防災減災宣傳週

今年5月12日是我國第12個全國防災減災日，今年的主題是“提升基層應急能力，築牢防災減災救災的人民防線”，5月9日至15日爲防災減災宣傳週。在這一週，我們將每天與大家分享一篇優秀的地震科普文章，希望能夠提高大家對地震的瞭解，增強防災減災的意識和能力。

什麼是火山？

在火山學工作者的日常生活中，提到火山，經常會遇到如下幾個疑問：什麼是火山？中國有火山嗎？而往往直擊靈魂的問題就是，你們研究火山有什麼用？下面將嘗試從地球圈層系統的角度，理解火山對地球的意義。

火山是地球上最普遍的山體地貌形態，它的形態有很多種。以我國的火山爲例，長白山屬於複式火山，也是我國最大的火山山體。我國還有很多的小型火山山體，它們以巖渣錐和瑪珥火山（maar）爲主。

長白山（圖片源於網絡）

巖渣錐. 由小到大依次爲小空山、大空山、黑空山（騰衝，陳正全拍攝）

瑪珥火山 （龍崗東龍灣，陳正全拍攝）

火山作用形成的山體形態各異，體態優美，觀賞性很高。在我國，很多火山區都被建設成爲地質公園，供遊客觀光體驗。

火山不僅僅具有觀賞性，其神祕色彩也一直被人們津津樂道。爲了理解火山作用過程，火山學一步步地發展起來。根據目前人們對火山作用的理解，火山學是研究岩漿起源、在行星地幔中上升、穿過行星地殼噴發到行星地表的學科。火山學涉及到岩漿的物理、化學演化，岩漿的運移和噴發，以及在地表的火山物質堆積。一些火山作用過程會形成重大的自然災害，而其他的火山作用過程對社會極爲有益。

岩漿（實際上，熔融的硅酸鹽，在地下稱爲岩漿，噴出地表以後被稱爲熔岩）

地球系統——圈層

爲了便於研究，根據不同的物理性質和物質組成，人們將地球劃分成了不同的圈層，由地球內部延展到宇宙空間。這些圈層中，我們將地核、地幔、地殼稱爲“內圈層”，將水圈、大氣圈、生物圈稱爲“外圈層”。由於人類活動對地球系統施加的影響日益劇烈，一些學者也在探討“人類圈”的含義和對地球系統的意義。

地球圈層的厚度與密度（汪品先, 2018）

火山作用在地球圈層中的位置

目前已知的火山活動，主要作用在地幔、軟流圈、岩石圈、水圈、大氣圈。有一些理論將火山作用的起源向下延伸到了地核，認爲是地核的一些作用觸發了火山活動。我們從現在從內圈層到外圈層，看看火山噴發是如何穿過地球不同圈層結構的。

岩漿的產生

地幔是地球各圈層中體積和質量最大的圈層，其體積佔地球系統的83%，質量佔67%（順便說一下，地殼佔據地球系統的體積<1%，質量<0.5%）。地幔的溫度可能是1300-1600℃（計算出來的），並且絕大部分是固態的岩石。這些岩石熔融便形成岩漿。

（上）地幔熔融的條件，目前認爲有兩種：1. 局部地幔的壓力降低（減壓熔融）；2. 板塊俯衝過程中，地球表面的水被加入地幔，降低了橄欖岩的融化溫度。這裏涉及到物態的轉化，請有興趣的童鞋搜索“固相線”的相關信息。在大洋中脊、俯衝帶弧後盆地、洋島、大陸內部的火山，很多都是減壓熔融（decompression melting）形成的岩漿活動。

部分熔融的三種方式. 1 升溫, 2. 減壓, 3. 固相線左移（一般是流體加入）(Sigurdsson et al., 2015)

第二種地幔熔融方式，就是上圖中的3箭頭（固相線左移）。這種方式發生在俯衝帶環境中，俯衝帶堆積物中的揮發分進入到地幔二輝橄欖岩，改變了地幔的化學成分，使其固相線的溫度低於當前的溫度。這個概念被稱爲“凝固點降低熔融”。

這兩種岩漿產生的方式，是與板塊構造運動相聯繫的，涉及到的地球圈層是上地幔和軟流圈。還有一種岩漿上湧的方式，它們處在板塊內部，與板塊構造關係較小。這就是地幔柱。

地幔柱（熱點火山）

板塊構造理論不能解釋一些板塊內部的大型火山，於是熱點理論（或地幔柱理論）出現了，用來解釋夏威夷火山和類似我國的峨眉山大火成岩省的成因。這種假說認爲，驅動這些火山形成的岩漿作用來自更深的圈層，即熱的地幔柱（mantle plumes）在覈幔邊界升起（地下~2900 km深度）。地幔柱本身是固態但溫度較高的岩石，形態爲蘑菇狀。【請注意，地幔柱與熱點是兩個概念。地幔柱是“柱”，熱點單指火山噴出的那個“點”】

岩漿的上湧

岩漿產生之後，由於密度低於周圍的岩石，或者受到擠壓，會沿着裂隙上湧。在地幔柱條件下，類似於直接上湧。岩漿在上湧的過程中，可以直接噴出地表，也可以在地殼中存留一段時間，形成岩漿房。如果不噴出地表，就成了侵入岩。岩漿房中的岩漿可以與圍巖發生混合、交代等作用，並改變岩漿成分。在合適的條件下，就會繼續上湧並噴出地表。

岩漿噴出

岩漿上湧到地殼表層時，由於壓力急劇下降，揮發份出溶，產生氣泡化和碎屑化。如果出溶較快，碎屑化較強，就會形成火山碎屑物質。這些碎屑在壓強差的作用下猛烈地噴出地表，就形成了火山噴發。有時，揮發份出溶較慢，岩漿直接溢出地表。

岩漿內揮發份在近地表的出溶和岩漿的碎屑化（Cashman & Sparks, 2013）

岩漿或碎屑噴出地表後堆積在火山口附近，就形成了火山結構，也就是我們通常看到的火山景觀。

在碎屑化強烈的火山噴發活動中，火山灰是主要的噴發物，也伴隨有大量的水汽和二氧化碳。在巨大的噴射動力驅動下，這些物質組成的噴發柱能夠直達平流層。

火山灰在大氣圈的動力過程

小結：，火山活動在地球系統的各個圈層中，涉及到了地幔、地殼、大氣圈等圈層。如果火山噴發出現在海洋中，即直接與水圈發生作用。

那麼，具體有哪些物質交換呢？

火山作用與地球圈層物質

火山作用在地球圈層中，從核幔邊界開始，作用在地幔、地殼、大氣圈（水圈）等圈層，一個重要的意義就是承擔了地球各圈層之間的物質交換。水和碳元素在不同圈層的循環，是地球與其他星球的區別。即：地球系統通過水循環和碳循環，爲生命提供了存活與繁衍的條件。

水循環

水圈主要指的是地球表層水，包括了海洋、河湖、地下水、冰和大氣中的水份。如果將地球表層水聚集在一起，體積是13.86億km3 （地球的總體積是~10000億km3）。

地球表層水的分佈（汪品先, 2018）

地球表層水同時呈現三相形態。其實，在地球內部也有水的存在。不過它們是結合在礦物的晶格中。晶格中的水不是水分子，而是水分子分裂出的羥基（OH）進入到了硅酸鹽礦物中。上地幔的主要成分是橄欖石，是儲水大戶，其含水量隨深度向下遞增。到了下地幔（670km以下），礦物成分發生變化，儲水能力降低。

地幔含水量的推測數值（ppm=10-6）（汪品先, 2018）

地球表層水和內部水是在火山作用過程中進行交換的。地球內部的水，在洋中脊和大洋島嶼的火山活動中，被岩漿活動帶到地表。地球表層的水在板塊俯衝過程中，隨着板塊被帶入到地幔深入。這是地球系統中最大尺度的水循環。

地球內部的水循環（猜想）（汪品先, 2018）

現今地球表層水圈的總水量爲1.4×1020 噸，計算得到的海溝俯衝的水通量約爲每百萬年24×1016 噸，進入地幔深處的通量爲每百萬年9×1016 噸。目前，對於地幔到底具有多少水，沒有一致的看法。有一些估算暗示地球內部水量與地表水量相當。人們主要通過地幔與大洋中氧同位素（δ18O）比例對此進行研究。

碳循環

岩漿的揮發份中，除了水份，還有大量的二氧化碳。地球圈層系統的碳循環，也是在板塊俯衝的過程中，碳酸鹽被帶入地幔深部，再以火山噴發的形式排放出CO2。

火山活動排放溫室氣體的方式有兩種：間歇期氣體排放和噴發期氣體排放。火山CO2釋放到空氣中的主要途徑是間歇期排放，相對而言，噴發期的CO2排放量甚至可以忽略不計。例如，過去兩個世紀中四個最大火山噴發活動產生的CO2釋放量，相當於同期間歇期火山CO2排放量的1%。

由於在洋底測量CO2釋放量具有很大難度，大洋中脊的海底火山噴發對地球碳排放的貢獻目前還具有不確定性。少量的研究表明，全球大洋中脊的CO2通量是50-100 Tg a-1，但是也有研究估算爲~ 800 Tg a-1。類似的情況也出現在對俯衝帶海底火山的研究中。

現階段人類活動產生的CO2是~35 Pg a-1,大於目前已知的火山氣體排放。但遠小於地質歷史時期火山噴發的排放量。

火山噴發活動和人類活動釋放CO2量的比較。（Tg=1012 g; Pg=1015 g）(Sigurdsson et al., 2015)

複雜的地球圈層

與類地行星和月球相比，地球圈層更爲複雜。而火山活動是這些圈層之間物質交換的紐帶。

火山學工作者是幹什麼的？

我們對地球深部的理解，源於兩種主要手段：地球物理探測和地球化學測試。地球物理學研究就像用聽診器傾聽地球內部的聲音，通過各種波形解譯瞭解地球內部結構和變化。我們無法到地球內部直接觀察，所以，地球化學分析，就是將地下噴出的岩石（或構造運動抬升的岩石）進行分析測試，並使用高溫高壓實驗進行類比研究。從研究對象的角度來講，地下百公里乃至更深處噴出的岩石，是我們研究地球內部環境和成分的唯一依據。

火山學工作者是一羣“地質匠”。前輩們多是用腳步丈量祖國的火山岩分佈區，用地質錘捶打手標本，用放大鏡觀察組成岩石的礦物特徵。他們將野外樣品帶回實驗室，通過物理化學分析，探討火山岩的形成過程及其相關的地球系統奧祕。

火山學科日益發展，目前，物理學、地球物理學、地球化學、空間對地科學、火山監測技術、火山災害學等學科和手段都成了火山學研究中的重要組成部分。火山學工作者的研究工具和研究內容也在隨之增多。現在，火山地質工作也可以很“高大上”，如用電鑽取巖芯，用無人機和人造衛星獲取地貌數據；野外定點觀察，也有精準的“北斗”導航！

年輕的火山學工作者，正在科技發展日新月異的今天，沿着前輩的足跡，使用着更爲先進的技術手段，探究火山的祕密，認識我們的家園！