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火山形成及其种类

已有 4781 次阅读 2007-9-25 10:38 |个人分类:地球科学

岩浆和火山作用

广东海洋大学

廖永岩

电子信箱:rock6783@126.com

地下高温的熔融物质称为岩浆。它的温度一般在800-1200。可以低到650,也可以高达1400。其成分除硅酸盐外,常含有1%-8%以水为主的挥发性物质。岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程,称为岩浆作用。岩浆喷出地表的作用,称为喷出作用,又称为火山作用。它伴随着地下大量物质在很短时间内释放出来,喷发物有气体、固体和液体三类。火山喷发,是地球上的正常自然现象,同时,它也是一种重要的自然灾害,常造成重大的人员和财产损失Herd, 1986; Baxter and Gresham, 1997。仅20世纪90年代的火山喷发, 造成5601,300人死亡, 520,000人因受到火山威胁而被转移Annen and Wagner, 2003高温的火山喷发物,可直接造成人员和财产的损失。火山喷发后形成的大量火山灰Chigira, 1982,经大雨冲洗,极易形成泥石流,对周围及下游的人员和财产是一种巨大的威胁Pareschi, et. al., 2000; Chigira and Chiba, 1998。火山喷出的大量气体,能对环境产生很大的危害,就算是无毒的二氧化碳气的大量喷出,也能造成悲剧的发生Freeth and Kay, 1987; Njilah and Tchindjang, 2002。火山喷发,还能引起海啸等自然灾害Hamzah, et. al., 2000; Rynn and Davidson, 1999。所以,自古以来,人类对火山作用,已进行了不懈的研究。现在,一些常遭受火山喷发危害的国家,已制定了火山灾害救助计划Akiyama, et. al., 2002; Ewert, et. al., 1993,已对一些易遭受火山喷发灾害的区域,进行火山灾害评估Chester, et. al., 2002; Shimozuru, 1983。并已能根据火山前地震、地形变、火山喷气成分等资料,对一部分火山的喷发做出一定的预测Iwasaki, et. al., 1975; Sparks, 2003。但是,火山为什么形成?它为什么在那些地方形成,而不是其它地方?这些火山发生的机理性问题,仍然是人类没有解决的重大难题。所以,要对所有火山喷发进行准确的预测,目前仍不可能。这说明,对岩浆和火山作用进行研究,仍是人类十分重要的任务。这里,我们利用地质学、地球物理学、天文学、天体物理学等资料进行约束,对岩浆作用和火山作用进行了系统研究,提出了新的火山形成理论。

1  岩浆及岩浆房的形成

地球除在赤道附近,由于自身的旋转和月球的吸引,较凸出外,基本呈圆球形,这说明,地球在其演化形成的早期,曾经熔融过。只有曾熔融过的星球,在自身重力的作用下,才可能形成表面积最小的圆球形。

熔融的地球,在重力分异作用下,重的物质向地心沉降,轻的物质则浮向地表。这样,就形成铁、镍等重金属构成的地核,重硅酸盐(铁、镁硅酸盐,类橄榄岩低硅硅酸盐)构成的地幔,轻硅酸盐(钠、钾硅酸盐,类花岗岩类高硅硅酸盐)构成的地壳。由于地球碰撞吸积形成时期的碰撞动能转变为热能Lyons and Vasavada, 1999; Halliday, 2000; Taylor, 1993,重力分异作用时的重力势能转变为热能Ringwood, 1960; Tolstikhin and Hofmann, 2005; Hanks and Anderson, 1969,放射性同位素的放射能转化为热能Hanks and Anderson, 1969; Anders, 1968的共同作用(这些也就是造成地球熔融的原因),熔融的地球具有巨大的热能,造成地球的内部温度相当高。但是由于地球表面不断向宇宙空间辐射能量,地球表面的温度则不断降低。这样,就造成地球呈现出地球中心部位(如地核)的温度相当高,而地表的温度相当低,从地核向地表,温度逐渐降低。随着地球从地表向地核的深度逐渐加深,压力逐渐增大。

所以,构成地球的某点物质,是呈固态或是液态,主要由三方面的因素决定:1是该点物质的熔点,2是该点的温度,3是该点的压力。地球的重力分异作用刚完成时,由于地内温度相当高,高于该点压力下该物质的熔融温度,除地表(原始地壳)由于不断向宇宙空间辐射能量,冷却至该物质的凝固点,呈固态外,原始地壳内所有构成地球的物质,均呈液态。后来,由于地球的吸积作用基本停止,重力分异作用也基本完成,放射性同位素的放射能的降低,地球的产热能力降低,但地球向宇宙空间仍在不断辐射能量,这样,地球的温度(从里至表)逐渐降低。由于构成地球的该点物质的熔融温度没变(重力分异已完成),该点的压力也没有太大的变化,随着温度逐渐降低,当温度降至该点压力下该物质的熔融点以下时,该点物质将从液态转变为固态。就目前的地球来看,从地内物质的分布及地内压力来说,内核和下地幔的温度已低于该点物质在该点压力下的熔融温度,所以,内核和下地幔呈固态。外核的温度高于该点物质在该点压力下的熔融温度,所以,外核仍呈液态。岩石圈(包括地壳和上地幔)的温度已低于常压下该点物质的熔融温度,所以,地壳和上地幔呈固态。由于地震主要发生于地壳层Tatsumi, 1995,这说明,虽然岩石圈在常温常压下均为固态,但地壳为常压下温度更低的刚性固态物质,而上地幔则为温度较高的刚性较差的塑性固态物质。软流层的温度接近于该点压力下该点物质的熔融温度,所以,软流层在压力降低时,呈液态,在压力增加时,呈固态。由于地球的构造运动,造成不同区域岩石圈下的压力不一样,这样,使软流层呈现出一种不连续性的液态状态。

地球具有构造运动。地球的构造运动,主要包括水平运动(如海底扩张)和垂直运动(如造山运动)。由于岛弧作用、地槽作用、地背斜作用和地堑作用(见后述),引起某一区域岩石圈抬升,将在这一区域的岩石圈下形成一个负压腔。这样,这一区域物质没变,温度也没有变化,随着压力的降低,这一区域的软流圈物质将由固态变为液态,从而形成岩浆。岩浆的质地,主要由形成负压腔处构成负压腔壁的岩石类型决定。因为,当该处压力下降时,总是最容易熔化的岩石类型先熔融(如花岗岩类),然后才是较易熔的岩石熔融,最后才是不易熔融的岩石熔融。所以,当构成负压腔壁的岩石为花岗岩类岩石时,熔融的岩浆主要为酸性岩浆。当负压腔壁的岩石为橄榄岩类岩石时,主要形成玄武岩岩浆;若构成负压腔壁的岩石基性太高,连玄武岩岩浆都不足以形成时,才可能形成更基性的超基性岩浆。当构成负压腔壁的岩石介于橄榄岩和花岗岩之间时,则形成中性的安山岩岩浆。

当固态围岩物质转变为液态的岩浆时,由于压力的降低,岩浆里的去气气体性物质,将释放入负压腔。负压腔里的去气气体的量,由负压腔容积的大小、负压腔负压的高低、负压腔形成的时间长度等共同决定。负压腔容积越大(岩石圈抬升的区域越大),里产生的去气气体就应越多;负压腔的负压越大(构造运动形成负压腔的速度快),里产生的去气气体也应越多;负压腔保存的时间越长,能让去气体充分释放入负压腔,这样,也会造成负压腔里的去气气体增多。

当液体的岩浆和去气气体在负压腔里已经形成,负压腔就转变为岩浆房。

2  岩石圈破裂的原理及洋中脊火山的形成

在第四纪早期冰川时期,欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过大陆冰川,当时这两个区域都发生过地壳沉陷的均衡补偿现象。哈得逊湾的地面曾沉降到海平面之下120左右。现在冰川消融了,整个地区都在抬升,但这两个地区的某些部分还在海平面之下。最近15000年以来,哈得逊地区抬升了大约300,这一地区至今还保持着每年上升2厘米的速度。经过计算,该区地面要恢复到冰期以前的原有高度,并重建地壳均衡状态,还需要再上升80。斯堪的纳维亚地区,近万年来,其上升幅度达250,至今仍以每年1厘米的速度上升(陶世龙等,1999Stacey, 1992

这些曾经是北极冰川形成的广大地区的冰后回弹,说明这些地区在北极冰川形成时,曾经受巨大冰川质量的作用,由于地球的均衡补偿作用而发生下沉Davis et.al.,1999; Makinen and Saaranen, 1998。下沉的量,肯定大于现今回升的量。

从以上地球的内部结构分析可见,地球可以被看成一个由固态岩石圈圈闭的粘滞液体球。根据流体静力学原理,液体是不能被压缩的,作用于液体的压力,可以以相等的力,传至液体的任何部分及任何方向(赵景员和五淑贤,1981

当巨大的北极冰川被压入地球内部的时候,冰川的巨大质量和体积进入地球内部,进入地球岩石圈围成的这个密闭容器,必然要导致地球膨胀。因为,根据流体静力学原理,若地球不膨胀,北极冰川就不可能进入地球内部。由于固体的岩石圈的弹性有限,地球体积要膨胀,必然导致岩石圈破裂。也只有在岩石圈破裂的情况下,地球才可能发生允许北极巨大冰川下沉所需体积的膨胀。简而言之就是,若地球的其它地区没有岩石圈的下沉或上升的话,北极冰川下沉多少体积,地球将通过最容易破裂的地区破裂,释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质。换句话说,地球通过岩石圈破裂释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质,北极冰川才可能向地球内部下沉多少体积。

所以,我们可以说,由于种种原因,引起地球表面重力正异常(大地水准面负异常),导致地球的均衡补偿作用,使某处岩石圈物质下沉时,在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质上升。若地球的其它地区没有足够的岩石圈物质上升来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈下沉,地球的体积将膨胀,将引起岩石圈破裂,引发洋中脊处岩浆上涌,导致海底扩张,最终导致造海运动,使地球体积增大。

相反,由于种种原因,引起地球表面重力负异常(大地水准面正异常),导致地球的均衡补偿作用,使某处岩石圈物质上升时,在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质下沉。若地球的其它地区没有足够的岩石圈物质下沉来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈上升,地球的体积将收缩,引起岩石圈皱缩,引起地向斜和地背斜出现,地向斜扩大,形成地槽,最终引起造山运动。

地球到底是引起洋中脊岩浆上涌,或是引起岩石圈皱缩,主要取决于进出地球岩石圈这个密闭圈物质的体积。若岩石圈总下沉体积大于总上升体积,则岩石圈破裂,产生造海运动,使地球膨胀;若岩石圈总下沉体积小于总上升体积,则岩石圈皱缩。

那么,地球什么地方的岩石圈最容易破裂呢?岩石圈破裂与否,主要由作用于岩石圈的拉张力和岩石圈抗张力共同决定。

因为引起岩石圈破裂的力,主要是由于冰川等大质量物体下沉体积大于上升体积而造成。所以,作用于地球,使岩石圈破裂的力,主要是极地冰川造成的地球膨胀力。若是单极冰川形成造成的拉张力,则拉张力最大区域主要位于该极冰川所在半球的中纬度地区及相对一极的极区。若是双极冰川形成造成的拉张力,则拉张力最大区域,主要位于赤道地区。

岩石圈,可以看成主要由花岗或玄武岩构成。花岗岩和玄武岩的抗张力相差不大,花岗岩为7-25MPa mm2,玄武岩为10-30 MPa/mm2 (李智毅和杨裕云,1994。所以,岩石圈破裂与否,主要与岩石圈的厚度有关。因为大陆岩石圈厚度远大于海洋岩石圈,所以,一般情况下,岩石圈的破裂,主要发生在海洋底部。岩石圈破裂处,最终成为洋中脊,由于不同的海洋中及其边缘,有不同厚度的陆地分布,所以,并不是所有的海洋,易破程度一样。总的来说,在破裂方向上,所有的海洋和大陆一起的抗张力较大的地方,最不易破裂(如大陆区及内陆海);在破裂方向上,所有的海洋和大陆一起的抗张力最小的地方,最易破裂(如东太平洋等大洋区)。同时,冰川形成的地区,会使该地区下沉,也会造成该处岩石圈在一定程度上拉张变形,这可能也会增加该处岩石圈底裂的机会。

总之,若知道了是单极或双极冰川造成岩石圈破裂,根据板块厚度、板块大小和作用力大小和方向等参数,某处岩石圈的受力情况和抗张力,是可以计算出来的。根据计算,我们就可以知道,那里岩石圈最易破裂,那里岩圈最不易破裂。

就现在来讲,只有南极这一个单极冰川,所以,当冰川形成或扩大时,拉张力最大处主要位于南纬中纬度地区的海洋,如东及东南太平洋、东印度洋和南大西洋处的洋中脊。但是,若北半球冰雪积累量增加,减慢了北半球的冰后回弹,就造成南、北两极共同挤压地球。这时,地球的主要拉张区就位于赤道附近的海洋地区,如东太平洋和西印度洋。中大西洋,由于不能直接直线破裂,受到转换断层巨大的抗张力的作用,往往扩张较小。

当冰川形成时,强大的冰川质量引起的均衡调整下沉,造成地球的内压增加,根据流体静力学平衡原理,这个巨大的力量,将传至地壳的表层的任何地方,力量不变,方向垂直于地表,从内向外。在这个巨大的力量的作用下,造成岩石圈最易破裂处破裂,岩浆将顺着破裂的岩石圈缝隙大量涌出,在破裂处形成火山喷发。这种形式的火山喷发,主要发生在洋中脊及其附近。当然,若其它地方的地壳在这种力量作用下造成了破裂,也同样会造成玄武岩岩浆的喷发。因这种火山的喷发,是以玄武岩岩浆为主的喷发,所以,形成的主要是玄武岩。这种喷发,往往位于地壳的拉张期,就是传统的所谓拉张玄武岩喷发。这种玄武岩的不断形成,将使洋壳增加(如在洋中脊附近形成),或形成新的海洋。所以,这种火山的喷发,会造成造海作用。这种火山主要喷发玄武岩,所以,含二氧化碳等气体性物质较少,所以,不会造成爆炸式的喷发,相对来说比较安静。但这种火山的喷发,是由于冰川形成时巨大质量产生的压力造成的。这种火山的喷发,自地壳破裂开始,直至将所有的压力释放完为止,所以,这种火山的喷发,相对时间较长。是一种相对安静而长时间的火山喷发。

3 地槽形成及其火山活动

3.1  地槽形成原理

当夹于两大陆块间的海洋形成地向斜和地背斜时,海洋壳在两边大陆岩石圈的挤压下,一旦海洋岩石圈宽度超过海洋岩石圈的刚性范围,海洋岩石圈将发生形变(见图1a-b)。要么隆起,要么下降。若隆起,就成为地背斜(海山)。若下降,就成为(地向斜)海盆(见图1b)。由于海洋岩石壳的密度比较大,再加上冰川消融后形成的海水增加,地球内压下降,海洋岩石圈下降的面积将远大于抬升的面积,也就是说,海盆的面积远大于地背斜的面积(见图1b)。

1. 地槽形成和造陆过程. A,岩石壳;B,早期沉积物;C,负压腔;D,后期沉积物;E,火山堆;F,易形成花岗岩岩浆的浅地幔;G,易形成玄武岩岩浆的深地幔;H,玄武岩;“→”示火山喷发.

海盆一旦形成,将有沉积物在海盆里沉积(见图1b)。随着冰川不断地消融,岩石圈严重收缩。海盆边缘受到严重挤压,因为海洋岩石圈刚性作用,海盆底部将不断下陷(见图1b-c)。同时,海盆里沉积的上千米的沉积物,也进一步加剧了海盆的下陷(见图1b-c)。下降的海盆,将又会有大量的沉积物沉积(见图1c)。

海盆下降深度越来越深,盆口面积越来越小。海盆下陷到一定程度,就转变为地槽(见图1c)。

地槽下降越深,槽底洋壳的弯曲度就越大,当弯曲度超过洋壳的承受力时,槽底断裂(见图1d)。由于负压的作用,将造成大量玄武岩岩浆喷出(见图1d-e)。

随着地槽的下陷,根据均衡原理,地背斜将被抬升。通过地背斜的抬升,来达到地槽和地背斜共同构成的浮力和重力平衡(见图1b-c)。

随着地背斜的抬生和地槽进一步不断下陷,将加剧地槽底部岩石圈和地背斜岩石圈的弯曲。当其弯曲程度超过连接它们洋壳的承受度时,将发生断裂。这就引起地震,引起地槽和地背斜的分离(见图1g)。

一旦地背斜和地槽分离,地槽因为失去两侧地背斜的牵扯,根据地壳均衡作用原理,由于地幔的浮力而上升(见图1g-h);地背斜将因为没有地槽的支撑而下降,冲击下面的岩浆而引起火山喷发(主要为中性或酸性岩浆的喷发)(见图1g-h)。同时,地背斜岩石圈较重,地槽岩石壳较轻(地槽里沉积岩的比重小于火成岩性质的海洋岩石壳),地背斜和地槽岩石圈断裂时,地背斜岩石圈将向地槽下插入,这样,更进一步造成地槽抬升,形成中央隆起(见图1g-h)。从而形成地背斜和地槽之间的重新组合。

3.2 地槽底部火山的形成

在冰川消融时,由于地壳的收缩,造成地槽的形成。当地槽形成到一定时期,地槽底部和地台的顶部就会造成弯曲。当这种弯曲超过地壳的承受力时,就会造成地槽底部地壳的破裂。地壳的破裂,使压力下降,使高温的地幔岩降压熔融为玄武岩岩浆。

因地槽形成时,在地球收缩的强大挤压力作用下,地槽将插向地幔深处。就好象把一个空水桶口朝上,被压入水中。这时,由于水的浮力作用,若水桶底部破裂,水将急剧地涌入水桶。若水的表层是冷水,深层是热水,这时涌入桶中的将是底层的热水。因这时地槽底部已深深插入地幔深处的高温、易形成玄武岩岩浆的地幔中。这时的地槽底部发生破裂,玄武岩岩浆将顺着破裂的地壳裂隙大量涌出,造成玄武岩火山喷发,直至将这种压力释放完为止。这种火山喷发,虽然和洋中脊式火山形成机理不一样,但和洋中脊式火山喷发的形式相类似,主要为玄武岩岩浆或更基性岩浆喷发,没有大量的二氧化碳、水蒸气等气体集中喷出,不会形成爆炸式喷发,喷发相对比较安静。喷发时间比较长,直至将全部的能量释放完为止。这种喷发可以造成地槽区的玄武岩高原,如印度玄武岩高原,墨西哥玄岩高原及中国的峨眉山玄武岩高地等。

因为玄武岩的比重比花岗岩大,这种火山喷发,会形成大量比重大的玄武岩。若地槽形成时,有这种玄武岩岩浆喷发,这种地槽作用完成时,地槽上升的幅度不会太大。这种喷发越强烈,形成的玄武岩越多,这种地槽上升的幅度越小。若地槽作用过程中,由于各种原因,不能形成这种形式的火山喷发,或这种形式的玄武岩岩浆上升不能喷出地面,这种地槽作用完成时,地槽上升的幅度就大,易形成高大的山脉。

3.3 地槽与地台间火山的形成

为了均衡地槽的下陷,地背斜将抬升。这样,在地槽两侧的岩石圈下,将形成负压腔(见图1b-f)。随着地槽进一步下陷,而引起的地背斜的进一步抬生,负压腔将不断扩大,直至地槽底部岩石圈和地背斜岩石圈的弯曲过度,引起断裂为止。随着负压腔的不断增大,负压腔的压力不断下降。当压力下降至围岩在该点温度下的熔点时,围岩里的易熔物质开始降压熔化,形成液态的岩浆。原密封于围岩中的去气气体,也释放入负压腔中。这样,地槽两侧的岩浆房形成。当地槽和地背斜间的岩石圈弯曲程度超过连接它们的岩石圈的承受度时,将发生断裂。引起地槽和地背斜的分离(见图1g)。

一旦地背斜和地槽分离,地槽因为失去两侧地背斜的牵扯,根据地壳均衡作用原理,由于地幔的浮力而上升;地背斜将因为没有地槽的支撑而下降,冲击下面的岩浆。岩浆房里的岩浆和大量去气气体,在这种冲击力和压力的作用下,沿裂隙喷出地表,引起火山喷发(见图1g)。这种火山喷发,在岩浆喷出前,岩浆房里的大量高压气体(去气气体),首先呈爆炸性释放。所以,这种火山喷发,一般被称为爆炸性火山喷发。

4  海洋地背斜顶部火山的形成

如上所述,在冰川消融,地球收缩的挤压下,会形成地槽,也会形成地背斜(见图2a-b)。通过地背斜的抬升,来达到地槽和地背斜共同构成的浮力和重力平衡。随着地球不断地收缩挤压,地槽不断下陷,地背斜不断被抬升(见图2b-c)。随着地背斜的抬升,固体性质的岩石圈也跟着抬升,这样,在岩石圈下,形成负压腔(相对原来的压力为负压)(见图2b-c, C)。负压腔周围的软流层压力下降,当其压力下降,导致压力小于其维持固体性质的压力时,最易熔化的软流层岩石,经减压熔化为岩浆。同时,岩浆里的去气气体也释放入负压腔。这样,负压腔、岩浆和去气气体,就共同形成岩浆房(见图2b-c, C)。

随着地球收缩挤压的加剧,在地背斜的顶部,地壳会因弯曲过度而破裂,形成裂隙。一旦裂隙形成,岩浆房里的高压气体和岩浆,就会顺着裂隙喷出,形成火山喷发,直至将岩浆房里的压力释放完为止(见图2c-d)。这种火山喷发时,由于有大量的气体和岩浆一道喷出,且压力是突然性释放,所以,这种类型的火山喷发呈爆炸性喷发,如夏威夷类型的火山喷发。

由于这种类型的岩浆房和喷发的方式决定,使其和地槽两侧的喷发式火山喷发又不一样。地槽两侧的火山喷发,是由于地槽两侧的岩石圈冲击其下的岩浆房里的气体和岩浆而形成。火山喷发的压力,一是来自岩浆房本身的压力,更主要的是来自两侧岩石圈冲击而产生的压力。所以,这种喷发更猛烈,强度大,基本上通过一次或少数几次喷发而将岩浆房里该喷发的物质喷发完毕。这种类型的火山喷发,反复喷发的可能性较小。而地背斜式的火山喷发,由于破裂后的两侧岩石圈相互支撑,不可能一下子造成坍塌,只会造成两侧岩石圈对岩浆房一定的挤压而已(见图2d-h)。这种挤压,是由两侧岩石圈的断裂和变形来共同完成的(见图2d-h),这种变形是相当缓慢的。这种类型的火山喷发,不可能一次性把压力释放完,要经过多次喷发,才可能完成岩浆房里该喷出物质的喷出过程(见图2e-h)。所以,这种类型的火山喷发,相对来说不太猛烈,且周期性的反复喷发,直至将该喷出的物质全部喷出为止。

地背斜类型的火山喷发,喷出的岩浆,主要是安山岩或玄武岩性质的岩浆。但很少有酸性岩浆喷出。若在大陆块部位形成的地背斜岩浆房,也因大陆块相对来说刚性较强,形成的岩浆房相对较小。同时,大陆块较厚,酸性岩浆很难喷出地表而形成火山,一般形成次火山而已。

大量的岩浆喷出,冷凝的火山岩形成火山堆(见图2i)。由于这种火山是周期性地多次喷发,所以,随着喷发次数的增加,火山堆越来越大,越来越高。当火山高出海面,就形成火山岛。当这种火山喷发完成之后,火山堆不再增高增大。由于大量的火山物质喷出地表,造成火山喷发形成的火山堆处重力正异常(大地水准面负异常)。由于岩石圈的均衡调整作用,火山堆或火山堆形成的火山岛会适当下沉。每次火山喷发,使火山增高增大,造成重力正异常;火山喷发停止后,由于均衡调整,使火山堆下沉。所以,这种由火山喷发造成的火山堆或火山岛的增高和重力均衡作用造成的下沉交替进行。当火山喷发完全停止,就只有重力均衡作用,使火山堆或火山岛在重力均衡作用的调节下下沉,直至重力异常消失为止。这可能有利于处于热带区域的火山岛的珊瑚礁形成,最后会转变成沉入海底的平顶火山。

2 地背斜火山形成示意图。a-i,示火山形成过程。A,岩石圈;B,软流层;C,负压腔及里形成的岩浆;D,火山堆;“”示火山喷发。

5 岛弧形成及其火山活动

当海槽形成于大陆块(地台)和海洋壳之间时(见图3a),由于两则挤压力不均匀、挤压作用力高度不一致等各种原因,下降至顶点的地槽(见图3b),折叠于挤压力小或比重较小的一则地台(一般为大陆块)下(见图3b-e)。这样,根据重力均衡调节原理,产生折叠的这一则地台将被抬升而形成岛弧或高大山脉(若两则地台均是海洋地壳,则形成岛弧;若一则为海洋地壳,一则为陆壳,则海洋地壳折叠于陆壳下,形成甘底斯山脉式的山脉)(见图3f-l)。不管形成的是岛弧或山脉,这种折叠缝处,就是海沟(见图3D)。由于折叠处有了至少三层地壳(见图3b-e),折叠处的地壳将由于重力均衡调节而上升(见图3f)。由于岩石圈的刚性作用,折叠处岩石圈(见图3C)的上升,将带动和它相连的、没有折叠的单层岩石圈(见图3A)上升(见图3f)。这样,这种上升的刚性较强的单层岩石圈和它下面的液态性较强的软流圈之间,就会形成一种近似三角形的空隙,产生负压,形成负压腔(见图3E)。由于压力下降,固态的软流层岩石减压熔化为液态的岩浆。在这个负压的作用下,岩浆里的大量二氧化碳、二氧化硫、水蒸气等气体进入这个空隙,形成岩浆房(见图3F)。

随着岛弧和山脉的上升,单层岩石圈和三层岩石圈之间的弯曲度增加,拉力也增加(见图3f-g)。当这两种力量共同作用,超过单层岩石圈的承受力时,单层岩石圈将断裂(见图3g)。断裂的单层岩石圈,失去上升的三层岩石圈的支持,在重力的作用下,冲击它下面的高温气室性的岩浆房。岩浆房中的各种气体及液态的岩浆,在这个压力和冲击力的作用下,将顺着地壳断裂形成的裂缝,喷发出地面而形成爆炸式火山喷发(见图3g),形成火山堆(见图3h)。

这种爆炸式火山喷发,和其它形式的爆炸式火山喷发的喷发机理和形式相似外,也有一些它所特有的特点:这种火山是典型的爆炸式火山喷发,是所有爆炸式火山喷发里最为猛烈、规模最大的喷发。它喷出的火山气体、火山灰和火山弹及岩浆最多;这种火山喷发,每次喷发时的时间虽然不会太长,但只要岛弧和山脉还在上升,它休眠一段时间后,又能继续喷发,直至岛弧和山脉不再上升为止。当陆块岩石圈相当厚、或形成的岩浆房规模比较小、或处于这种火山喷发的晚期,这种火山也可以以热泉等火山泉的形式,较长时间地缓慢喷发。这就是为什么甘底斯山、日本和喜马拉雅山北坡等处,会有很多这类慢性火山泉的原因。

3. 岛弧后火山和山脉的形成过程. A, 大陆岩石圈; B, 流体地幔; C, 海洋岩石圈; D,海沟; E,负压腔; F,火山气体和岩浆从负压腔喷出; G,最先形成的火山堆; H-I,第二及第三次形成的火山堆; →”示火山喷发.

若形成的地槽规模大,叠入大陆块(也可以是海洋块)下的海洋岩石圈规模也比较大。这时,这种重力均衡调整引起的火山喷发,可以分阶段进行。首先抬升的往往是离海沟最近的部分,然后断裂引起第一阶段火山喷发(见图3b-h)。然后是离海沟较远的部分抬升,形成岩浆房(见图3i),引起第二阶段的火山喷发(见图3i-k)。若下叠的岩石圈板块足够大,还有可能形成第三级的岩浆房和火山喷发(见图3k-l)。但这种作用离海沟越远,作用越弱,离海沟越近,作用越强。所以,一般,第一级作用最强,最明显,而二级、三级作用,一般仅为次火山而已。

下叠岩石圈由于重力均衡调整作用,能引起其上的岩石圈抬升,产生垂直运动;同时,由于抬升作用,也会对其上的单层岩石圈产生一种向海沟方向的水平牵引分力。这个分力的存在,往往造成火山岛弧后的拉张盆地,如日本海海盆等。

6 地堑形成及其火山活动

已形成的地台,或大陆板块,一般来说,是相当稳定的。但在造山作用下,当其一侧(见图4a-e)或两侧(见图4f-j)的岩石圈由于各种原因加厚时,根据重力均衡调整原理,加厚的岩石圈将抬升(见图4b-c, g-h)。由于岩石圈的刚性作用,两侧加厚上升的岩石圈将带动与它相连的中间岩石圈上升(见图4b-c, g-h)。这样,就会在上升的未加厚刚性较强的岩石圈与它下面的液态性较强的软流圈之间,形成一个气室,产生负压,形成负压腔(见图4D)。由于压力下降,固态的软流层岩石减压熔化为液态的岩浆。在这个负压的作用下,岩浆里的大量二氧化碳、二氧化硫、水蒸气等气体进入这个空隙,形成岩浆房(见图4F)。岩浆房里有高温、高压(相对于外界大气压)的去气气体和液态的岩浆。当加厚的岩石圈不断上升,未加厚岩石圈的弯曲度和拉力增加,这种作用力超过未加厚岩石圈的承受力,产生断裂(见图4d, i)。从而形成爆炸式火山喷发(见图4c-d, h-i)。未加厚的岩石圈下陷面积较小,则形成地堑;面积较大,则形成地洼(见图4e, j);若面积相当大,就有可能形成盆地。

若这种地堑形成时,加厚岩石圈的程度不大,形成的地堑规模不大,不至于造成加厚地壳与下陷的未加厚壳之间产生整体断裂,这种地堑形成,也有可能不会形成火山的喷发。随着未加厚岩石圈的不断下陷,未加厚岩石圈下岩浆房里的高温气体和液态岩浆,则可能形成次火山,并有可能以热泉的形成向地表缓慢排出热量和气体。当然,若形成火山喷发,在其喷发晚期,随着岩浆房里火山气和液态岩浆的减少和压力的降低,也会形成一定量的次火山和热泉。

4. 地堑的形成过程. a-e, 示单侧岩石圈抬升形成地堑的过程; f-j,示两侧岩石圈均抬升形成地堑的过程. A,较厚岩石圈; B,较薄岩石圈; C,软流层; D,负压腔; E,在较薄岩石圈下新形成的岩石圈; F,负压腔里岩浆; G,火山堆;→”示火山喷发.

7 地外星体撞击及其火山活动

在地球形成的早期,外星体对地球的撞击比较频繁。这时,地球的地壳刚形成不久,比较薄,承受力较差,在外星体的撞击下,会产生破裂而引发火山喷发。这种火山,可以称为撞击式火山。撞击式火山形成时,不会形成气室,所以,不会造成爆炸式喷发。只是因为外星体冲击地球的地壳,在巨大冲击力的作用下,使撞击处凹陷,形成撞击坑。撞击坑处形成负压,一旦地壳被撞破,在负压的作用下,岩浆将从破裂处喷出地表。若撞击坑较浅,则为较浅层、近酸性的岩浆喷出;若撞击坑较深,则可能有较深层的玄武岩岩浆喷发。岩浆喷发,使负压减少,直至负压消失。所以,火山喷发的规模、时间和性质,因撞击的程度不同而不同。撞击越强烈,撞击坑越大,火山喷发的规模越大,时间越长,喷发的岩浆,主要为较基性的玄武岩岩浆、或更基性的超基性岩浆,如科马提岩浆喷发。撞击越弱,撞击坑越小,火山喷发规模越小,时间越短,主要为较酸性的岩浆喷发。

地球在受到外星体的强烈撞击时,在这个巨大的撞击压力下,地球其它地方的地壳有可能破裂而形成火山喷发。这种火山喷发,同样没有气室出现,所以,是溢流式火山喷发。若撞击的外星体较大或撞击速度较大,也有可能造成深层的基性岩浆喷出地面。

在地球还没有形成冰川之前,地球还没有自己的构造运动,这时的火山喷发,主要是撞击火山的喷发。地球形成早期,外星体撞击比较频繁。地球形成的后期,还是会有外星体撞击地球,但频率大为减少,地球的火山喷发,主要为冰川的形成和消融而造成的自己特有的构造火山喷发。

9 总结

根据喷发方式,火山喷发,可以分为缓慢喷发基性玄武岩岩浆的溢流式方式,和爆炸式喷气和喷发花岗岩岩浆的爆炸式方式。前者不形成高温高压气室,很少造成火山灰和火山弹的喷发,喷发温和但时间较长,喷出的是岩浆深层的基性玄武岩岩浆。后者形成高温高压气室,除大量喷发气体外,有火山灰和火山弹喷出,喷发剧烈,但时间较短,若有岩浆喷出,喷出的是浅层花岗岩减压熔融的酸性花岗岩岩浆。

所以,总的来说,火山喷发,主要发生于冰川形成时地壳断裂或破裂的洋中脊处;冰川消融时地槽形成期的地槽底部破裂处、地台顶部的破裂处、地槽与地台的交界处、上升岛弧或山脉与未上升地壳交界处。以上这些火山喷发,都可以认为是板块与板块的交界处。唯一发生在板块内部的是,在大陆板块中形成地堑(或叫地洼)时,加厚上升的地壳与下陷的地堑交界处的火山喷发。当然,这里形成火山喷发,有可能进一步形成洋中脊式火山喷发,并更进一步形成新的海洋。这样,也就形成了新的板块,这种火山,也就位于板块与板块之间了。

由于岩浆是由于负压腔的围岩减压熔融而成,花岗岩类岩石较轻,位于地球的表层,橄榄岩类基性岩石,较重,位于地球的深层。所以,岩石圈下形成的岩浆,越至表层,酸性越强,含二氧化硅越多,流动性越差,为花岗岩式岩浆;越至深层,基性越强,含二氧化硅越少,流动性越强,为玄武岩式基性岩浆。这也可以从二氧化硅的比重小和地球的热量分布得解释。因为二氧化硅比重相对较轻,含二氧化硅较多的花岗岩岩浆,自然分布于岩浆的表层;而含二氧化硅少的玄武岩岩浆,自然分布于岩浆的深层。现今为止,地球内部的热量尚没有完全散失,就热量的分布来说,肯定是越往内部,热量越多,温度越高,岩浆的流动性越强;越往外,热量越少,温度越低,岩浆的流动性越弱。

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社20075月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书

参考文献

李智毅, 杨裕云. 工程地质学概论. 武汉: 中国地质大学出版社. 1994. 53-89

陶世龙,万天丰,程捷. 地球科学概论. 北京: 地质出版社.1999. 89-100

赵景员,五淑贤. 力学. 北京:人民教育出版社. 1981. 342-428

Akiyama H., Rapolla A., Console R. Earth sciences and natural disaster prevention. Annals of Geophysics, 2002, 45: 709-841

Anders E. Chemical processes in the early solar system, as inferred from meteorites. Accounts of Chemical Research, 1968, 1: 289-298

Annen C., Wagner J. J. The impact of volcanic eruptions during the 1990s. Natural Hazards Review, 2003, 4(4): 169-175

Baxter P. J. Gresham A. Deaths and injuries in the eruption of Galeras Volcano, Colombia, 14 January 1993. In: Stix, John; Calvache V., Marta Lucia; Williams, Stanley N. ed. Galeras Volcano, Colombia; interdisciplinary study of a Decade Volcano. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 1997, 77: 325-338

Chester D. K., Dibben C. J. L., Duncan A. M. Volcanic hazard assessment in Western Europe. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2002, 115: 411-435

Chigira M., Chiba T. The landslide, steam explosions, and debris avalanche sequence of May 1997 at Sumikawa Spa, Akita Prefecture, Japan. Journal of Natural Disaster Science, 1998, 20: 21-31

Chigira M. Dry debris flow of pyroclastic fall deposits triggered by the 1978 Izu-Oshima-Kinkai earthquake; the "collapsing" landslide at Nanamawari, Mitaka-Iriya, southern Izu Peninsula. Journal of Natural Disaster Science, 1982, 4: 1-32

Davis J. L., Mitrovica J. X., Scherneck H. G., Fan H. Investigations of Fennoscandian glacial isostatic adjustment using modern sea level records. Journal of Geophysical Research, B, Solid Earth and Planets, 1999, 104: 2733-2747.

Ewert J. W., Murray T. L., Lockhart A. B., Miller C. D. Preventing volcanic catastrophe; the U.S. International Volcano Disaster Assistance Program. Earthquakes and Volcanoes, 1993, 24: 270-291

Freeth S. J., Kay R. L. F. Volcanic geology; The Lake Nyos gas disaster. Nature, 1987, 325: 104-105

Halliday A. N. Terrestrial accretion rates and the origin of the Moon. Earth and Planetary Science Letters, 2000, 176: 17-30

Hamzah L., Puspito N. T., Imamura F. Tsunami catalog and zones in Indonesia. Journal of Natural Disaster Science, 2000, 22: 25-43

Hanks T. C., Anderson D. L. The early thermal history of the Earth. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1969, 2: 19-29

Herd D. G. The 1985 Ruiz volcano disaster. Eos, Transactions, American Geophysical Union, 1986, 67: 458-460

Iwasaki I., Ozawa T., Yoshida M., Kamada M. Forecast of volcanic eruptions by chemical methods. Bulletin Volcanologique, 1975, 39: 91-103

Lyons J. R., Vasavada A. R. Flash heating on the early Earth. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 1999,29: 123-138

Makinen J., Saaranen V. Determination of post-glacial land uplift from the three precise levellings in Finland. Journal of Geodesy, 1998, 72: 516-529.

Njilah I. K., Tchindjang M. Lake Nyos natural dam, Northwest Cameroon; another catastrophe in the making. In: Ndikontar, M. K. ed. Geohazards in Africa. Africa Geoscience Review, 2002, 9: 369-375

Pareschi M. T., Favalli M., Giannini F., Sulpizio R., Zanchetta G., Santacroce R. May 5, 1998, debris flows in circum-Vesuvian areas (southern Italy); insights for hazard assessment. Geology, 2000, 28: 639-642

Ringwood A. E. Some aspects of the thermal evolution of the earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 20: 241-259

Rynn J., Davidson J. Contemporary assessment of tsunami risk and implications for early warnings for Australia and its Island Territories. Science of Tsunami Hazards, 1999, 17: 107-125

Shimozuru D. Volcano hazard assessment of Mount Fuji. Journal of Natural Disaster Science, 1983, 5: 15-31

Sparks R. S. J. Forecasting volcanic eruptions. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 210: 1-15

Stacey F. D. Physics of the Earth: Brisbane, Brookfiel Press, (ed., 3) 1992

Tatsumi Y. Subduction zone magmatism. Cambridge: Blackwell Science Inc. 1995. 1-49

Taylor S. R. Early accretional history of the Earth and the Moon-forming event.In: Campbell, Ian H.; Maruyama, Shigenori; McCulloch, Malcolm T. ed. “The evolving Earth”. Lithos, 1993, 30: 207-221

Tolstikhin I., Hofmann A. W. Early crust on top of the Earth's core. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2005, 148: 109-130

 

 



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