太長不看：在地球深部，巖石受到減壓、升溫、加水等局部異常條件的影響，從固態(tài)融化成液態(tài)，形成“巖漿”(Magma)，當(dāng)巖漿噴出地表后，被稱為“熔巖”(Lava)。
在人類的文化中，火山與巖漿往往意味著災(zāi)難。古羅馬時(shí)期的人們便將火山爆發(fā)與火與工匠之神伏爾甘（Vulcānus）聯(lián)系在一起，當(dāng)火山爆發(fā)時(shí)便是伏爾甘在發(fā)怒，英文火山（Volcano）一詞的詞根便由此而來。他的寶物是世間最大的火山，意大利南部的武爾卡諾火山由此得名。
這個(gè)神明的名字可以追溯到克里特島的神話傳說，公元前 1500 年前后，距離克里特島 70 公里的火山爆發(fā)，這一火山爆發(fā)規(guī)模超過了 1815 年的坦博拉火山爆發(fā)，導(dǎo)致克里特島上的米諾斯文明迅速衰落，公元前 1420 年，克里特島被北方落后的邁錫尼人征服，關(guān)于火山的神話傳說可能由此被繼承，代價(jià)是一個(gè)文明的毀滅。
巖漿，就是融化的巖石，它到底從何而來呢？
當(dāng)然，它來自地底下，(￣▽￣)"。在小時(shí)候，我以為我們的大地之下全是熾熱的巖漿，在地殼是薄薄的一層，在地殼的薄弱處，巖漿就會噴發(fā)出來，形成火山，帶來災(zāi)難。
而事實(shí)真是如此嗎，Σ(o?д?o?)？
其實(shí)這種想象更類似于地球早期巖漿海 (magma ocean) 表面剛剛冷卻時(shí)的樣子。在地球形成的早期，大量的星際物質(zhì)在重力的作用下不斷撞擊，大量的重力勢能轉(zhuǎn)化為了熱能，而一些放射性元素的衰變也產(chǎn)生了大量的熱，這些熱量使得地球上幾乎所有的巖石都完全融化，形成廣袤的巖漿海 [1]。
然而，經(jīng)過 45 億年的冷卻，如今的地球早已不是這種熾熱的狀態(tài)。如今的地球，大部分的硅酸鹽巖石都已經(jīng)冷卻成了固體。根據(jù)地震學(xué)研究的結(jié)果，地球目前內(nèi)部的結(jié)構(gòu)大致為地殼、地幔和地核 [2]。
根據(jù)地震學(xué)的觀測結(jié)果，只有地核中的外核部分以液態(tài)形式存在，地球的其他部分都以固體形式存在。
當(dāng)然，仍有大量的熱量賦存在地球深部。地核的溫度約 6000℃[3]，在地表附近，深度每增加 1 公里，溫度將升高 25-30℃。在 660km 附近，溫度可以達(dá)到約 1700℃。
那地下溫度這么高，那為什么巖石還是沒有融化呢？答案是：壓力。
我們知道，物質(zhì)的“熔點(diǎn)”還受到壓力的影響。舉個(gè)我們熟悉的例子：燒開水。壓力越低，水越容易燒開，而壓力越高，水越不容易燒開。對大部分巖石來說，壓力越高，開始熔化所需的溫度也越高。而從地球的平均溫壓條件看，在特定壓力下，溫度總是比巖石開始熔化所需的溫度要低 [5]。這里我用“開始熔化的溫度”，并不是為了水字?jǐn)?shù)，而是因?yàn)閹r石的成分很復(fù)雜，它們沒有一個(gè)固定的“熔點(diǎn)”，只有開始熔融的溫度，我們稱作“固相線”。從下面的示意圖可以看到，地球的平均地?zé)峋€落在巖石固相線的左邊，說明在正常情形下，巖石不會熔化成巖漿。
盡管對大多數(shù)的情況而言，上面這張圖都是成立的。但是在一些地方，地?zé)峋€或者巖石的固相線會發(fā)生改變，使得地?zé)峋€有一部分進(jìn)入到固相線右側(cè)，巖石就會熔化成巖漿。
那么如何得到一碗熱騰騰的巖漿呢？送給大家六字錦囊：減壓、升溫、加水。而達(dá)到這些條件成功讓巖石熔化成巖漿的典型區(qū)域分別是：洋中脊，地幔柱（洋島）和俯沖帶（島弧）。
1.減壓
洋中脊是貫穿四大洋，具有相似特征的海底山脈，又稱洋脊或中央海嶺，它是板塊誕生的地方。在洋中脊兩側(cè)，板塊向兩邊拉伸，壓力降低，地溫線上移，巖石可以部分熔融形成巖漿。這些巖漿在海底安靜地噴發(fā)，形成“黑煙囪”的奇特景觀。
2.升溫
地幔柱是來自地球深部的上升熱源。在此處溫度比其他地方要更高，地?zé)峋€右移，使得巖石部分熔融形成巖漿。這些巖漿可以形成一系列的火山島鏈。其中最著名的是夏威夷火山。
3.加水
俯沖帶是板塊消亡的地方，在這里，一個(gè)板塊向另一個(gè)板塊俯沖，會將板塊上攜帶的大量富揮發(fā)分和水的物質(zhì)帶入深部，將改變這一區(qū)域巖石的化學(xué)組成，就像加鹽可以加快冰雪融化一樣，揮發(fā)分和水的加入會改變巖石的固相線，使得巖石更容易融化變成巖漿。這些巖漿上涌就會形成島弧火山。比較著名的有日本的富士山。而最近噴發(fā)的湯加火山就是由于西太平洋板塊向澳大利亞-印度板塊之下俯沖造成的。
而不同區(qū)域形成的巖漿也具有不同的性質(zhì)。一般來說，洋中脊和洋島處的火山往往具有更低的 SiO2 和揮發(fā)分含量，導(dǎo)致其粘度更低，它們的噴發(fā)更為溫和。這類巖漿噴發(fā)在大多數(shù)情形下會“安靜”地流淌，只影響熔巖流過的區(qū)域，你甚至可以近距離欣賞熔巖流。
而俯沖帶后形成的巖漿就不一樣了。它們往往具有更高的 SiO2 含量和揮發(fā)分成分。這類巖漿粘度高，不容易流動，通常是“不噴發(fā)則已，一噴發(fā)驚人”。會將大量的物質(zhì)送入幾千米的高空中。此次的湯加火山就屬于這類。
歷史上，這類火山爆發(fā)往往會具有極大的破壞力。公元 79 年，在前文所述的意大利地區(qū)，維蘇威火山的爆發(fā)直接掩埋了意大利第二大城龐貝。當(dāng)時(shí)，著名的博物學(xué)家老普林尼在拯救災(zāi)民時(shí)不幸被火山噴出的毒氣毒死，在遠(yuǎn)處的小普林尼記錄下了火山爆發(fā)的景象之后對火山爆發(fā)的類型進(jìn)行了比較與研究，普林尼型噴發(fā)便是以小普林尼的名字命名。
近世以來，隨著對火山研究的深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火山與人類文明的興亡有著比較緊密的聯(lián)系，除了比較知名的“無夏之年”外，“17 世紀(jì)危機(jī)”中火山也扮演了相當(dāng)重要的角色。2021 年 11 月的一篇發(fā)表在《communications earth & environment》上的文章指出，火山爆發(fā)系統(tǒng)性地影響了王朝的覆滅。雖然這一消息令人吃驚，但文章也指出，滅亡與否也與社會應(yīng)對與抗壓能力有著直接關(guān)系 [6]。因此，火山的爆發(fā)我們無法避免，所能做的只有提高人類社會應(yīng)對災(zāi)難的能力，而這需要科學(xué)界與整個(gè)社會一起達(dá)成共識以促進(jìn)抗災(zāi)能力的提升?？茖W(xué)的人文價(jià)值便在于此。
References
[1] Elkins-Tanton, L. T. Magma Oceans in the Inner Solar System. Annu Rev Earth Pl Sc 40, 113–139 (2012).
[2] Brown, J. M., & Shankland, T. J. (1981). Thermodynamic parameters in the Earth as determined from seismic profiles. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 66(3), 579–596.
[3] https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab446/info66077.htm
[4] https://vibaike.com/125528/
[5] Wyllie, P. J. Solidus curves, mantle plumes, and magma generation beneath Hawaii. J Geophys Res Solid Earth 93, 4171–4181 (1988).
[6] Gao, Chaochao, et al. "Volcanic climate impacts can act as ultimate and proximate causes of Chinese dynastic collapse." Communications earth & environment 2.1 (2021): 1-11.
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：肖子聰、行思，美編：怪伽 cc
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