真正的超級火山正在南美洲醞釀,這種噴發規模人類從未見過

2022年01月19日09:00

  最近,湯加的火山噴發又喚起了人類對火山的恐懼。然而在真正的“超級火山”面前,無論是本次湯加火山噴發、1991年的菲律賓皮納圖博火山噴發,還是1815年帶來“無夏之年”的印尼坦博拉火山噴發,都只能算是“普通”火山噴發事件。

  超級火山中儲存著巨大的破壞力,爆發規模足以重塑大陸,而且人類從未見過這類噴發。在安第斯山脈高處的拉古納德爾莫勒,一個超級火山系統正在醞釀,它可能在我們有生之年積攢到非常巨大的規模。

  撰文 | 沙隆·霍爾(Shannon Hall) 

  翻譯 | 魏小潔

  一架空客直升飛機在智利安第斯山脈上空數百米劇烈顛簸。布拉德·辛格(Brad Singer)坐在艙內,即便已經被牢牢綁在艙內座位上,顛簸和清晰可見的路面還是讓辛格缺少安全感。

  但遠處的風景瞬間減輕了辛格的焦慮,那是大量火山噴發後留下的歷史性地標。在拉古納德爾莫勒(Laguna del Maule)火山地區,擁有大約50處熔岩流和70處火山灰沉積,周圍環繞著一個面積約54平方千米的冰藍色湖泊。辛格已經在這裏做了20多年的研究。他說,只有俯視這片土地,你才能瞭解火山到底有多巨大,才能意識到拉古納德爾莫勒火山最近一次噴發的力量到底有多強大,這簡直堪稱世界上最大的一次火山噴發。

  地質學家推測,這些流體和沉積物是在過去兩萬年間形成的,可能來自周圍25~30座火山。這樣的記錄和加利福尼亞州的長穀(Long Valley)一樣奇怪。在長穀,除了這種“一連串”的火山噴發之外,還有一個特點:大約在76.5萬年前,一座巨大的火山在這塊土地上炸出了一個500平方千米的深坑。如果再結合拉古納德爾莫勒火山在大約10年內出現的地面異常隆升現象,他們判斷,拉古納德爾莫勒火山很有可能成為世界範圍內下一個超級火山爆發的所在地。

  超級火山是地球上最具破壞性的力量之一。一旦爆發,會造成至少1000立方千米的岩石和灰燼衝出地球。這個體量基本是1980年毀滅性的聖海倫火山噴發量的2500倍。拉古納德爾莫勒火山岩漿房的最新地下資料顯示,岩漿房的體積已經足夠大了,具備一次性將所有物質噴發到空氣中的能量。

  最近,辛格和同事發現了一些有趣的跡象:從下方熾熱區域產生的氣泡可能會向上流動,突然撞擊冷卻的岩漿岩。不僅如此,科學家已經在其他火山中發現了相關證據,證明從深層高溫的岩漿房中噴發出的氣泡可以向上流動,衝擊低溫的固態岩漿房。研究人員試圖通過對拉古納德爾莫勒火山的實時觀測,將這些線索拚湊起來。

  醞釀超級火山

  歷史上超級火山爆發釋放的力量都非常驚人。例如,大約63.1萬年前美國黃石國家公園的一次火山噴發,釋放出了致命的熱浪、火山灰和毒霧,席捲整個景區。直到現在這些火山噴發物依然可達200米之厚。噴發過後,天空一片漆黑,大量的火山灰飄落到北美大片地區,留下一層碎石和灰塵。

  在有記錄的現代歷史中,還沒有超級火山爆發的身影。2013年,辛格啟動了一項為期5年的項目,他們試圖研究超級火山系統的過去和現在。他和同事與智利國家地質和採礦服務部(Chile‘s National Geology and Mining Service)合作,在地面部署了大約50個傳感器。除此以外,他們還駕駛直升機在湖面上方飛行,用便攜式儀器掃瞄湖面。

  所有的數據都表明,地表之下正在醞釀一場超級火山。美國地質調查局的地質學家朱迪斯·菲爾斯坦(Judith Fierstein)說:“我不想危言聳聽,但這的確表明拉古納德爾莫勒山的下方,正在彙聚形成一個岩漿房,而且越來越大。”科學家確實發現,這片區域位於一片岩漿儲層的上部,容量高達450立方千米,包含了巨量可爆性流紋岩岩漿。辛格說,如果火山全部噴發,這些岩漿就會轉化為1000立方千米的火山灰、岩石和熔岩,這個級別已經達到超級火山的規模了。

  通常,岩漿並不會瞬間全部噴發。但對於拉古納德爾莫勒火山的岩漿體量而言,只需10%的岩漿噴發,就會造成1883年印尼喀拉喀托火山(Krakatoa)兩倍左右的噴發規模。儘管不屬於超級火山級別,但這場噴發在1883年奪走了36 000人的性命。

  低溫的固態岩漿?

  還有很多科學家更關心拉古納德爾莫勒的溫度。根據傳統觀點,活火山下面的岩漿是一塊沸騰的液體團,裡面的岩漿像熔岩燈內的水珠一樣上升到地殼的頂部。但在2014年,俄勒岡州立大學的亞當·肯特(Adam Kent)和加利福尼亞大學戴維斯分校的卡里·庫珀(Kari Cooper)的一個發現讓科學家認識到,有些火山可能真的是冷性的。

  在俄勒岡州胡德火山噴發留下的岩石中,肯特和庫珀檢查了火山岩中的微小晶體。在噴發之前,這些晶體在下面的岩漿房中發育,一層一層地累積生長。就像樹木的年輪一樣,這個過程可以記錄和保存岩漿演化的化學反應過程,包括成分、壓力和溫度等信息的變化。胡德火山岩石的晶體表明,岩漿99%的時間都處於過冷而無法噴發的溫度狀態。在這種狀態下,岩漿不是典型的液態,而是一種糊狀物:在大量晶體組成的體系之間有一些流體存在。

  有科學家開始探索,這個過程是不是也適合其他的火山。2017年末,辛格和同事分析了加利福尼亞州長穀地區的火山殘留物,他們也看到了類似的固體記錄。同樣的,黃石國家公園的岩漿房也表現為較冷的糊狀結晶態。

  雖然肯特和庫珀已經發現,在北美和南美地區年代較為久遠的噴發點中,岩漿可能存在於溫度略高的區域。但很明顯,超級火山傾向於表現出岩漿房為固態的特點。超級火山在噴發前一直保持這種偏冷的狀態,這也意味著岩漿從近乎固態的狀態轉變為熾熱的液態,是在火山爆發前不久的時間內迅速發生的。庫珀在陶波火山的工作表明,超級火山系統在噴發前40年才開始液化。在長穀,液化發生在噴發前幾十年到幾百年之間。在黃石公園,這個過程也需要花幾十年的時間。

  那麼拉古納德爾莫勒情況如何?同樣地,巨大的岩漿體看起來像一種結晶的糊狀物。辛格和他的同事認為該火山系統95%是由晶體組成,只有5%是熔化的液態岩漿。這種糊狀物的溫度相對較低,大約在800℃左右。相比之下,2018年夏天從夏威夷基拉尤亞山坡上傾瀉而下的熔岩溫度約為1200℃。這些發現或許再次說明,溫度較低的岩漿在超級火山噴發前需要迅速“醒來”。

  拉古納德爾莫勒火山地區的衛星圖像,包括植被(植被)和冰雪覆蓋的山峰(圖片來源:NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS and U.S。/Japan ASTER Science Team)

  兩種機制

  但是這種理論也伴隨著一個難以解開的問題:接近固態的系統是如何迅速熔化並且移動的?亞利桑那州立大學的地質學家克里斯蒂·蒂爾(Christy Till)認為,在黃石國家公園,最近一次超級噴發是在液態岩漿從地球內部向上攀升撞擊到上部固態岩層時發生的。上升的液體與堅固的物質混合,熔化了晶體,加熱了整個腔室。在形成液體的過程中同時也增加了腔內壓力,使得岩漿噴湧到表面。

  然而,智利的情況可能不大相同。黃石公園坐落在熱地幔柱上,而拉古納德爾莫勒和長穀都不是。在這些地點,一個板塊的地殼正俯衝到另一個板塊之下,在俯衝的過程中,插入深部的岩石融化後會形成岩漿向上噴湧。

  俄勒岡大學的地質學家內森·安徒生(Nathan Andersen)分析拉古納德爾莫勒火山過去噴髮帶出的晶體時發現,起源於地球深部的玄武質岩漿並沒有完全滲透到火山系統中。這些岩漿滯留在拉古納德爾莫爾流紋岩類火山岩儲層的底部。這兩種岩石從來沒有混合過。玄武岩在流動停滯時冷卻下來,將熱量釋放給上面的物質,並以氣泡的形式釋放出揮發性的水蒸氣。當熱量和氣泡開始上升時,周圍晶體熔化,形成了漂浮的、充滿氣泡的羽狀流,羽狀流向上滲透到儲層頂部,會對地殼產生極大的壓力,以至於形成火山爆發。

  這樣的想法讓辛格很憂慮。如果目前不穩定的氣泡正在拉古納德爾莫勒火山下方升騰,當地居民就難以逃脫。這裏沒有熱液特徵,比如像噴氣孔、溫泉或山湖附近的通風口。辛格說:“在我看來,這使拉古納德爾莫勒比其他超級火山更危險。”如果氣體能夠泄漏到地表,儲層的增長速度可能會減緩。“但是,如果有一個完全被封閉在地下的儲集層,它被困在那裡,就會逐漸彙聚所有的岩漿和氣泡,積攢出規模巨大的火山系統。”而且,這種爆發一旦發生,地球都將被重塑,這將是人類歷史上從未見過的火山大爆發。

  因此,儘管目前拉古納德爾莫勒火山下方的儲層只是勉強達到超級火山的規模,但在未來幾個世紀很有可能變得更大。當然,目前辛格的擔憂還只是預測性的,噴發的機制也只是一種推斷。例如,不斷上升的熔融體(富含氣泡)本身可能無法產生足夠的壓力,無法引發巨型噴發,還需要地震作為額外的觸發機制。辛格的團隊目前正在嚐試識別潛在的、隱藏的觸發機制,以及相關的信號。

  即使拉古納德爾莫勒火山只產生一系列較小的火山噴發(表面的火山灰和熔岩記錄表明它在過去確實發生過連續的小型噴發),火山灰依然可能會使該區飛機無法通行,並且可能破壞阿根廷的農業生產。之前,辛格的團隊已將探測儀器從現場移除,但是,來自智利和阿根廷的科學家已經撿起了接力棒,安裝了新的監測器來輔助觀察湖面。或許在更深入瞭解超級火山後,科學家可以在預測爆發時間時,做得更好。

  本文轉自《環球科學》

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