【图文】预测火山爆发

预测火山爆发

04月23日 15:52

●本文和部分图片由Discovery探索频道提供

 

它们是地球上最强大的力量 

它们足以摧毁我们的星球

科学家们争分夺秒

冒着生命危险解剖地球 

破解隐藏的威胁

试图预测下一场超级大爆发

 

监测地质怪物

 

探险家杰夫·麦克利带队爬进世界上最危险的火山之一，他们就像飞蛾扑火，一次又一次地进去，尝试比以往所有人都更加接近安布里姆火山的熔岩湖。

像麦克利这样的许多探验家会冒着生命危险，帮助科学家们了解这些地质怪物的规律，并预测它们什么时候会爆发：“那些熔岩离我大约有30米远，它热得惊人，感觉好像太阳就在你面前一样，连石头都可以融化，并像沸水一样翻腾。这当中需要多少能量，真的很难用言语来形容。再想到这些沸腾的石头是从地心里涌上来的，就更让人感觉震撼了。” 

安布里姆火山正好位于地球上范围最广的火山重地上——环太平洋火山带。这个火山带沿着地球几个构造板块相接的断层线而成，这里一共有452座火山，其中包括几座超级火山，它们足以摧毁地球上的所有文明。

美国的169座火山大部分都位于环太平洋火山带上，而纽贝里火山被列为美国境内有活跃潜力的火山中心之一。千万年来纽贝里都是活火山，而且没有理由相信它以后不会继续活跃。如果纽贝里爆发，其中一种可能性就是先会发生连续几周的地震，接着地表会出现各种征兆——我们可能会看到小型的喷发、炎热的气体和岩石与地表的水相遇引发水蒸气喷发，使石头飞弹起来，有些可能会被抛到超过1公里远的地方，接着就会有更大型的爆发，火山灰柱会冒出来，有些可能会掉落下来，使火山灰流流动，而后火山渣锥可能会像维苏威火山那样喷发出火山渣，火山渣掉下来使这个火山渣锥越积越大，这会是一个非常壮观的场景。

当炎热的火山渣流进森林里时，森林就会起火，最后黑曜石和细纹岩的熔岩就会涌上来，就像一个发着红光缓慢移动的推土机一样。这个火山占地3100平方公里，覆盖了几个大型小镇。爆发会带来毁灭性的后果，火山灰会影响航空，会影响汽车的引擎、交通通道、空气质量。而且火山碎屑流有着毁灭性的影响，如果建筑物离碎屑流很近，那可能会被它推倒。 

火山活动在地底深处引发的地震是最常见的预警信号之一，有时火山会爆发得很快，人们不想被它们弄得措手不及，所以希望能进行持续的监测，早早地定位那些可能会引起火山爆发的地震。

 

当爆发的压力开始积聚时，岩浆会从岩缝里喷涌而出，它们会越窜越高，最后形成一个全面的爆发。

紫外线摄像机拍到的密码

 

为了掌控这头野兽，科学家们必须破解一个隐藏在地表几公里以下的复杂密码，这点地球化学家肯·西姆斯比任何人都清楚：“在全球我们都有着相同的目标，那就是了解火山的最基本规律，因为只有了解了这些，我们才能监测它和预测它。”想象一下，剥开地表，深入到一个活跃火山的内部——在这个想象的旅途上，爬进一个火山到岩浆湖，需要先进入一个熔岩隧道或者说一条岩缝，这条岩缝从地表一直通往地下深处的一个岩浆室。

熔岩是熔化的岩石，但地表以下的熔岩会被称为岩浆，它们是每一座火山的生命线，在很多年的时间里，这些岩浆汇聚成一个岩浆室，隐藏在地下几公里深的地方。如果来到了岩浆室这里，会发现这里的声音震耳欲聋，而且非常热，接近700摄氏度。岩浆室越大，火山爆发的规模就越大。有些岩浆室达两三千平方公里。在这里偶尔会闻到一些刺鼻的气味，因为岩浆释放的气体就是从这里冒出来的。岩浆会生成不稳定的气体，这些气体会诱发火山爆发。从这个想象的制高点上，很容易看到气体和压力的积聚。继续往下爬，进入地幔，那里就是所有岩浆生成的地方，岩石就是在那里开始熔化的。

一座活跃火山的心脏，在地表160公里以下，温度接近1100摄氏度，足以熔化岩石。这里的压力大得很惊人——它会把你压扁，它会挤压这些岩石使它们变形，然后它们会升起来开始熔化。熔化的岩石慢慢向上移动，汇聚成流。它们很像一个河流系统，一开始沿着一些细小的通道往上涌，然后慢慢地涌进一条大通道里，这条通道就把岩浆一直带到岩浆室里。岩浆释放的火山气体形成的压力，最后会达到一个临界点，这时火山爆发势在必行。

这时地球内部开始出现裂缝，最终岩浆从岩浆室里喷涌而出，冲向最近的出口。这是地球上最强大的力量，目前要从地球内部预测火山爆发，几乎是不可能的，但危险的火山表面有线索帮助科学家们在火山爆发之前预测到它们吗？

几百年来意大利南部的埃特纳火山已经夺去数十万条性命，现在它又活跃起来。现在武尔卡诺岛以南地下10公里的地方正在发生一场地震，埃特纳的火山地震让控制中心亮起红色警报，热传感器探测到地下热点。这些热点告诉人们，在火山内部引发这场地震的岩浆正位于埃特纳火山口的东面。

在火山爆发中，火山气体会剧烈地排放出来，测量气体能让科学家推测出火山爆发的规模。火山学家安德鲁·麦戈尼格尔利用紫外线摄影机测量一种关键的火山气体：二氧化硫。二氧化硫会吸收光谱上大量的紫外线，也就是说当人们看拍出来的画面时，看有黑色像素的地方，那些对应的就是紫外线被吸收的地方。二氧化硫的剧增意味着正有越来越多的岩浆涌上来。这些图像被传送到控制中心，可以一个像素一个像素地计算出气体的浓度。 

紫外线摄像机确认气体浓度非常高，说明这次的爆发远没有结束，没有人确定它的规模会有多大。这些气体是从非常危险的火山口底部喷发出来的，它们被过度压缩所以形成非常壮观的喷发。紫外线摄像机记录下的高浓度的二氧化硫说明更大的爆发即将开始。而及时的疏散保证了人员的安全。这次成功的预测是科学家们取得的一个胜利：监测得越多，就了解得越多。

    

火山爆发时总是惊险万分，但大部分时间，它们用平静的景色让人们陶醉其中。

岩浆哪去了？

 

测量气体排放是判断火山爆发规模的有效工具，但有些火山难以预测，它们会让科学家们措手不及。

2010年3月，一座偏僻的冰岛火山突然爆发，这次爆发向将近1000米的上空喷涌出一团可怕的火山灰云，一股强烈的东南向喷射气流，把火山灰吹遍整个欧洲的上空，造成一片混乱。火山灰会堵塞喷气式飞机的引擎，造成致命的后果。 

最后，在6天的时间里，有十万个航班被禁飞，造成几十亿的损失。为什么科学家没有预测到它的爆发？原来是一股新形成的岩浆涌进了火山，与原有的岩浆发生反应，造成一次突发的爆发。科学家们探测到很多地方都有火山活动，所以无法确定那些岩浆到底流向了哪里。

监测设备无法让人清楚地知道地下的情况，现在火山学家努力确保他们不会再措手不及。方法之一是用全球卫星定位来观察地表如何移动，这些全球卫星定位站通过从太空观测来监测火山活动。然后科学家会输入所有在天空上绕着地球转的全球定位卫星收集到的数据，它们能显示出地表的变形状况。涌上来的岩浆会使火山膨胀，就像气球充气一样，因此会改变地面的形状，这能看出火山下面正在发生什么活动。但从太空监测火山是有限制的，在预测火山爆发的工作中，科学家经常都要猜测在地球的内部正在发生什么事，但从来都无法确定这些猜测是否正确。如果能爬进一个真正的火山里看到这个过程的始末就好了，这一点，在冰岛能做到。 

走进一个曾经极度危险的火山内部几乎是不可能的，因为熔岩通常会冷却成坚硬的岩石挡住入口，但在冰岛这里一个120多米深的巨型火山洞让研究人员有了一个独一无二的机会。

这个休眠火山位于首都雷克雅未克以南32公里，它上一次爆发是在4000年前，但这个火山口并没有被冷却的岩浆封上。火山学家弗雷斯坦·西蒙德森和丽克·彼德森尝试探索这个惊人的火山洞穴，希望能解开预测火山爆发的秘密。

从火山内部研究这个复杂的系统，很难相信他们站的地方曾经有650摄氏度的炙热熔岩从这里涌过。整个爆发的岩浆涌进了这里的岩缝系统，然后形成了这个山洞。研究队伍想确定岩浆是如何进入这个巨型洞穴的，了解这个问题有可能是预测未来爆发的关键。他们发现，这里的地面是松软的，跟沙子一样。如果岩石这么松软，那么岩浆就能进一步，从这些软岩石里渗透进来，这也许是这个山洞形成的线索之一。这个新发现让他们更完全地认识到岩浆系统是如何运作的。

如果这个火山口重新活跃过来，那么很可能这里会先出现小型地震，小岩缝裂开，当爆发的压力开始积聚时，可以看到岩浆从岩缝里喷涌而出，它们会越窜越高，最后形成一个全面的爆发。不出几分钟，整个山洞就会充满岩浆，到那个时候这里就会被岩浆淹没。

冰岛这个独一无二的火山洞揭示了岩浆会从软岩石渗透进岩浆室中，而每个新的认识都帮助了科学家更好地预测火山爆发。

   人们会将城市建在死火山或休眠火山的旁边，实际上活火山、死火山和休眠火山之间没有十分明显的界线，可以相互转化。

超级火山的噩梦

 

在美国，准确的预测来得再快也不为过。美国一共有169个火山，其中很多都位于环太平洋火山带上，大部分都是活跃的，而且很有可能造成致命后果。有些火山受到严密监测，但有的监测工作还有待完善。光是在太平洋西北地区，就有15座大型火山从喀斯喀特山脉拔地而起。这些巨型怪物时刻威胁着波特兰、西雅图和温哥华，它们有可能造成彻底的破坏。美国最严重的火山爆发正是发生在喀斯喀特山脉这里。 

圣海伦火山释放出一个由风和石头形成的超热飓风，所到之处所有生灵都被瞬间摧毁。2004年这个火山再次爆发，这一次它夺走了科学家的监测能力。2004年圣海伦火山摧毁了这里的全球卫星定位系统和传感器的研究站。投放新仪器并不容易，因为如今在那里长时间停留是不安全的，所以科学家开发了一个可以由直升飞机吊起来放下去的研究站，这样就不需要人员踏足地面了。

这个研究站是一只机械蜘蛛，由拉胡森和一支专家团队设计。这个蜘蛛将一系列的监测设备集合到一个可携带和耐侵蚀的包裹里，有传感器、前置增幅器、全球卫星定位系统、无线电天线。收集地震活动和地表变形的数据对预测爆发有着极为重要的意义。

里克·拉胡森和肯·西姆斯尝试将机械蜘蛛放进圣海伦火山危险的火山口里。机械蜘蛛必须要放到一个精确的位置上，它的定向无线电天线才能发送出清晰的信号，它能彻底改变研究人员对火山的监测方式。所有设备集合起来，使得这个仪器成为全球火山监测工作的最独特最重要的发展之一。

监测危险火山的新进展比以往更加保障了人们的安全，但还有一种火山，它们有能力毁灭全球的文明——超级火山，其中最大的两座就在美国境内。

黄石是一座活跃的超级火山，它有着巨大的爆发力。在过去，黄石有过3次超级爆发，它的爆发,会比圣海伦山剧烈几千倍。这种规模的爆发能覆灭整个北美西部，硫阴霾会遮天蔽日，使全世界陷入一个火山冬天。这里有大量的设备监测着地表变形、气体排放和地震，这些对短期预测非常有用，但科学界能找到方法早早地预测到超级爆发吗？

长期预测其实是一个非常困难的科学难题，氡气或许能提供答案。这是一种从活跃岩浆室逃逸出来的少量气体，当氡衰变时它会形成放射性同位素，这种同位素有着一种可以由科学家们测量出来的独特化学特征：可以将氡当成一个时钟，测量从地下深处的岩浆室里逃逸到地表需要多少时间。

但黄石火山的独特地质状况使得探测氡成为一个艰巨的挑战。一个面积相当于罗德岛的岩浆室就隐藏在地表以下几公里的地方，这个岩浆室的正上方有一个巨型的水库，从岩浆室逃逸出来的气体必须经过这个水库，因此这让测量变得复杂了。只有把氡从水中分离出来，才能测量它。确定了这种气体上升的速度，就会知道这个岩浆系统有多活跃。一旦了解了这里的岩浆管道系统，就能更准确地预测下一次爆发是什么时候。对氡的测试确认了这个曾经夷平北美的岩浆室暂时并没有超级爆发的威胁，但这并不意味着科学家们会放松警惕。

北美的后院里还有其他超级火山在蠢蠢欲动——加利福尼亚州东部的曼莫斯山是加州内最繁忙的度假胜地之一，但这里潜伏着危险。最近滑雪救护队里有3个成员神秘地死于窒息，几千棵树也在离奇地死去。这里的情况就是二氧化碳积聚在土壤中致使树木死亡，只有一样东西能产生如此高浓度的二氧化碳——岩浆。但为什么曼莫斯山下会有岩浆？附近的长谷火山耸立在一座远古火山的边缘上，这个火山如此巨大，在地面上无法看清它的面目。它可以被视为一座活跃的超级火山，76万年前长谷超级火山爆发，其规模大到超乎想象。炽热的火山灰覆盖了几千公里的地面，它喷发出来的火山灰蔓延到堪萨斯州和内布拉斯加州那么远。如今滑雪救护队的伤亡以及濒死的树木证明了岩浆室仍然存在，而且非常危险。

如果长谷、黄石或者任何一座超级火山爆发，都能改变人类历史的进程。

74000年前，当位于今天的印度尼西亚的多巴湖爆发时，有些人认为它几乎摧毁了所有的人类。地球冰冷了1000年，所有火山都是危险的。它们鲜少会消失殆尽，而且它们有的是时间。有些休眠了很久的火山会很快活跃过来。我们无法阻止火山爆发，但我们有能力将它们的影响减到最小，否则它们造成的破坏将不堪设想。预测火山的科学已经取得了很大的进展，救回了无数的生灵，但很多问题仍然有待解答。科学家们能否及时在下一次爆发之前，破解开致命火山的密码吗？

 

节选自《DEEP中国科学探险》2013年第4期

 

更多详细内容请见《DEEP中国科学探险》2013年第4期