山活跃并不明显。人类活动导致的气候变暖会在多大程度上作用于火山，我们目前还无法预测。但值得注意的是，现在总体上说，全球冰川体积明显要比上一次冰川期终结时小。即使冰川继续减少，海平面也不会上升120米，而仅仅上升约60米。”目前还很难判断这种情况会在多大程度上唤醒火山。

　　此外，火山活跃度增强是漫长时期内各种因素静态累积的结果，它的表现并不是火山“地毯式轰炸”，也不是连续不断地喷发。换句话说，这种变化仅仅是，假如在之前的1000年里发生3次特大火山喷发，那么在之后1000年里可能增加到7次。

　　我们很想知道，在10万年左右的时间里，火山活跃与米兰科维奇循环之间是否存在关联。

　　要知道，地球运转的轨道形状是缓慢变化的，这个变化的周期是10万年。其轨道由椭圆变为近似圆形，之后又重新变为椭圆。所以，地球有时离太阳近些，有时离它远些(如现在地球的轨道呈近圆形)。随着太阳与地球之间的距离变化，地球从太阳获取的能量也会发生些微的变化。那么，在变化的时候，地球上火山的活跃性会增强或减弱多少呢?


　　总之，要是这种假设——气候确实在数百万年间对火山的活跃性产生影响——可信的话，就可以推出另一个假设：气候同样对地震产生影响。
　　这也许仅仅是一种大胆的猜想。要知道，到目前为止，我们还没有过任何详细描绘古代地震情况的图像。我们只能泛泛地说“某个时候，地震显然很频繁”或“根据各种情况，地球当时处在平静状态”。我们期待地震学家能给我们描绘出1000万年前的地震情况。



　　深藏在海底的火山

　　地球上最大的火山不久前才被发现。它藏在太平洋西北部的深海底部，距离日本东部1600千米。1.4万年前，它就坐在这里了。科学家早就知道达姆火山的存在，但是直到2013年秋，人们才知道这座火山到底有多大。其面积完全可与火星上太阳系最大的火山——奥林匹斯山——相媲美。奥林匹斯山高26.4千米，山顶形成了巨大的凹陷，环形区内直径约600千米，熔岩就从这里喷出来。奥林匹斯山是一座早就停息的死火山，在它的斜坡上到处可见凝固的岩浆。不难想象当时这座巨大的火山喷发规模有多大，其火山口凹陷的地方容得下一座像莫斯科这么大的城市。

　　1.45万年前，位于海底萨齐科果台原的达姆火山最后定型，其面积比日本还大。许多地质学家认为，类似萨齐科果台原这样的高原是海洋广阔的多平原地带，明显突起在环形地之上，它们是由一系列强大的火山喷发之后在陷口周围流动的熔岩构成的。

　　早先，科学家认为达姆火山只是一连串火山组成的群山，这些火山轮番将岩浆喷出，数百万年后，大量的凝结物将它们紧紧“焊接”在一起。但是，2009年地质学家在对达姆火山周围的海洋地层钻探中挖掘出了沉积层的样品。经过对样品的研究，地质学家发现它们全部来自一个源头——一个位于山体中央的火山口。地质勘查的结果同样指出，整座火山是由一整块岩浆发生地孕育而成的。它是一座独立的火山。它不仅是地球火山面积之最，也是太阳系第二大火山。

　　达姆火山发育神奇，让科学家为之一惊，它活跃了500万年才熄灭。在这段时间里，它喷发出不计其数的熔岩，每次喷发都明显扩大了自己的面积。

　　今日，达姆火山有650千米长，450千米宽，总面积为31万平方千米。之前被认定为地球最大活火山的夏威夷莫纳罗亚火山只有5000平方千米。

　　海洋里可能还有比达姆火山更大的火山存在。研究人员很早就注意到位于太平洋所罗门群岛以北的海底翁通爪哇高原，它是世界上最大的海底玄武岩台地，面积约200万平方千米，厚度达30千米。它形成于约1.2亿年前，被认为是由众多火山定期喷发出的熔岩堆积而成的。这里是否还有更大的不为人知的火山存在呢?

　　莫诺瓦伊火山、武艾斯特-玛达火山和玛卡武列伊火山是海底依然活跃的活火山，因此倍受科学家的关注。

　　這几座特别的海底活火山有些“异国情调”。根据专家估计，地球上85%的火山喷发都发生在水下。太平洋底部分布着几千座活火山。但是，它们喷发通常不为我们所知，有时还能逃过火山科学家的眼睛。科学家就连这些喷发的火山坐落在哪里也弄不清。达姆火山还是前几年才确认的。而无数难以觉察到的小火山——它们间或喷发的岩浆还在海底流动，就更难被发现了!

　　之前，科学家认为，这些火山被巨大的海水压力挤压，再加上自身的重量，经常直接被挤到海底。当难以承受这些压力时，熔岩不得不从火山口冒出。但是，科学家越是认真研究水下火山，就越是相信，这些研究对象远比自己想象的活跃和不可预测。

　　水下的火山经常出现异常强烈的活动。比如坐落在新西兰和汤加群岛之间的莫诺瓦依海底火山频繁喷发，就像意大利的埃特纳火山——欧洲最活跃的火山。2011年5月至6月间，这座海底火山在两周时间里长高了72米!其顶部筑成了新的标准圆形的火山锥体。这是科学家目前所知的成长最快的水下火山，这种变化比地面火山快得多。虽然这座火山处在不大深的海底——火山口离海平面仅有130米，而且喷发持续了近半个月，科学家也没办法目睹。

　　第一次，也是目前唯一一次，研究人员利用水下机器人拍摄水下火山喷发的情景，是在2009年。当时，太平洋西南部位于斐济和萨摩亚群岛之间深1千米处的武艾斯特-玛达火山发生喷发。机器人在离它几米远的地方拍摄到炽热的云状气体和岩浆。

　　水下火山活动的场面是陆地无法看到的。2013年， 科学家观察到玛卡武列伊火山活动的情景，该火山位于新西兰以北1000千米的克马德克群岛附近，其喷发出的火山灰与我们所知的任何一座火山都不同。

　　通过对火山物质的检测，可以了解到海底火山喷发的情况。如果熔岩形成的岩石密度小，岩体就有很多气孔，那么火山喷发就是爆炸式的，比如公元79年著名的维苏威火山喷发形成的泡沫岩。如果岩石的密度大，那么火山喷发就很平静，从火山口出来的熔岩流动很缓慢。这种火山喷发形式可以在夏威夷群岛看到，炽热的熔岩流动就像水位高的河水一样，显得很壮观。早先，科学家认为这种形式是水下火山的典型案例。但是，新西兰科学家发现，在玛卡武列伊火山周围半径25千米内，交替出现不同的岩石，有的密度大，有的密度小。

　　这里观察到的火山喷发的情形，与已知的两种火山喷发形式类似。缓慢流动式的火山喷出的熔岩流动速度要比爆炸式的火山喷发缓慢得多，但是在同一时间内流出的熔岩量却比后者多得多。爆炸式火山喷发时，熔岩中还有大量气体，所以它们不会立刻沉到海底，而是漂浮在水中。洋流将它们从火山口带到了远处。随着海水慢慢渗入熔岩，它们最终变重、冷却、破裂，成片降落下来，像地毯一样铺满海底。

　　加科尔山脊(又称南森海岭、北冰洋中脊)是一座位于北冰洋海底的山脉，因由苏联探险家雅可夫·加科尔发现而得名。

　　加科尔山脊也承受着巨大的海水压力，会在地壳较薄的地方喷发。21世纪初，科学家在对北冰洋戈克肯里山脉进行考察时，在北纬85°和东经85°地区大约4000米深处，找到了疑似1999年发生的自然灾变的标志物。在这里，厚达10厘米的火山灰覆盖了10平方千米的海底。火山灰里含玄武岩玻璃微粒。这些从水下火山口喷出的气泡膜由微粒构成，气泡破裂后，残片下沉到海底。

　　由于在3000多米深的海底，当海水与烧红的熔岩相遇时，水压大到炽热的海水不能转变为气态，所以许多专家最初并不相信4000米深的海底能出现这样的情景。这样的地方不会出现水蒸气。那这些火山灰中的气泡膜是否可能来自岩浆中的气体(主要是碳酸气体)?这一解释还是很勉强。一些学者猜测，这些火山灰可能是其他地方的火山喷发之后被海水带到这里的。


　　海底火山频繁喷发，但并不强烈，因此长久不为人知。目前我们只能观察到海底几百米深处的火山喷发，而几千米深处的火山就很难被发现，更难对它们喷发出的熔岩样品进行测定和分析。科学家还不知道分布在海底的活火山有多少，它们的活跃性是如何变化的。

　　火山的喷发生成了新的海洋地壳——所有海底的新的部分。科学家估计，每年从地球内部流向地表的岩浆中，留在海洋中的就占3/4。时至今日，研究水下火山依然困难重重。我们仅仅揭开了海底火山世界的“冰山一角”。它充满了种种谜团，急待我们去破解。