真正的超级火山正在南美洲酝酿,这种喷发规模人类从未见过

真正的超级火山正在南美洲酝酿,这种喷发规模人类从未见过
2022年01月19日 09:00 新浪科技综合

  最近,汤加的火山喷发又唤起了人类对火山的恐惧。然而在真正的“超级火山”面前,无论是本次汤加火山喷发、1991年的菲律宾皮纳图博火山喷发,还是1815年带来“无夏之年”的印度尼西亚坦博拉火山喷发,都只能算是“普通”火山喷发事件。

  超级火山中储存着巨大的破坏力,爆发规模足以重塑大陆,而且人类从未见过这类喷发。在安第斯山脉高处的拉古纳德尔莫勒,一个超级火山系统正在酝酿,它可能在我们有生之年积攒到非常巨大的规模。

  撰文 | 沙隆·霍尔(Shannon Hall) 

  翻译 | 魏小洁

  一架空客直升飞机在智利安第斯山脉上空数百米剧烈颠簸。布拉德·辛格(Brad Singer)坐在舱内,即便已经被牢牢绑在舱内座位上,颠簸和清晰可见的路面还是让辛格缺少安全感。

  但远处的风景瞬间减轻了辛格的焦虑,那是大量火山喷发后留下的历史性地标。在拉古纳德尔莫勒(Laguna del Maule)火山地区,拥有大约50处熔岩流和70处火山灰沉积,周围环绕着一个面积约54平方千米的冰蓝色湖泊。辛格已经在这里做了20多年的研究。他说,只有俯视这片土地,你才能了解火山到底有多巨大,才能意识到拉古纳德尔莫勒火山最近一次喷发的力量到底有多强大,这简直堪称世界上最大的一次火山喷发。

  地质学家推测,这些流体和沉积物是在过去两万年间形成的,可能来自周围25~30座火山。这样的记录和加利福尼亚州的长谷(Long Valley)一样奇怪。在长谷,除了这种“一连串”的火山喷发之外,还有一个特点:大约在76.5万年前,一座巨大的火山在这块土地上炸出了一个500平方千米的深坑。如果再结合拉古纳德尔莫勒火山在大约10年内出现的地面异常隆升现象,他们判断,拉古纳德尔莫勒火山很有可能成为世界范围内下一个超级火山爆发的所在地。

  超级火山是地球上最具破坏性的力量之一。一旦爆发,会造成至少1000立方千米的岩石和灰烬冲出地球。这个体量基本是1980年毁灭性的圣海伦火山喷发量的2500倍。拉古纳德尔莫勒火山岩浆房的最新地下资料显示,岩浆房的体积已经足够大了,具备一次性将所有物质喷发到空气中的能量。

  最近,辛格和同事发现了一些有趣的迹象:从下方炽热区域产生的气泡可能会向上流动,突然撞击冷却的岩浆岩。不仅如此,科学家已经在其他火山中发现了相关证据,证明从深层高温的岩浆房中喷发出的气泡可以向上流动,冲击低温的固态岩浆房。研究人员试图通过对拉古纳德尔莫勒火山的实时观测,将这些线索拼凑起来。

  酝酿超级火山

  历史上超级火山爆发释放的力量都非常惊人。例如,大约63.1万年前美国黄石国家公园的一次火山喷发,释放出了致命的热浪、火山灰和毒雾,席卷整个景区。直到现在这些火山喷发物依然可达200米之厚。喷发过后,天空一片漆黑,大量的火山灰飘落到北美大片地区,留下一层碎石和灰尘。

  在有记录的现代历史中,还没有超级火山爆发的身影。2013年,辛格启动了一项为期5年的项目,他们试图研究超级火山系统的过去和现在。他和同事与智利国家地质和采矿服务部(Chile‘s National Geology and Mining Service)合作,在地面部署了大约50个传感器。除此以外,他们还驾驶直升机在湖面上方飞行,用便携式仪器扫描湖面。

  所有的数据都表明,地表之下正在酝酿一场超级火山。美国地质调查局的地质学家朱迪斯·菲尔斯坦(Judith Fierstein)说:“我不想危言耸听,但这的确表明拉古纳德尔莫勒山的下方,正在汇聚形成一个岩浆房,而且越来越大。”科学家确实发现,这片区域位于一片岩浆储层的上部,容量高达450立方千米,包含了巨量可爆性流纹岩岩浆。辛格说,如果火山全部喷发,这些岩浆就会转化为1000立方千米的火山灰、岩石和熔岩,这个级别已经达到超级火山的规模了。

  通常,岩浆并不会瞬间全部喷发。但对于拉古纳德尔莫勒火山的岩浆体量而言,只需10%的岩浆喷发,就会造成1883年印度尼西亚喀拉喀托火山(Krakatoa)两倍左右的喷发规模。尽管不属于超级火山级别,但这场喷发在1883年夺走了36 000人的性命。

  低温的固态岩浆?

  还有很多科学家更关心拉古纳德尔莫勒的温度。根据传统观点,活火山下面的岩浆是一块沸腾的液体团,里面的岩浆像熔岩灯内的水珠一样上升到地壳的顶部。但在2014年,俄勒冈州立大学的亚当·肯特(Adam Kent)和加利福尼亚大学戴维斯分校的卡里·库珀(Kari Cooper)的一个发现让科学家认识到,有些火山可能真的是冷性的。

  在俄勒冈州胡德火山喷发留下的岩石中,肯特和库珀检查了火山岩中的微小晶体。在喷发之前,这些晶体在下面的岩浆房中发育,一层一层地累积生长。就像树木的年轮一样,这个过程可以记录和保存岩浆演化的化学反应过程,包括成分、压力和温度等信息的变化。胡德火山岩石的晶体表明,岩浆99%的时间都处于过冷而无法喷发的温度状态。在这种状态下,岩浆不是典型的液态,而是一种糊状物:在大量晶体组成的体系之间有一些流体存在。

  有科学家开始探索,这个过程是不是也适合其他的火山。2017年末,辛格和同事分析了加利福尼亚州长谷地区的火山残留物,他们也看到了类似的固体记录。同样的,黄石国家公园的岩浆房也表现为较冷的糊状结晶态。

  虽然肯特和库珀已经发现,在北美和南美地区年代较为久远的喷发点中,岩浆可能存在于温度略高的区域。但很明显,超级火山倾向于表现出岩浆房为固态的特点。超级火山在喷发前一直保持这种偏冷的状态,这也意味着岩浆从近乎固态的状态转变为炽热的液态,是在火山爆发前不久的时间内迅速发生的。库珀在陶波火山的工作表明,超级火山系统在喷发前40年才开始液化。在长谷,液化发生在喷发前几十年到几百年之间。在黄石公园,这个过程也需要花几十年的时间。

  那么拉古纳德尔莫勒情况如何?同样地,巨大的岩浆体看起来像一种结晶的糊状物。辛格和他的同事认为该火山系统95%是由晶体组成,只有5%是熔化的液态岩浆。这种糊状物的温度相对较低,大约在800℃左右。相比之下,2018年夏天从夏威夷基拉尤亚山坡上倾泻而下的熔岩温度约为1200℃。这些发现或许再次说明,温度较低的岩浆在超级火山喷发前需要迅速“醒来

  拉古纳德尔莫勒火山地区的卫星图像,包括植被(植被)和冰雪覆盖的山峰(图片来源:NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS and U.S。/Japan ASTER Science Team)

  两种机制

  但是这种理论也伴随着一个难以解开的问题:接近固态的系统是如何迅速熔化并且移动的?亚利桑那州立大学的地质学家克里斯蒂·蒂尔(Christy Till)认为,在黄石国家公园,最近一次超级喷发是在液态岩浆从地球内部向上攀升撞击到上部固态岩层时发生的。上升的液体与坚固的物质混合,熔化了晶体,加热了整个腔室。在形成液体的过程中同时也增加了腔内压力,使得岩浆喷涌到表面。

  然而,智利的情况可能不大相同。黄石公园坐落在热地幔柱上,而拉古纳德尔莫勒和长谷都不是。在这些地点,一个板块的地壳正俯冲到另一个板块之下,在俯冲的过程中,插入深部的岩石融化后会形成岩浆向上喷涌。

  俄勒冈大学的地质学家内森·安徒生(Nathan Andersen)分析拉古纳德尔莫勒火山过去喷发带出的晶体时发现,起源于地球深部的玄武质岩浆并没有完全渗透到火山系统中。这些岩浆滞留在拉古纳德尔莫尔流纹岩类火山岩储层的底部。这两种岩石从来没有混合过。玄武岩在流动停滞时冷却下来,将热量释放给上面的物质,并以气泡的形式释放出挥发性的水蒸气。当热量和气泡开始上升时,周围晶体熔化,形成了漂浮的、充满气泡的羽状流,羽状流向上渗透到储层顶部,会对地壳产生极大的压力,以至于形成火山爆发。

  这样的想法让辛格很忧虑。如果目前不稳定的气泡正在拉古纳德尔莫勒火山下方升腾,当地居民就难以逃脱。这里没有热液特征,比如像喷气孔、温泉或山湖附近的通风口。辛格说:“在我看来,这使拉古纳德尔莫勒比其他超级火山更危险。”如果气体能够泄漏到地表,储层的增长速度可能会减缓。“但是,如果有一个完全被封闭在地下的储集层,它被困在那里,就会逐渐汇聚所有的岩浆和气泡,积攒出规模巨大的火山系统。”而且,这种爆发一旦发生,地球都将被重塑,这将是人类历史上从未见过的火山大爆发。

  因此,尽管目前拉古纳德尔莫勒火山下方的储层只是勉强达到超级火山的规模,但在未来几个世纪很有可能变得更大。当然,目前辛格的担忧还只是预测性的,喷发的机制也只是一种推断。例如,不断上升的熔融体(富含气泡)本身可能无法产生足够的压力,无法引发巨型喷发,还需要地震作为额外的触发机制。辛格的团队目前正在尝试识别潜在的、隐藏的触发机制,以及相关的信号。

  即使拉古纳德尔莫勒火山只产生一系列较小的火山喷发(表面的火山灰和熔岩记录表明它在过去确实发生过连续的小型喷发),火山灰依然可能会使该区飞机无法通行,并且可能破坏阿根廷的农业生产。之前,辛格的团队已将探测仪器从现场移除,但是,来自智利和阿根廷的科学家已经捡起了接力棒,安装了新的监测器来辅助观察湖面。或许在更深入了解超级火山后,科学家可以在预测爆发时间时,做得更好。

  本文转自《环球科学》

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