地球/6c. 地球的火山：当地球轰鸣时！
作为岩石圈扩张点，大洋中脊是形成新地壳的离散板块边界。在漫长的地质时期内，洋底上的这部分新地壳将大陆推开。如果这些大洋中脊形成了新的地壳，那么一定还有其他地方的地壳被等量地破坏或回收到地球内部。尽管 20 世纪初的一些疯狂理论提出地球随着时间的推移而膨胀，变得越来越大，但地震和火山发生的地图揭示了地球地壳似乎被一个称为俯冲的过程破坏的其他地方。俯冲是指岩石圈板块向下进入更深熔化的软流圈的运动，而岩石圈板块的这种向下运动是由于一个岩石圈板块覆盖另一个下沉的岩石圈板块而导致的碰撞。俯冲现象最早是由两位科学家在太平洋两岸通过仔细聆听来自地球深处的音乐而发现的。
钢琴通过敲击不同长度的长弦发出声音。每根弦都会以特定的频率发出声音，从而以匹配的频率通过气体粒子发送振动。当气体粒子随着使耳膜振动的运动波纹时，这些声波就会被耳朵听到。地质学家雨果·贝尼奥夫就像听音乐一样聆听地球：聆听来自地球深处的振动，并将其三维地绘制出来。声波随距离变化，在传播过程中能量会损失。低频声波比高频声波传播得更远，通过聆听地球，贝尼奥夫可以绘制出声音起源于地球内部深处的区域。在某些区域，这些声音的起源位于地球内部非常深处，延伸到地表以下近 670 公里的深度。20 世纪 40 年代，贝尼奥夫在南太平洋汤加群岛以北的新西兰北部地区，确定了一个产生深层地震声音的区域。
一位名叫和达清夫的日本研究人员也独立地聆听地球发出的声音，并且也发现了太平洋地区超深层地震的区域，这次是在他家附近的日本。如今，这些区域被称为瓦迪-贝尼奥夫带，它们标志着地壳被一层岩石圈在下沉到另一层岩石圈下方时破坏的区域。当这两层巨大的脆性岩石相互摩擦时，这些深层地震的振动会从地下这些瓦迪-贝尼奥夫带辐射出来。绘制地震深度图标志着两块岩石圈地壳板块之间的边界，因为其中一块板块被俯冲或推到另一块板块下方。这些区域表现出最危险的地震和爆发性火山。在太平洋，这个地震和火山的环带被称为火环！
俯冲是指冷而脆的岩石圈在下沉到另一层厚厚的岩石圈之下。这一过程使向下俯冲的岩石圈板块承受极高的热量和高温。向下移动的岩层熔化成熔融岩浆，熔融岩浆密度较小，会上升，形成一个容易发生大规模地震和巨大爆发性火山的区域。这在北美西北海岸表现出来，那里有一连串大型火山，包括著名的圣海伦斯火山，它们耸立在喀斯喀特山脉之上。
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1980 年 5 月 17 日，四位科学家站在营地的边缘，眺望华盛顿州喀斯喀特山脉中一座活火山的景色。 胡安·德富卡板块是一个小的岩石圈板块，它起源于西北太平洋海岸外海域大洋中脊的离散板块边界。该板块向东移动，在那里它在俯冲带下沉到北美大陆边缘下方。在这个区域之上，贝克山、雷尼尔山、胡德山和亚当斯山等大型火山从云层中探出头，山峰覆盖着积雪。它们共同形成了喀斯喀特山脉。这些山脉中最美丽的之一是圣海伦斯火山，由于其曾经对称的形状，它经常被称为美国的富士山。1980 年，这座山是一座休眠火山，上次喷发是在将近 150 年前的 1842 年，尽管最后一次大规模喷发是在很久以前的 1482 年左右。这四位科学家来这里是为了观看火山并露营在疏散区的边缘。 哈里·格利肯是最年轻的成员，只有 22 岁，他是一位热情的科学爱好者。那些认识他的人形容他社交笨拙，痴迷于火山，他身材瘦削，戴着厚厚的眼镜，留着粗糙蓬乱的胡须。他在过去的两个星期里一直在这个地方露营，正准备前往加利福尼亚大学，他希望在那里继续攻读研究生课程。大卫·约翰斯顿来到营地继续监测火山，在格利肯即将离开的时候。约翰斯顿 30 岁，在美国地质调查局工作，最初的团队负责人唐·斯旺森打算留在营地，但他有一个与来访学生的会议，所以约翰斯顿从温哥华出发前往山上，继续对火山进行观察。
大卫·约翰斯顿对火山喷发出的火山气体很感兴趣，希望从遥远的营地监测火山喷发，那里可以欣赏到火山直冲云霄的美丽景色。营地里还有两位年轻的女科学家，明迪·布鲁格曼和卡罗琳·德赖格，她们开车到附近的营地过夜。明迪·布鲁格曼设计了一种可以测量距离的激光测距工具。激光测距工具已安装在营地的山脊上，可以无遮挡地看到 6 英里外的火山，并收集有关山体边缘距离的数据，因为它似乎正在向上凸起。她们来这里是为了研究它的运动，并在数据收集方面提供帮助。她们将在约翰斯顿的拖车附近用帐篷露营。
科学家们的到来是一系列事件的结果，这些事件始于3月15日。在1980年的那天，美国地质调查局（USGS）于1972年安装的地震仪探测到一系列地震，这些地震表明火山可能很快就会爆发。USGS火山学家大卫·约翰斯顿开始前往这座山，并开始测量温度和收集空气样本。直升机把他运送到火山上的偏远山脊。从这些下车点，他迅速攀登危险的山坡，进行实验和数据收集。3月27日，一股火山灰和气体羽流喷发到空中近7000英尺，但几周后，喷发却奇怪地停止了。火山似乎恢复到休眠状态。在名为冷水二号的营地，明迪·布鲁格曼的激光测量工具表明，随着气体开始在地下聚集，这座山实际上正在向上和向外隆起。激光反射在唐·斯旺森放在山侧的镜子上。令人惊讶的是，根据他们的远程激光测量，这座山每天都在长高5到8英尺。那天晚上，天气异常晴朗。明亮的星星在夜空中闪烁。营地是观赏火山并观察地质过程的绝佳地点。这四位年轻的科学家都是训练有素的地质学家，但他们都很年轻，因此愿意冒着生命危险，一睹一生难逢的火山喷发景象。大卫·约翰斯顿比其他人更了解他们所处的危险。他认为火山气体正在上升穹顶下方聚集，而最近没有发生蒸汽喷发，预示着这座山体下方隐藏着一个定时炸弹。蒸汽喷发是指火山喷发过程中，火山气体和热蒸汽从火山口爆发性喷出的现象，这些爆发性喷发会产生大量火山灰和火山碎屑岩，将它们喷射到火山上空的高空中。它们极其危险。
火山可以根据岩浆中二氧化硅（SiO2）的含量来分类。硅（Si）和氧（O）都是亲石元素，在大陆岩石以及地球的地壳和岩石圈中很常见。二氧化硅与玻璃中发现的分子相同，像玻璃一样，固体SiO2在在地球表面的压力和温度下会碎成小块。如果你曾经打碎过玻璃或陶瓷碗，或者在厨房里被一块锋利的玻璃碎片割伤过，你就会意识到二氧化硅的脆性。二氧化硅在地壳上方俯冲板块中的富集，很大程度上是由于它的熔点以及与水（H2O）的相互作用。随着H2O和SiO2一起俯冲，来自上覆海洋的水填充岩石中的孔隙空间，并随着深度增加而被过热成蒸汽。这种蒸汽或非常热的水蒸气有助于降低周围二氧化硅岩石的熔点，导致在比没有水的情况下更低的温度下形成熔融液体和岩浆房。随着岩浆上升，由于压力降低，它也会熔化，当物质向上穿过地壳时，超过熔点。主要含有二氧化硅的岩浆称为流纹岩浆。流纹岩浆是火山中最具爆发性的岩浆类型。相反类型的岩浆是玄武岩浆，它含有较少的二氧化硅，因此往往粘度较低；这种类型的岩浆通常会以缓慢流动的熔岩形式从火山中流出。熔岩是到达地表并从火山或火山喷口流出的熔融液体岩浆，有时速度很快，有时速度很慢。含二氧化硅量低的玄武岩浆，往往爆发性较弱，但当熔岩遇到建筑物和道路时，会造成重大损害，以熔融岩石的形式，燃烧它所遇到的一切；木制房屋、钢制汽车和混凝土建筑物。
二氧化硅可以与其他元素反应形成各种称为硅酸盐的矿物。这些矿物在大陆地壳中主要是石英；地球表面最常见的矿物之一。火山学家测量火山中二氧化硅的含量，以确定火山爆发的强度。岩石中二氧化硅含量低于或等于50%的火山被称为玄武岩火山。玄武岩火山是爆发性最弱的火山，包括许多从富含玄武岩的海底地壳中喷发的火山。像夏威夷这样的玄武岩火山会产生流动的熔岩。熔岩是地表的液体熔融岩石，而岩浆是用于指埋藏在地表以下的液体熔融岩石的术语。两者都非常热，温度在800°到2,000°摄氏度之间（大多数在1,000°到1,200°摄氏度之间）。流动顺滑的熔岩会冷却形成绳状熔岩。绳状熔岩是由粘度低的熔融熔岩形成的，形成光滑的波状或绳状岩块。阿阿熔岩（发音为Ah-Ah）是由粘度高的熔融熔岩形成的，形成非常粗糙和崎岖易碎的岩块。
含有大量二氧化硅和水的爆发性火山在喷发过程中会产生大量的火山灰。这是由于这些类型的火山在喷发过程中释放的火山气体增加造成的。火山碎屑是从火山喷出的熔岩和岩浆，通常被地下火山气体的积聚抛向空中。火山碎屑岩是指在火山附近积累的厚厚的火山碎屑物质沉积物。火山灰是由喷射到空中的微小火山碎屑颗粒组成，由于它们体积小，可以被风吹到很远的地方。2010年埃亚菲亚德拉冰盖火山和2011年格里姆火山喷发，这两次喷发都在冰岛，产生了大量的火山灰，导致欧洲数千次航班取消。如此大规模的火山灰喷发会导致全球轻微降温，例如1815年的坦博拉火山喷发、1883年的喀拉喀托火山喷发和1991年的皮纳图博火山喷发，这些火山喷发都在东南太平洋地区。这些主要的火山喷发导致了大量CO2和SO2的释放，但天空变暗是由于释放了大量的火山灰，这减少了照射到地球表面的阳光，使地球温度暂时降低了约1摄氏度。
火山是地球上任何熔融物质从其喷发出来的地质特征。这包括洋底洋中脊沿线的海底火山，以及陆地表面喷发的火山。火山也可能位于南极洲的冰盖下方，并导致深处的冰川融化。火山根据其大小和形状进行分类。
层状火山是具有陡峭圆锥形山体的火山，由火山碎屑岩或熔岩层组成，是经典的火山形状，顶部有一个圆形火山口。这些火山由向上移动的岩浆储量支撑，熔岩从火山口流出，或火山碎屑物质从高火山口喷出。日本的富士山和圣海伦斯山是这种经典火山类型的例子。
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盾状火山是更大、形状更宽广的火山，形成广阔的穹顶形地形。它们是由冷却的流动熔岩逐渐堆积形成的，而不是由火山碎屑物质喷发形成的，因此往往坡度较缓。夏威夷大岛上的莫纳罗亚火山是盾状火山的例子。
火山碎屑锥或火山渣锥是较小的火山，由大量喷出的火山碎屑岩形成，这些火山碎屑岩沿着火山喷口堆积，形成一堆物质。火山碎屑锥的一个例子是位于亚利桑那州弗拉格斯塔夫北部的大便壶（有时被称为S P火山）。它们往往相当小，并且经常与其他较大的火山密切相关。这些火山可以由裂隙喷发形成，其中火山场内会打开一个喷口。
破火山口火山是活火山中最大的，包括直径达数公里的巨大区域。它们形成一个巨大的岩浆房，这个岩浆房如此之大以至于无法得到火山岩颈的支持，最终会下沉，中心火山口在积水后形成湖泊。由于其体型庞大，破火山口火山可能最具爆发力和危险性，因为它们的影响范围可以从中心延伸到很远。喷发频率较低，但在过去有过此类超级喷发的历史记录。黄石公园就是一个破火山口火山的例子，它位于这个超级火山的顶部；俄勒冈州的火山口湖是一个较小的破火山口火山。
溢流玄武岩火山是大型火山，会向周围景观喷发熔岩流，覆盖范围可能非常广阔。在这些火山喷发过程中形成的广泛玄武岩层是溢流玄武岩火山的证据。哥伦比亚河溢流玄武岩就是这种火山喷发模式的一个例子，在俄勒冈州的一大片区域，厚厚的熔岩层覆盖了整个地区。
大型火成岩省（LIPS）是指规模巨大的火山喷发，导致大量熔岩喷发，岩浆穿过广泛的岩脉和岩床。岩脉是垂直的岩浆房，而岩床是水平的岩浆房。大型火成岩省覆盖了地球的大片区域（数千公里），并且常常与主要的生物灭绝事件相关联。这些喷发产生了印度的德干暗色岩和俄罗斯的西伯利亚暗色岩。术语“暗色岩”之所以使用，是因为它们留下的玄武岩地形非常陡峭和复杂。
大多数火山通常位于岩石圈板块俯冲的区域，但并非所有火山都沿着这些板块边界形成。许多火山，尤其是海底火山，都位于洋中脊。其他火山则位于裂谷中，那里覆盖的岩石圈板块被拉伸和变薄（有时会被拉开并断裂成正断层），这使得地壳下方这些薄弱区域的熔融岩浆向上运动，而其他火山则与热点相关。
热点是一个地质上令人着迷的特征，据信是由软流圈深处岩浆的浅层对流向上涌动，甚至来自地球更深层的地幔下部的热量上升所导致的。这种额外的热量导致经过其上方的岩石圈板块熔化。就像在移动的纸张下方放置一支蜡烛一样，热点会导致一系列火山，从最活跃到休眠再到熄灭，因为岩石圈板块经过这个热点。夏威夷群岛据信是由太平洋中存在的热点形成的，而黄石公园也被认为是热点经过北美内部的结果。热点理论存在很大争议，一些地质学家认为，它们不是由对流驱动的岩浆地幔柱形成的，而是由这些区域的岩石圈板块破裂或断裂形成的。关于热点起源的地幔柱与板块之争在地质学领域非常活跃。
火山对居住在其附近的人们构成重大危害。城市可能被快速移动的火山碎屑流吞噬，火山喷口释放的有毒气体可能导致动植物死亡，火山灰可能导致边坡失稳和重大山体滑坡，摧毁村庄，相关的震动可能引发海啸。由于火山的活跃特性，已有数千人丧生。1985年，哥伦比亚内瓦多德鲁伊斯火山喷发，造成超过23000人死亡，当时大规模的火山泥流（称为火山泥石流）冲毁了阿尔梅罗市。1982年墨西哥奇钦火山喷发，火山灰覆盖了大片区域，导致当地农业严重损失，并造成4000名居住在火山附近的人员死亡。密切监测地震仪对于在发生地震时发出疏散附近城镇和城市的预警非常重要，因为火山喷发通常紧随地震之后。陡峭火山的排水沟也容易发生火山碎屑流，由于其对居住在这些危险区域的人们构成的威胁，因此应长期避免在这些地方居住。由于火山喷发频率低，而且往往比人类寿命更长，因此人们对火山破坏的记忆很短暂，常常会错误地产生安全感。
戴维·约翰斯顿知道那天晚上在圣海伦斯火山上方的营地里，他为自己置于危险之中。他告诉明迪·布鲁格曼、卡罗琳·德赖格和哈里·格利肯，他们应该开车返回温哥华。他们想留下来过夜，但在听到他让他们离开时，意识到他语气中的担忧。他们驱车下山，只有戴维·约翰斯顿留下来观赏星空，等待火山喷发。1980年5月18日上午8:32，晨曦照耀在他露营的拖车上，戴维·约翰斯顿突然看到面前巨大的火山开始坍塌。山侧的隆起部分坍塌，火山灰向侧方直接喷射到他的山脊上。整座山的一侧向上和向外喷射，几秒钟内就跨越了6英里。他伸手去拿业余无线电，并断断续续地说出了最后的话，“温哥华！温哥华！就是这样！”他生命中的最后时刻被当地业余无线电民防服务操作员杰里·马丁观察到，杰里·马丁在更高的观测点露营。他发消息说：“先生们，坐在我南边的露营车和汽车被覆盖了。它也会击中我。”此后便再也没有他的消息。随着整座山侧坍塌并向戴维·约翰斯顿露营的山脊爆裂，爆炸改变了地形的结构。大约300平方英里的区域完全被摧毁，57人在火山喷发中丧生，包括戴维·约翰斯顿和杰里·马丁。幸存下来的三个人，明迪·布鲁格曼、卡罗琳·德赖格和哈里·格利肯，他们已经开车返回温哥华，他们将终生致力于研究火山，并警告公众其危险性。
地球是一个充满活力的星球，它正受到在不同时间尺度上起作用的过程的改造。地球内部蕴藏的巨大热量和压力可以释放出来，并导致灾难。
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