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刘嘉麒：大自然的瑰宝——火山

2014-12-26 08:38

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标签：火山, 科学出版社, 中国科学院, 科学与中国, 院士专家巡讲团

火山，大家都很熟悉，它是地下岩浆通过一定的通道，喷到地表后形成的一些山、丘状地质体。它的形成大致有三个要素：岩浆、通道和引起岩浆上升喷发的动力。而且岩浆喷到地表才是火山，否则就不能称为火山。

火山活动是一个完整的地质过程，也是很重要的一种地质作用。在自然界各种自然作用中，我想只有火山作用才能够从地壳深部一直延伸到地球的上空，就是各个圈层它都能够达到；而且从地球形成的时候到现在，一直都存在火山活动，所以它在时空演变上，在地球发展过程中占有重要地位。如果说地球是一个有生命的物体，那么火山应该算是它的鼻孔，岩浆是它的血液，地震是它的脉搏。将地球解剖开来会发现，它有很多构造和层圈，火山就是从这些构造活跃的部位喷出地表的（图１）。

图１　地球构造及火山

火山对地球演化、生命起源与生物演替及气候环境的作用与影响

在整个地球的形成过程中，火山起到了十分重要的作用，或者说，没有火山就没有地球。

１、火山在地球形成演化中起重要作用

在太阳系八大行星当中，除了木星的第二颗卫星有火山喷发之外，只有地球有火山喷发。所以，火山活动是星球有生命力的一种象征，是地球的灵魂，从这一点看，地球可能是太阳系八大行星中最年轻、最富有生命力的。

如果说太阳系的寿命已有130亿年，地球的年龄才45.5亿年，相比来说，地球还处于青壮年期。在其他的行星当中也有一些火山，但现在没有喷发。比如，在整个太阳系当中最大的火山在火星上，火星上的Ｏｌｙｍｐｕｓ火山是迄今发现的整个太阳系当中最大的火山。这个火山高16.5英里，底座直径372英里，火山口深40英里。地球从早期形成到现在，已有40多亿年了。

地球是分圈层的，有地核、地幔、地壳等，从只有地核没有地幔，到有地幔而没有地壳的时候，地球应该完全由岩浆岩组成。那时的岩浆不发生浸入作用，主要通过火山活动，组成早期地球的岩石主要是火山岩；虽说当今的地球由岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类岩石组成，但究其本质还是由岩浆岩组成的，因为沉积岩和变质岩的主要物质来源于岩浆岩，而岩浆岩中火山岩又在早期占主导地位。所以，如果没有火山活动，可能就没有地球的形成。火山在地球形成过当中起到了很大作用。

２、火山作用可能与生命起源有关，对生物演替产生重要影响

火山除了在地球演化中发挥作用，对生物界和生命起源也有一定的影响，这一点可能大家一下子不太理解，火山这个热火朝天的东西怎么跟生命起源挂上钩了呢？如果仔细想一想，也是可以理解的。

生命的最后表现形态是氨基酸、核糖核酸，有了这种复杂的有机物就能有生命。那么核糖核酸是怎么形成的？它是比较复杂的有机质，这个有机质是怎么形成的？我们往前推，最简单的有机化合物就是碳氢化合物，也就是甲烷和乙炔。这种甲烷和乙炔，只要有碳和氢这两种元素，在一定条件下就能化合。火山喷发就可以创造这个条件，尤其是在海底火山喷发的时候，火山喷发出大量的气体和岩浆，接触到海水，温度很快下降，从上千度一直降到几百度，在适当的温度下，再有碳催化剂作用，比如说铁族元素，这在火山喷发的物质中是存在的，碳和氢就可以化合成碳氢化合物，形成甲烷或者乙炔这样简单的有机化合物。它们进一步聚合，就可以形成更复杂的有机化合物，比如说氨基酸，或核糖核酸，这样最终就形成了生命。所以在生命起源中，有一种假说或者观点是火山成因说，是值得考虑的，当然还需要进一步证明和探讨。

在整个地球形成演化过程中，发生过几次生物大灭绝，是什么原因引起的生物灭绝？不同学派有不同的观点，比如说，很流行的说法是陨石掉下来造成的生物灭绝。我们就认为火山活动是生物灭绝的重要因素之一，像二叠纪时的生物灭绝和侏罗纪的恐龙灭绝，都可能与当时的火山活动有关系。

３、火山作用对气候环境产生重大影响

火山活动对气候环境也会产生重大影响。大家知道，地球是分圈层的，到了地球表层就有地圈或者岩石圈、水圈、生物圈，一直到大气圈。从现在的研究来看，火山喷发能对各个圈层都产生影响。

火山喷发出大量火山灰和火山气体，大规模的火山喷发能将火山灰和火山气体送上35～40千米的高空，然后在高空形成一个稳定的气溶胶层，相对稳定几年或者十几年，对整个环境产生影响。应该说，天空是不空的，大气圈的每一层都有一定物质，比如我们都用手机，若是没有电离层，手机还能用吗？

火山喷发会对气候环境产生很大影响，其中一个影响称为阳伞作用，即火山喷发以后，在高空形成气溶胶层，这个气溶胶层可以遮挡太阳光对地球的辐射，把太阳光辐射热量挡在气溶胶层，就好像在高空打着伞似的，使太阳光不能到达地球表面，促使地球表面温度降低，阴雨天增加。

反过来说，火山喷发也喷出了大量的二氧化碳等温室气体。这些温室气体一般升得不很高，好似暖房的棚顶笼罩在地球上空，阻挡地球表面释放热量，从而又产生了温室效应。所以，火山喷发后这两种作用都是存在的，一方面是阳伞效应，使地球表面接受的热量少；另一方面，又产生了温室效应，会使地球表面释放的能量不易向空间散发。另外，火山还会喷发出大量气体，这些气体到了高空与水蒸气化合，能形成酸雨。

火山喷发的气体和火山灰形成气溶胶层，会弥漫整个地球上空，对气候环境产生很大影响。

火山气体中的卤族元素，可以跟臭氧化合，从而破坏臭氧层，形成臭氧洞，也会给人类带来灾害。臭氧层起什么作用呢？太阳光和宇宙中都有一些射线叫紫外线，对人体有害。臭氧层可以吸收紫外线，一旦臭氧层被破坏，形成臭氧洞，紫外线就会长驱直入到地球表面，对人类和生物都会产生危害，如果人长期被紫外线照射，就会得皮肤病或者说皮癌。

高空的气溶胶层和火山灰，对航空也会产生很大影响。

火山作用雕塑了大自然，创造了丰富的财富

火山作用雕塑了大自然，创造了丰富的财富。不夸张地说，火山浑身都是宝，所有的火山物质几乎都可资利用。尽管火山会造成一些灾害，它在十大自然灾害中排在第六位，但是火山这种自然现象跟地震有一点区别。火山虽然有有害的一面，但它有利的地方要远远大于不利的地方。火山是大自然的瑰宝，主要有六类资源：土地资源、矿产资源、矿泉与温泉、地热资源、新型材料、旅游资源。

第一，土地资源。例如，大洋中的岛屿或者陆地，很多都是由火山喷发形成的。如夏威夷，所有的岛屿都是由火山喷发形成的。火山喷发虽然给航行造成影响，但同时它又给船只长途航行提供了中间站，试想如果没有岛屿，长途跋涉在大洋当中的舰船连靠岸的地方都没有，

想补给养都不行，那会是怎样一种情景？所以说，这些岛屿给大洋航行提供了驿站和港湾，给人们提供了新的居住、休憩的地方，扩大了人类活动的空间。

土地资源也包括由火山喷发形成的陆地，火山喷发形成的岩石，即火山岩风化后形成的土壤，火山喷发产生的火山灰等都能形成肥沃的土地。所以，通常火山区的生态环境都比较好。

第二，矿产资源。不管是金、银、铅、锌、镍等金属矿产，还是硫黄、高岭石、火山灰等非金属矿产，以及钻石、石榴子石等宝石类矿物，许多都是在火山作用下形成的。

第三，矿泉与温泉。火山区常常有丰富的矿泉和温泉。温泉和矿泉是两个概念，温泉水一般是不能喝的，矿泉水可以喝，且因含有多种元素和矿物质，具有很高的饮用和医用价值。黑龙江五大连池和内蒙古阿尔山火山区有非常好的矿泉水，含有多种微量元素，被称为“国水”；长白山、腾冲等火山区分布着众多的温泉。日本多火山也多温泉，很多旅馆都有温泉浴。

第四，地热资源。地下有丰富的热能，通常深度每增加100米，温度就升高3℃，整个地球是个热球，是个巨大的能源库，尤其是火山区地热资源更为丰富。地热资源可能是未来能够开发的一类很重要的能源。因为地热资源是清洁能源，并且可以再生。除了地热资源，油气资源与火山也有关系。

第五，新型材料。大家都知道“点石成金”这个成语，过去说它是一种神话，如今却成了现实。比如说，火山岩当中有一类岩石叫玄武岩，它是由火山喷发出来的基性岩浆冷凝后形成的。玄武岩分布很广泛，在许多地方都能找到。从玄武岩中选择成分适宜者放到窑炉里，在1400～1500℃下熔化，通过一定工艺就可以拉成像头发甚至比头发还细的丝，也可以制成岩棉（图2）。

图2玄武岩的形成与拉成的丝

这种玄武岩纤维有非常好的性能，可以与碳纤维、玻璃纤维等高性能的纤维媲美，被广泛用于航空、航天、军事、交通及建筑等行业，高尔夫球杆、钓鱼竿等都可以用这种材料来做。因为玄武岩是一种无机硅酸盐，不含有害物质和有毒气体，生产过程无废气、废物排放，没有污染，被称为21世纪绿色工业材料。

第六，旅游资源。除了上面谈到的一些矿产资源，火山还是很好的旅游资源。可以这么说，地球上很多好看的地方都是火山区，比如，日本的富士山，美国的黄石公园、夏威夷，中国的长白山、镜泊湖、雁荡山等，都是火山区。自然界千奇百怪的美景，都是在自然作用下形成的，其中火山作用就是一个高级雕塑家。

富士山是火山的典型代表，研究火山无不以富士山为例。美国的黄石公园，也是由火山形成的，整个公园就是黄石火山，被认为是地球上第一大火山；火山分级中最大一级，即第八级，就是用黄石火山确定的。北爱尔兰北海海岸矗立着著名的巨人石，它们是由玄武岩形成的柱状节理。

图3　东非大裂谷北端的岩浆湖

图3是目前地球上存在的唯一的岩浆湖，它位于非洲埃塞俄比亚北部一个叫艾烈塔拉的地方，靠近吉布提。这个火山口从2005年喷发到现在还有岩浆，岩浆在火山口底部沸腾着，既不凝固，也不往外喷，好像是岩浆形成的湖泊。一般火山喷发几天或者几十天以后就不喷发了，喷出的岩浆也很快凝固成火山岩，像这样的岩浆湖在地球上绝无仅有。曾经有人说那里可能要慢慢裂开，形成新的大洋、大洲，我认为那是不可能的。　　

智利东边太平洋中的复活节岛，也是由火山喷发形成的。岛上有很多巨人石雕像（图4），是用火山喷发形成的玄武岩雕塑而成的。至今这些石雕像还是个谜。为什么呢？因为这个岛很小，当初很少有人居住，也没有什么重要的交通工具和搬运工具，那么是什么人、什么力量搬运了那几十吨、上百吨重的石头并把它雕塑成人像？有人说是外星人搞的，但这外星人是从哪儿来的？即使有，他们有没有那么大力气和水平搞这种雕塑，又为什么只到复活节岛去搞？……总之，这是一个谜，复活节岛是一个很神秘的地方。

图4　复活节岛上的巨人石雕像

再说说维苏威火山。维苏威火山位于意大利南部的那不勒斯市市郊，公元79年的一次大喷发，把离它约20公里的庞贝城全埋了，到1748年才有人发现火山灰下面有城市迹象，后来这座古城的一部分被发掘出来，成为现今的庞贝古城遗址，供人们参观游览。这是目前全球唯一一处被火山毁掉却又保存下来的古城遗址，从这座遗址可以看到两千年前古罗马时代的社会状况和文化的繁荣情况。

图5庞贝古城遗址

下面简要介绍一下我们中国的火山。虽然中国近百年来几乎没有火山喷发，但是我们的火山也不少，火山景观也挺壮观，如长白山的天池、瀑布（这个瀑布落差68米）、鸭绿江大峡谷，黑龙江的五大连池火山群、镜泊湖熔岩洞，澎湖列岛几乎全由玄武岩组成，其柱状节理非常壮观（图6）。台湾阳明山火山风光也很秀丽。还有吉林靖宇四海龙湾、广东湛江湖光岩等，这些都是火山口形成的湖泊，是我们研究古气候很有用的载体。