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℃,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,米/秒,温度也可达℃,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00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00平方千米、厚度约米的黄石熔岩高原
今天,这里仍暗流涌动,地下被发现有万平方千米、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0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。
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km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/。
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.TheEncyclopediaofVolcanoes,SecondEdition-AcademicPress
4.维基百科:火山
原文标题:噗!喷出全世界
来源:地图会说话
编辑:fengyao