高中地球科学/火山喷发
1980年，圣海伦斯山火山爆发，这是美国历史上最致命、代价最高的火山喷发之一。这次喷发特别致命，因为圣海伦斯山是喀斯喀特山脉的一部分，位于俄勒冈州波特兰和华盛顿州西雅图之间的繁华地区。这次喷发造成57人死亡，摧毁了250户房屋，冲毁了47座桥梁。由于喷发产生的巨大爆炸，这座火山的海拔下降了400多米（1300英尺）。如今，圣海伦斯山仍然活跃（图8.8）。
这座火山现在有一个马蹄形的火山口，直径1.5公里（近1英里）。在火山口内，一个新的熔岩穹顶已经形成。这次喷发是如何发生的？为什么不是所有的火山都像圣海伦斯山那样爆炸？如果我们知道它要喷发，为什么会有这么多人丧生？火山的研究还有很多问题尚未解答。然而，科学家们已经研究火山多年，并正在拼凑出解释这些强大地质现象的证据。
- 解释火山如何喷发。
- 描述和比较火山喷发类型。
- 区分不同类型的熔岩，并了解岩浆和熔岩的区别。
- 描述预测火山喷发的方法。
所有火山都具有相同的基本特征。岩浆聚集在岩浆房中，岩浆房可以位于地表以下160公里（100英里）处。当岩石加热时，它会膨胀，这会产生更大的压力。结果，岩浆寻找一条出路，向地表推进，并从地球地壳中称为通风口的裂缝中渗出。最终，它到达地表；当它喷出时，我们称之为喷发。喷发这个词也用于其他语境。喷发可以是爆发或爆炸，是一种猛烈而突然的事件，就像人群愤怒爆发一样。但喷发也可以是某种东西的蔓延，比如你皮肤上的皮疹，逐渐且相对平静。这两个定义类似于我们在火山中看到的两种喷发类型。
每个地质构造都是独一无二的。它们的组成和结构取决于许多因素，因此不可能有两个构造完全相同。同样，每座火山及其喷发都是独一无二的。然而，我们倾向于看到两种主要的喷发类型。我们谈论喷发是指剧烈爆炸或一种无声蔓延。这是我们看到的两种火山喷发类型——爆炸性喷发和非爆炸性喷发。当我们想到火山喷发时，我们通常会想到巨大的火山灰云喷射到大气中，然后是厚厚的红色熔岩河流蜿蜒流下山坡。实际上，这两种现象很少出现在同一座火山中。火山喷发往往是其中之一。
想象一下二战末期投放在长崎的原子弹造成的破坏力和力量，那次爆炸造成40000多人死亡。现在想象一下威力比它强10000倍的爆炸。爆炸性火山喷发可以达到这种威力（图8.9）。当地表下的热岩浆与水相互作用时，气体积聚，岩浆压力不断上升。这种压力不断增大，直到这些溶解的气体导致它发生巨大的爆炸。
这次巨大的爆炸带走了岩浆和火山气体，这些气体可以喷射到空中几公里，形成蘑菇云，类似于核爆炸产生的蘑菇云（图8.10）。碎片以极高的速度飞入空中，并在大气中冷却形成称为火山碎屑的固体颗粒。其中一些颗粒可以在大气中停留数年，这会扰乱天气模式，影响地球的温度。其余的碎片落回地球，在周围数公里范围内降落。
有时会发生比第一次更大的二次爆炸。此外，水蒸气、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢和氯化氢等火山气体可以形成有毒的、不可见的云层，在整个大气层中游荡。这些气体会造成酸雨和臭氧破坏等环境问题，实际上会使地球大气变冷。
在喀斯喀特山脉，圣海伦斯山的爆炸性喷发之前是拉森峰的喷发，拉森峰是加利福尼亚州北部三座喀斯喀特火山之一。1915年5月22日，一次爆炸性喷发将一股火山灰和气体柱喷射到30000英尺的高空，并引发了一次高速火山碎屑流，熔化了雪，形成了泥石流。拉森峰仍然有地热活动，可能再次爆炸性喷发。沙斯塔山每600到800年喷发一次。一次喷发很可能会产生巨大的火山碎屑流，也许还会产生泥石流。然而，这座火山也可能像马扎马山那样爆炸，马扎马山在1980年的一次喷发中把自己炸毁了，威力比圣海伦斯山强42倍，形成了火山口湖。
第二种类型的火山喷发是非爆炸性或溢流式喷发（图8.11）。由于不同火山的岩浆成分不同，熔岩的性质也不同。在溢流式喷发中，熔岩流相对平静，不会从火山中爆炸出来。因此，人们通常在熔岩到达之前有足够的预警时间，因此非爆炸性喷发致命的可能性要小得多。然而，这并不能阻止它们具有破坏性。即使我们知道熔岩流正在接近，由于熔岩的数量和温度巨大，几乎没有办法阻止它。
如果没有火山喷发产生的巨大爆炸和燃烧的熔岩河流，火山就不会那么有趣。所有火成岩都来自岩浆或熔岩。下次你在火山区附近徒步旅行时，你可以尝试根据你发现的火成岩类型来识别火山喷发的熔岩类型。
在地球深处，岩浆的形成是火山形成的第一阶段。这是因为地表以下的岩石受到重力带来的巨大压力。放射性物质的衰变会产生额外的热量。巨大的热量和压力会熔化地表以下的岩石，形成一种类似太妃糖的物质。你可能见过放在阳光下太久的蜡烛。它会变得更软，更像液体。当分子吸收热量时，它们会开始彼此滑动，变得更具流动性。岩浆也会发生类似的过程。然而，不同的物质在不同的温度下熔化。因此，岩石熔化的温度取决于岩石的具体类型。地球的地壳和地幔由许多物质组成，因此产生岩浆所需的温度会有所不同。大多数岩浆是在 600°C 到 1300°C 之间形成的（图 8.13）。
熔化的岩石或岩浆可以在地球下面的岩浆库中找到。由于岩浆库在地球表面以下很远，科学家很难对其进行研究。科学家知道，岩浆库是在热量和压力最大的地方形成的。当构造板块碰撞并相互摩擦时，就会形成岩浆。这就是太平洋火环是如何形成的。我们还知道，在远离板块边界的地方也有火山，所以我们知道这些地方也存在岩浆库。岩浆库可以在存在地幔柱或热点的地方找到。
这些热点是如何或为什么形成的尚不清楚。然而，由于不同的物质在不同的温度下熔化，岩浆的形成取决于其成分。就像蛋糕的味道取决于你放进去的配料一样，岩浆和熔岩的行为取决于其成分。某些熔化的岩石以特定的方式起作用。因此，当岩浆变成熔岩时，并非所有熔岩的行为都相同。
岩浆一旦到达地表，就会变成熔岩。考虑一下你可能在你家看到的不同液体——例如蜂蜜和一瓶可乐。你可能会同意这两种液体在许多方面有所不同。它们的味道不同，颜色不同，其中包含不同的气体，而且它们的流动方式也不同。事实上，蜂蜜是一种流动阻力很大的液体，而可乐流动起来很轻松。蜂蜜的粘度比可乐高；它流动起来很困难（图 8.14）。可乐的粘度低，因为它很容易流动。不同类型熔岩的主要区别之一就是它们的粘度。
高粘度熔岩是指不太容易流动的熔岩。它往往会留在原地。二氧化硅含量高的熔岩往往粘度更高。由于它流动阻力很大，它会堵塞火山的喷口。压力越来越大，直到火山最终爆炸。这种熔岩是在爆发式喷发中发现的。它也往往会困住大量的气体。当气体释放时，会使喷发更加猛烈。大多数这种熔岩都被喷射到空中，在那里它会凝固并变成固体岩石。这种在空中凝固的熔融岩石被称为火山碎屑物质。在像浮石这样的火成岩中，固体岩石中的小孔表明岩石还是液体熔岩时气泡的位置。
低粘度熔岩会沿着山坡滑下或流动。低粘度熔岩不止一种。它们之间的区别在于熔岩的成分不同，以及它们到达地表的位置不同。形成的火成岩类型取决于熔岩的类型。三大类是 aa 熔岩、绳状熔岩和枕状熔岩。
aa 熔岩是非爆炸性熔岩中粘度最高的熔岩（图 8.15）。这种熔岩会形成一层厚而脆的壳，被撕裂成粗糙且参差不齐的碎片。凝固的表面粗糙且尖锐。当熔岩继续在下面流动时，它可以蔓延到很大的区域。
绳状熔岩的粘度低于 aa 熔岩，流动性更强。它的表面看起来比粗糙的 aa 熔岩更皱巴巴，更光滑。绳状熔岩以一系列的叶状体或圆形区域流动，形成奇怪的扭曲形状和天然岩石雕塑（图 8.16）。绳状熔岩还可以在地下形成熔岩管（图 8.17）。
枕状熔岩是在水下火山喷口喷出的熔岩（图 8.18）。当它在水下喷出时，会非常迅速地冷却下来，形成粗略的球形岩石，类似于枕头，更多的熔岩会从这些枕头中泄漏出来，形成更多的枕头。枕状熔岩在水下扩张中心特别常见。
火山喷发可能是毁灭性的，特别是对于靠近火山的人来说。正如气象学家试图预测或预报飓风和龙卷风一样，火山学家也试图预测火山喷发。虽然预测火山喷发远非完美，但许多证据可以表明火山即将喷发。其中一些因素难以衡量，这加剧了预测喷发的难度。
预测火山喷发的一个重要因素是火山的历史。也就是说，我们考虑它上次喷发的时间以及它以前喷发之间的时间跨度。火山分为三个细分——活火山、休眠火山和死火山。活火山是指目前正在喷发或显示出近期喷发迹象的火山。休眠火山不再显示活动迹象，但在最近的历史上曾喷发过（图 8.19）。最后，死火山是指在最近的历史上没有喷发过，而且将来可能不会再喷发的火山。活火山和休眠火山都受到严格的监控，因为即使是休眠火山也可能突然显示出活动迹象。
当火山下面的岩浆向上推挤时，它会震动地面并引发地震。虽然火山附近可能每天都发生地震，但在喷发之前，地震的数量和强度会增加。事实上，即将喷发的火山可能会产生持续的地震，因为地下移动的岩浆会对周围的岩石造成压力。为了测量这些地震，科学家使用地震仪来记录每次地震的持续时间和强度。
所有这些向上推挤的岩浆和气体会使地面或火山的坡度开始膨胀。有时，地面膨胀会显示出火山形状的巨大变化。然而，大多数地表变形都很微妙，只能用倾斜仪来检测，倾斜仪是一种测量火山坡度角度的仪器。此外，地面膨胀会导致岩石坠落和滑坡的增加。
通常情况下，气体能够在岩浆在喷发中到达地表之前从火山中逸出。因此，科学家可以测量火山上或周围喷口的气体输出或气体排放。可以使用现场仪器或在某些情况下使用卫星从远处测量气体，例如二氧化硫 (SO2)、二氧化碳 (CO2)、氯化氢 (HCl) 甚至水蒸气。计算气体的数量及其比率有助于预测火山喷发。
如前所述，一些气体可以使用卫星技术（图 8.20）进行监测。卫星还可以测量其他因素，例如火山喷发点特别热点的温度读数，或火山表面正在变化的区域。随着我们技术的不断进步，科学家能够更准确、更安全地检测到变化。
尽管监测方法越来越好，但仍然难以准确预测火山喷发。没有科学家或政府机构希望被认为是危言耸听，宣布将要发生喷发，而实际上并没有发生。大规模疏散的成本和对社会的干扰，会让许多人不满，科学家也会感到尴尬。然而，拯救生命和财产的可能性无疑使火山喷发预测成为一项值得追求的事业。
- 当岩浆因密度小于周围岩石而上升至地球表面时，就会形成火山。
- 火山喷发可以根据岩浆的粘度分为非爆发性和爆发性。
- 爆发性喷发发生在大陆边缘，并产生大量喷射到空中的物质。
- 非爆发性喷发主要产生各种熔岩，例如 a'a、 pāhoehoe 和枕状熔岩。
- 火山可能即将喷发的迹象包括地震、表面隆起、气体排放以及其他科学家可以监测的变化。
- 火山喷发的两种基本类型是什么？
- 几百年前，庞贝城附近发生了一次火山喷发。考古学家发现了人们互相拥抱的遗骸，被覆盖一切的火山灰和岩石窒息而死。这种喷发类型是什么？
- 什么是火山碎屑物？
- 说出三种低粘度液体和三种高粘度液体。
- 岩浆房和地幔柱有什么区别？
- 水的沸点是 100°C。为什么水会使喷发更加猛烈？
- 非爆发性熔岩的三个名称是什么？
- 预测火山喷发时考虑了哪些因素？
- 为什么预测火山很重要？
- 鉴于天文学家距离他们的研究对象很远，他们可能会寻找哪些证据来确定存在火山的星球的成分？
- 活火山
- 目前正在喷发或即将喷发的火山。
- 休眠火山
- 目前没有喷发的火山，但曾在有记录的历史中喷发过。
- 溢流式喷发
- 相对温和的、非爆发性的火山喷发。
- 喷发
- 岩浆释放到地球表面。喷发通常伴随着气体的释放。
- 爆发式喷发
- 火山喷发释放大量气体，使岩浆猛烈地喷射到空中。
- 死火山
- 在有记录的历史中没有喷发过的火山，被认为不太可能再次喷发。
- 岩浆房
- 地球内部被固体岩石包围的区域，包含岩浆。
- 火山碎屑
- 由火山喷发喷射到空中的火山岩碎片组成的岩石。
- 粘度
- 液体的“稠度”或“粘性”。液体越粘稠，流动越困难。
- 您认为科学家会使用什么类型的证据来判断古代火山喷发是爆发性的还是非爆发性的？
- 所有的火山都像高耸的山峰那样，顶部有一个火山口吗？
- 您认为 A'a 和 Pāhoehoe 这些名称的起源是什么？
- 地震并不总是意味着火山即将喷发。关于地震的哪些因素可能表明与火山喷发有关？