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一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

环境自然|2020-5-22 22:01

来源:国家地理|225人参与|0评论

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一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

  这是2019年9月5日拍摄的圣海伦火山,巨大的火山口让人回忆起40年前,致命的火山喷发震撼了太平洋西北地区。

  图源:AMANDA LUCIER, THE NEW YORK TIMES VIA REDUX

  撰文:MAYA WEI-HAAS

  在太平洋西北地区,5号州际公路以东,地形崎岖,一座座冰冷的火山拔地而起,近乎排成一条直线。但有一座火山显得格格不入:在这些火山以西40公里处,华盛顿州的西南角,坐落着圣海伦火山。

  40年前,圣海伦火山喷发,把火山灰和气体喷射到24000米的高空,夷平了350平方公里的森林,导致57人丧生——这是美国历史上最致命的火山喷发事件。今天,圣海伦火山依然是美国最危险的火山之一,也是喀斯喀特山脉最活跃的火山之一。

  然而,令人百思不得其解的是,它的爆发力从何而来?这座火山的位置与众不同,周围的岩石温度太低,无法产生剧烈喷发所需的岩浆。

  “圣海伦火山所在的地方,不应该有火山,”华盛顿州温哥华市美国地质调查局喀斯喀特火山观测站的主管科学家Seth Moran说。

  解决这一难题不仅仅是为了满足地质学界的好奇心。40年前的火山风暴提醒着我们:喀斯喀特山脉对几百万人构成威胁,而且也推动了火山学的不断进步。在那之后的几十年里,科学家通过广泛观察,更好地了解了全世界的火山喷发,并做好准备迎接未来。

一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

  “那次火山喷发,为我们理解这种类型的喷发带来了根本性的飞跃,”史密森全球火山项目的火山学家Janine Krippner说。

  关键是,更详细地了解火山的内部运作情况,可以帮助研究人员更好地追踪火山爆发前的颤动和变化,有助于提高火山预测,让人们远离伤害。

  圣海伦火山爆发40年后,关于它奇特的位置,科学家终于发现了一些线索。圣海伦火山岩浆成像项目(iMUSH)是追踪火山来源最全面的研究项目之一,科学家借助大量分析手段,揭开了这座火山的地下秘密。总体来说,圣海伦火山与教科书上描述的不一样,它并非坐落在熔化的岩石之上,而是一大片部分熔融的物质,一直蔓延到地下深处,偏到东边,向附近的亚当斯山靠近。

一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

  1980年5月18日,圣海伦火山喷出一股灼热的火山灰和气体,这是在西南方向看到的。火山喷发不到两周内,一些火山灰已经飘到了世界各地。

  图源:CORBIS VIA GETTY IMAGES

  1980年5月18日的清晨,天高气爽,万里无云。地质学家Dorothy和Keith Stoffel正从空中欣赏壮丽的圣海伦火山。这是一份特别的生日礼物,献给即将踏上31岁的Dorothy。这对夫妇获得美国地质调查局的许可,租了一架飞机,飞过火山上空。近两个月来,圣海伦火山轰鸣声不断,看上去却是一片风平浪静,就像那个周日上午一样。于是,当Dorothy打电话给美国地质勘探局询问是否可以起飞时,得到的答复是,“可以起飞,这里无事发生。”

  圣海伦火山两侧常年冰雪覆盖,呈现出一片白色,最近在轰鸣声中已经变黑。二人从塞斯纳182飞机的窗口拍下了这座对称的火山。“它那么平静、安宁,我感到有一点失望,”Dorothy回忆道:“我还记得,我当时在想,唉,这座火山又休眠了。”

  事实上,它正处于活跃状态,北侧地面隆起是不多的视觉线索之一。从那年3月底开始,每天,地面都会隆起2米。Stoffel夫妇飞过火山上方时,Dorothy发现融化的冰在灰白色的火山上留下一道道闪闪发光的白色痕迹,这意味着地面下温度极高。飞机在天空中盘旋,两次飞越火山口。

  上午8:30,他们决定向东飞,最后一次掠过隆起的地面。就在那时,火山突然爆发。

  说时迟那时快,他们还没弄清楚发生了什么,山上就出现了一道超过1.6公里长的裂缝,北侧崩塌,这也是有记录以来规模最大的水上山体滑坡。Stoffel夫妇继续拍照片,此时地面似乎正在液化,超过2.5立方公里(足以填满100万个奥林匹克游泳池)的物质滚下山坡。

  “作为地质学家,我们预计火山会喷发,”Dorothy说:“但不会想到山在瞬间土崩瓦解。”

  山体滑坡让下方岩浆积攒的压力释放了出来,就像打开香槟酒瓶的软木塞,火山也在释放压力。在大规模的侧向喷发中,滚烫的岩石向北喷了出去,这是科学家首次详细观察到这种类型的火山喷发。喷发速度高达每小时480公里,削平了火山顶部,周围几百平方公里遭到破坏。

  突然之间,大片云朵从侧面逼近Stoffel夫妇的飞机。飞行员为了获得速度,急速下降。“我真的以为我们完蛋了,”Dorothy说。但转向南后,三人死里逃生。

  在撤退途中,Dorothy看到灼热的气体和火山灰组成的羽流冲上高空,火山闪电照亮了火山口。在9个多小时里,火山上方持续形成的羽流,整个地区都充斥着火山灰,遮天蔽日。

一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

  一架直升机把设备送到圣海伦火山上,以监测火山活动。自1980年火山爆发以来,科学家借助一系列仪器,密切关注火山动态。这些仪器已经经过了多次升级。

  图源:ADAM MOSBRUCKER, USGS

  Stoffel夫妇惊心动魄的描述是一条重要信息,关于这次火山爆发事件,市民和科学家都留下了大量观察记录。向东约54公里,攀登者John Christiansen正在亚当斯山上,手举破冰斧。空气中的电流如此之强,以至于他的羊毛连指手套都被电到了。西南方向72公里处,在俄勒冈州的索维岛上,艺术家Lucinda Parker和丈夫看到了翻滚的羽流,3岁的女儿在沙滩上玩耍。向东230多公里,Douglas Bird和家人正准备去教堂,他看到充满火山灰的云层正在涌来,他从未见过这样的场景。

  火山爆发的威力在几代人之间流传,世界各地的研究人员纷纷来到华盛顿州,调查这座火山。从某种意义上来说,iMUSH项目正源于此。

  火山深处

  圣海伦火山是喀斯喀特火山弧的一员,这个火山弧从不列颠哥伦比亚省一直延伸到北加州。与世界上的很多火山类似,这个躁动不安的山脉是俯冲带,即板块构造碰撞的产物;在这里,致密的大洋板俯冲到了漂浮的大陆板块之下。随着板块下沉,压力和温度节节攀升,流体从板块中渗出,导致固态地幔开始融化。当这些熔岩的密度低于周围物质时,它们就会向上冲出地壳,形成火山。

  大部分喀斯喀特火山,以及世界上的其他火山,都形成于俯冲板块下沉约100公里的地下深处,这里的温度足够高,会形成岩浆。但圣海伦火山的情况不一样。它坐落在其他火山以西几十公里的地方,距离下方的俯冲板块仅68公里。

  2014年夏天,iMUSH项目启动,目标之一是解决这个难题。为了得到地下情况的图像,科学家研究了地震波在地下的传播速度和路线,简直就像给行星做超声波分析一样。在经历了车胎漏气、土路无人维护等重重困难之后,几十名研究人员终于在火山两侧安置了一系列地震仪。

  “为研究圣海伦火山,科研团队破釜沉舟排除万难,尽了一切努力。”

  SETH MORAN,美国地质勘探局喀斯喀特火山观测站

  作为分析工作的一部分,研究人员引爆了一系列爆炸装置,观察各种震动波的情况。另一套仪器负责记录两年时间里,山周围的每一次颤动,比如地球另一端的海浪和地震带来的隆隆声。其他研究人员则通过分析岩石的化学成分,解决这个问题。还有更多的科学家利用地球磁场和电场,计算出地表之下的导电性。

  美国地质勘探局的Moran是iMUSH团队的成员,他说:“为研究圣海伦火山,科研团队破釜沉舟排除万难,尽了一切努力。”

  结果显示,地震波在圣海伦火山以东的区域,地下16至40公里深的地方,行进速度缓慢。不同的矿物质对地震波的速度有影响,但这种迟缓背后也有岩浆方面的原因。分析表明,也许在喀斯喀特火山的其他地方附近,岩石像预想中的那样融化了,但有一些向西转移,从地表下的岩石挤了过去,形成了圣海伦火山。

  岩石本身的情况符合这种说法。团队的岩石学家Dawnika Blatter与美国地质勘探局的加州火山观测站合作,她告诉我们,研究团队在实验室的各种条件下,融化了火山喷发岩石样本。结果发现,推动圣海伦火山猛烈爆发的粘性岩浆富含气体,形成于地下,深度类似之前提出的岩浆库。

  岩浆偏移令人惊讶,“说明如果想了解岩浆从何而来,我们需要进行更广泛的研究,而非仅限于火山下方的情况”,康奈尔大学的地球物理学家Geoffrey Abers说。他参与了iMUSH的地震分析。

  1980年火山喷发后,研究人员甚至在地下深处的熔融区附近,捕捉到了颤动,这是地球在为流失的熔融岩石做调整。Moran说,火山喷发后近一年时间里,圣海伦火山东南方向总是在震动。火山周围的震动源于岩浆在地下移动,因此了解这些震动是否与圣海伦火山的岩浆库有关,有助于未来开展检测工作。

  “我们知道,圣海伦火山东南一侧是这个网络的薄弱环节,”Moran说:“找出那里发生地震的原因,将会推动我们对整座火山的了解。”

一座不应该出现那里的火山:圣海伦火山诞生之谜

  古代伤疤

  关于这种岩浆运动,科学界一直有争论。很多科学家从附近的地形发现了一些线索:几百万年前,板块构造碰撞留下了一道道痕迹,引导现代熔岩流动。

  在北美洲西海岸附近,曾有一座名为西里奇亚(Siletzia)的火山高原。但板块构造在不断变化,两者之间的距离慢慢缩短,大约5000万年前,西里奇亚火山高原与大陆相撞。两个陆块地块之间的海洋闭合,海底沉积物被推入地表之下,挤入石头中。根据iMUSH团队的说法,这次重要的板块缝合可能就在圣海伦火山之下。

  科学家用大地电磁学的方法描摹了这次缝合的情况,这种方法可以追溯岩石的导电性。富含碳和硫的矿物质与形成海洋沉积物的那些相似,“像圣诞树一样闪闪发光”,美国地质勘探局的地球物理学家、iMUSH团队成员Paul Bedrosian说。果然,在圣海伦火山下方,大片光亮意味着这里是古代海洋沉积物转变为变质沉积岩的区域。

  分析还发现了火山东部的另一个惊人之处:大片低导电性岩石区域正好位于深处岩浆库之上。科学家认为,这片区域是现在已经冷却的岩浆,形成于圣海伦火山诞生前的几百万年。

  被称为岩基的火山颈与缝合带的变质沉积岩,两者与众不同的特性,可能改变了这片区域的应力,从而引导岩浆的流向。在岩基的限制作用下,岩浆无法从圣海伦火山东部上升;变质沉积岩则起到了安全阀的作用,把火山粘稠的岩浆引到了地表。

  科罗拉多州莱克伍德美国地质勘探局的地球物理学家、iMUSH团队成员Jade Crosbie说,在变质沉积岩之下有一片密实的岩壁,通过地震阵列,他们发现这片岩壁可能是消失的地形的一部分,阻止岩浆向西流。

  梳理数据

  虽然iMUSH分析可以帮助我们深入了解地球内部,但距离完成还很遥远,Moran说。“地球物理成像的一大规则是:研究越深入,知道的就越少。”

  今天,我们只能从地表看到西里奇亚火山高原的零星遗迹,部分被已凝固的岩浆和长满树木的土壤所掩盖。因此,关于缝合带的位置,及其在引导岩浆方向上所起的作用,科学界争论不断。亚利桑那大学的地震学家、iMUSH团队成员Eric Kiser说,想要亲手摸到西里奇亚火山高原的岩石,你必须到圣海伦火山以西几十公里的地方。

  iMUSH项目留下了大量数据,研究人员在整理的同时,遇到了更多问题。随着时间推移,这个系统有了哪些变化?岩浆的移动速度有多快?这样一大片部分融化的岩石如何汇集到了地表的火山口?夏威夷大学马诺阿分校的地震学家Helen Janiszewski说,每一个可能的答案都将帮助我们了解火山喷发的过程和原因,帮助研究人员把一座火山的情况置于全球火山活动的背景之下。

  自1980年喷发以来,圣海伦火山多次苏醒,但在火山的阴影下,人口仍在增长。因此我们更需要密切关注这座特别的火山,而科学家已经接受了这项任务。

  “圣海伦火山的监测工作做得很好,”Kiser说:“火山的情况基本在美国地质勘探局的掌控之中。”

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