解剖火山：同一个地球的火山“分泌物”为什么如此不同？

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小科普：随我看地球 – 四十六集
 
一、我们为什么要研究火山？ 地球的“青春痘”里藏着什么秘密？
想象一下，地球是一颗巨大而活跃的生命体，而火山就像是它的“毛孔”或“青春痘”——时而温柔地“渗出”熔岩，时而猛烈地“爆痘”喷发。这些地球的“分泌物”不仅塑造了我们脚下的山川大地，还隐藏着地球46亿年生命史的密码。
 
火山研究绝不仅仅是科学家的“摇滚爱好”。首先，火山是地球内部动态的“窗口”。人类至今无法钻透地壳，即使在最薄的太平洋地壳也无能为力。火山将地幔深处的物质“快递”到地表，我们才有机会得以窥探地球内部的模样。
 
其次，火山创造了生命的基础。早期地球大气中的水分、二氧化碳、氮气等，大部分来自火山喷发；第一个单细胞生命，可能就诞生在深海热液喷口，即洋中脊火山旁。
 
再者，火山活动与资源息息相关。全球约80%的铜、金、银等金属矿产与火山作用有关；肥沃的火山灰土壤（如爪哇岛、意大利波河平原，长白山）养活了数亿人口；地热能这种清洁能源，更是火山活动的直接赠礼。
 
最后，也是最现实的：为了生存。全球约有8亿人生活在火山风险区。了解火山，就是学会与这颗“脾气暴躁”的星球共存的艺术。
 
二、火山的“血型”：酸性的、基性的和超基性的地球“血液”
火山喷出的熔岩冷却后形成火山岩，它们的化学成分差异，就像人类拥有不同的“血型”，即岩浆（Magma）。决定“血型”的关键是一种叫做二氧化硅（SiO₂），即石英的物质，广义上也可以叫玻璃物质。这种"血液"大致可分4种：
 
1. 酸性（长英质）岩浆（Acidic或Felsic Magma）：此为富含硅、铝、钠、钾等轻元素的一类岩石，属地球的“粘稠精华”。其特点是二氧化硅含量高（>65%），铁、镁含量低。像“糯米糕”一样极其粘稠、流动性差。温度较低（约700-900°C）。冷却后的岩石有流纹岩（Rhyolite，图1A）等。酸性岩颜色浅，常呈灰白、粉红色，密度小。其喷发风格非常“暴烈”。高粘性会困住气体，导致压力积聚，最终以爆炸式喷发释放，产生巨量火山灰、浮岩及炽热的火山碎屑流。
 
2，中性岩浆（Intermediate Magma）：中酸性/中性岩浆，二氧化硅含量中等（约52-63%），代表岩石有安山岩（Andesite，图1B）。 安山岩的二氧化硅含量介于玄武岩和流纹岩之间，在化学成分上属于中性岩。由于它通常与大陆边缘的火山活动（如环太平洋火山带）相关，并含有一定量的石英和长石，有时也被描述为中酸性，以强调其向酸性岩过渡的性质。
 
3，基性（镁铁质）岩浆（Mafic或Basic Magma）：地球的“主流血液”。其特点是二氧化硅含量低（约45-52%），但富含铁、镁。像“稀饭”一样流动性好、粘度低，温度高（约1000-1200°C）。冷却后的岩石就是玄武岩（Basalt，图1C-D）。颜色深黑或暗绿，密度大。地球上最常见的火山岩，几乎构成全部洋壳和大部分火山岛。其喷发风格通常很“温和”，以宁静的熔岩溢流为主，形成熔岩流、熔岩台地，不易造就高山。
 
4，超基性岩浆（Ultramafic或Ultrabasic Magma）：地球的“古老原始血液”。其特点是二氧化硅含量极低（<45%），铁、镁含量极高，颜色深，也有绿色，非常稀薄。冷却后形成的岩有科马提岩（Komatiite，图1AF）和苦橄岩（Picrite，图1E）。科马提岩极为罕见，是目前公认的、由真正意义上的超基性岩浆直接喷发冷却形成的最典型岩石。其标志性的“鬣刺结构”是岩浆在极高温度下（>1600°C）快速结晶的证明。通常只能在太古代（25亿年前）古老地层中找到。它的出现，暗示着当时地球内部温度比现在高得多。

打个比方：基性岩浆像“稀蜂蜜”，能轻松流淌很远；酸性岩浆像“凝固的麦芽糖”，容易堵住出口然后“炸锅”； 超基性岩浆则像“水一样的油”， 现代地球上几乎见不到它的“活体”喷发了。
 
三、火山的“家族图谱”：脾气迥异的火山类型
不同的岩浆成分，遇上不同的地质构造环境，造就了形态、性格各异的火山家族成员 一 火山类型。根据其主要特征与形态、岩性（喷出物） 形成机制与分布规律，可以区分以下六种火山类型：
1，盾状火山（Shield Volcanoes）： 这类火山宽缓如盾，坡度仅5-10°，是体积最大的火山类型（图2A）。 几乎全是基性的玄武岩熔岩流，主要出现在热点火山（Hotspot Volcanoes）或大洋板块内。它起源于地幔的简单熔融，地幔的橄榄岩在浅部（通常小于50公里）经历“部分熔融”，产生的熔体汇聚、上升并快速冷却凝固。 它忠实地记录了它形成时的深度、温度和构造环境。低粘度玄武岩熔岩能反复流淌很远，层层堆叠成宽缓山体，喷发方法主要为溢流式（Effusive Eruption)或宁静溢流式（Hawaiian Eruption），如夏威夷群岛的莫纳罗亚和基拉韦厄火山，以及冰岛玄武岩火山。其生命周期可长达百万年，喷发活动频繁但温和，几乎持续不断。 在洋中脊几乎都形成枕状玄武岩（图1D）。
 
2，层状火山或复式火山（Stratovolcanoes或 Composite Volcanoes）：这是经典的锥形山，对称优美，坡度约25-35°，岩性为中酸性的安山岩至流纹岩（图2B）。分层明显，一层熔岩、一层火山碎屑， 喷发方式一般为较强烈， 如伏尔坎宁式（Vulcanian Eruption）， 普林式（Plinian Eruption）。 它们绝大多数发生在板块俯冲带，当然还有大陆裂谷等地方。由于俯冲的板块脱水，促使上覆地幔熔融，产生中酸性岩浆。以安第斯火山为例，它就像一座巨大的“天然岩石冶炼厂”，俯冲带提供了富含水的地幔熔融岩浆，而厚重大陆地壳则充当了“熔炉”和“过滤器”，通过复杂的物理化学过程，最终将原始的基性岩浆“精炼”成了中性的安山岩并喷发出来。
 
层状火山喷发具有 “间歇性”或“准周期性”，即在一次喷发后，会经历一个不确定长短的休眠期，然后再次喷发。这个“周期”极不规律，无法用固定年份预测。环太平洋“火环” 是层状火山的绝对主角：如日本富士山、意大利维苏威火山、菲律宾马荣火山、美国的雷尼尔火山（Mount Rainier)、圣海伦斯山 (Mount St. Helens)，还有南美洲安第斯山火山带上的一系列火山。
 
3，破火山（Caldera）： 这种火山经过大规模喷发，导致地下岩浆房空虚，从而引发火山顶部塌陷形成的巨大碗状凹陷（图2E）。狭义而言，它是一种火山结构，而不是一种火山类型。“破火山口”通常比火山原有的火山口大得多，其直径往往有数公里至数十公里，常伴有一个小的中央火山锥。 它以酸性的流纹岩、英安岩为主，伴随灾难性的火山灰流。地球表面的流纹岩，绝大部分是大陆地壳物质（以花岗质成分为主）部分熔融的直接产物，或是其岩浆经过极端演化而喷出的产物。巨量酸性岩浆从地下岩浆房喷发后，房顶失去支撑而发生大规模塌陷。 喷发方式一般为强烈或超强烈的普林式（Plinian Eruption）和超普林式（Ultra-Plinian Eruption）。这类火山生命周期中，有漫长的休眠期（数百年至数千年），但一旦苏醒，破坏力极强，甚至更长。美国黄石国家公园、印度尼西亚多巴湖。浙闽沿岸（如雁荡山）的白垩纪火山带也是最好的破火山范例。
 
4，玛珥火山 （Marr Volcanoes）：Maar是一种火山地貌，通常表现为一个低平、宽口的碗状火山口，四周被一圈由火山爆发碎屑物（如火山灰、火山渣）构成的凝灰岩环包围。玛珥火山口内常常积水形成湖泊，即玛珥湖（图2C-D）。岩性为基性至中性的玄武岩、霞石岩等，并富含蒸汽爆炸形成的碎屑。
 
它的形成非常独特，是炽热的岩浆在上升过程中，与地下水或地表水发生剧烈接触，从而引发猛烈的蒸汽岩浆爆发（水汽爆炸）所致。这种爆炸炸穿了地表，但喷出的主要是原有的岩石碎屑，而非大量新的岩浆。 这种方式称"潜水岩浆喷发（Phreatomagmatic Eruption）"。中国广东湛江湖光岩、内蒙、德国艾菲尔地区都有玛珥湖。
 
5，泥火山（Mud Volcanoes）：这是一种由泥、水与气体（主要为甲烷）混合形成的“假火山”，通常高度仅为数米至数百米，且温度较低（图2F）。它不含或仅含极少量岩浆，其形成与地下油气田或富含流体的沉积层有关——当这些物质在地下压力作用下沿裂缝喷出地表时，便会形成泥火山。 泥火山也有多种喷发方式，如平静渗溢式（Seepage Extrusion)，间歇喷涌式（Intermittent Gushing）， 水下喷发式（Subaqueous Eruption)， 剧烈爆炸式（Violent Explosion）。泥火山的物质成分来源绝大多数不是来自地幔， 而来自地壳沉积物中，如固体泥质来自泥岩、页岩、粘土岩等细粒沉积岩，高压流体在上升途中将其粉碎、软化、搅拌成泥浆；水主要是沉积岩孔隙中封存的地层水（古海水），是泥浆的载体和主要液体成分；气体（甲烷为主）来源于生物成因及浅层有机质被微生物分解；其他物质，如岩盐、硫磺、原油等都是与沉积盆地相关的矿物。
 
泥火山在全球分布广泛，例如中国新疆、阿塞拜疆巴库、东南亚地区以及台湾屏东等地均有发现。 不少人误以为泥火山附近的油气资源直接源自于火成岩喷发物，并错误地认为是火成岩（无机）成油。 实际上，真正的石油和天然气生成于，并储藏于地壳表面以下数千米至万米以上的沉积地层中，而非产自泥火山本身，和岩浆活动无关。
 
6，洋中脊火山 （Mid-Ocean Ridge Volcanoes): 这是一种隐没于深海之下的巨型山脉，名为洋中脊，它连绵数万公里，是地球上最宏伟且最漫长的火山链（图2G）。其岩性几乎全为玄武岩。由于被海水迅速冷却，这里的火山很少形成典型的盾状外形，即盾状火山，而是喷发出一种独特的“枕状熔岩”，犹如堆叠的枕头。 其形成源于板块构造运动， 当海底板块彼此张裂分离时，下方的地幔物质便会趁势上涌，因压力降低而熔融，不断喷发冷凝以形成新的洋壳。我们所熟知的大西洋中脊与东太平洋海隆，正是这类构造的典型代表。

总而言之，80%的活火山集中在板块边界，即，分离边界（洋中脊），汇聚边界（俯冲带），及板块内部的热点。火山的“一生”分为活跃期、休眠期与死火山阶段。判断死活极其困难，许多火山休眠上万年仍可能复苏。
 
四、火山的“馈赠”
火山绝非只有破坏，它更是伟大的“矿藏锻造师”和“肥料化工厂”。
 
1，金属矿藏的源泉：火山活动特别是热液作用，能将地壳深处分散的金属元素“搬运”、“富集”成具有经济价值的矿床。比如：与中酸性次火山岩体关系密切的斑岩型铜、金、钼矿等，提供了全球近3/4的铜。智利、秘鲁的巨型铜矿皆源于此；黑矿型铅锌银矿，产于古代海底火山喷发形成的硫化物矿床； 钻石 -- 来自一种叫金伯利岩的罕见超基性火山岩，它像“火箭”一样将地幔深处的钻石快速带上地表。
 
2，肥沃土壤制造商：火山灰和火山岩风化后形成的土壤，富含钙、钾、磷、镁等植物必需的营养元素，且孔隙多、保水性好。印度尼西亚、菲律宾、意大利、日本等国许多高产农业区都依赖火山土。
 
3，清洁能源——地热：火山活跃区是地热能的宝库。地下水被岩浆加热，形成高温地热田，可用于发电（如冰岛、新西兰、美国盖瑟斯地热田）和直接供暖。
 
4，建材与工业原料：流纹岩，安山岩，浮岩（轻质多孔）是绝佳的建材；玄武岩可制成“铸石”，耐磨耐腐蚀；火山灰是古罗马混凝土的秘方，也是现代水泥的原料之一。
 
五，结语
从宁静流淌的玄武岩熔岩到毁灭一切的酸性火山碎屑流， 从创造生命的深海热液到摧毁文明的超级喷发，火山这位地球的“分泌物”，以其复杂多变的性格，向我们展示了星球内部无与伦比的能量和创造力。研究火山，就是在解读地球的过去，把握资源的脉搏，并学习如何与这个动态星球的原始力量智慧共存。 下次当你看到火山的图片或新闻时，或许可以感受到，这不仅是自然的奇观，更是一首来自地球深部的、磅礴而古老的诗篇。
 
作者简介：章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。
1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。
出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。
在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei).
出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上, 如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology, Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇.