揭秘黃石公園:地球最大火山群(圖)
發現火山
1870年八九月份,人類在美國的黃石國家公園進行了一次重大的探險活動。作為美國軍隊護航的首領,30歲的陸軍中尉古斯塔夫·多恩(Gustavus C.Doane)跟隨探險隊進入黃石位於懷俄明州的領地。當他登上黃石河上海拔3122米的沃什伯恩山(MountWashburn)往南看時,發現落基山脈似乎缺失了什麼東西,方圓數英里都是平地,只在遠處有山脈將中間的平地包圍,形成一個巨大的森林地盆。對這種現象多恩只想到一種解釋:「這個巨大的盆地曾是某個死火山的火山口。」
他說得沒錯,美國這個最古老、最著名的國家公園不偏不倚地坐落在地球最大的火山群上,黃石國家公園本身就是一座火山。
上世紀60年代,美國地質調查局的鮑勃·克里斯蒂森(Bob Christiansen)在研究黃石國家公園火山史時覺得很困惑,他找不到公園的火山口在什麼地方。他覺得多恩中尉指出的那個缺口,肯定是被炸出來的,但是要在山裡炸出約100公里寬的地方,肯定是一件非常巨大的事情。
事情過了20年,他的困惑才解開。上世紀80年代,美國航空航天局為拍攝月球設計了一種紅外攝影設備,需要先在地球上空拍攝以測試它的性能。專家們決定在黃石公園進行試驗,他們對黃石地區進行了空中拍攝,以測試這些新型的高空照相機。一位考慮週到的官員把一些照片交給了公園管理局,認為它們可以懸掛在某個遊客中心。當克里斯蒂森看到這些照片時,立刻意識到他沒有找到火山口的原因,因為這個火山口大到無法想像,無論從地面上的任何角度觀測,都無法窺其全貌。
照片顯示,黃石超級火山口長85公里,寬45公里,深約0.67公里。而黃石公園從北到南101公里,從西到東87公里。也就是說,黃石國家公園很大一部分面積是坐落在火山口上。
黃石火山是一種特殊的火山。正常的火山外貌很明顯,比如盾狀的夏威夷冒納羅亞火山群、錐狀的富士山,前一種是因為高流動性的玄武熔岩平靜流出而形成的,後一種是噴發出的物質堆積在火山口周圍形成的。除此之外,還有一種沒那麼有名、並不造山的火山。英國倫敦大學本菲爾德格雷格災難研究中心教授比爾·麥格(Bill McGuire)說:「許多超級火山都不是典型的山丘狀結構,它們往往藏身在巨大的、坍塌的盆地中,超級火山的熔融岩漿很難被監測出來。」這種火山的威力能大到一瞬間破土而出,留下一個沉降式大坑,即破火山口。這種低調卻威力強大的火山一旦爆發,地幔下方的岩漿會衝破地殼,沿著縫隙噴湧而出,地下的岩漿被掏空,導致火山頂部失去支撐而塌陷,形成一個凹進坍塌盆地中的巨型破火山口(caldera,西班牙語「坩堝」cauldron的衍生詞)。
當時,人們不知道怎樣稱呼這個巨大的火山。之前科學家習慣用火山爆髮指數來衡量火山的威力,黃石火山是爆髮指數達到8的火山。1815年印度尼西亞坦博拉火山猛烈大噴發,造成直接死亡人數約1萬人,次年全球氣候異常,8.2萬人死於後續的飢荒和疫病。這次大噴發成為有史以來對氣候影響最大的火山噴發,但火山爆髮指數也剛達到7。如果指數達到8的話,能量將是坦博拉火山噴發的十幾倍,就像數百萬顆原子彈爆炸,給地球造成的災害將是毀滅性的。
2000年,英國BBC廣播公司拍攝了一部關於火山的記錄片。在形容火山爆發的規模時,製片方創造了「超級火山」這個詞。沒有任何噴發可以和超級火山噴發來比較,《萬物簡史》一書的作者比爾·布萊森寫道:「要是你把喀拉喀托火山噴出的物質比作高爾夫球,那麼黃石火山最大一次的爆發物質像個大球,你完全可以躲在後面將其作為藏身之地。按照這個比例,聖海倫斯火山噴出的物質不過是一粒豆子。」喀拉喀托火山噴發是近代著名的一次火山噴發,發生在1883年,奪走了3.6萬條人命,發出的轟隆聲在全世界迴響了9天,使遠在英吉利海峽的海水晃了半天。而1980年聖海倫斯火山噴發是20世紀以來地球上規模最大的火山噴發之一,造成60多人死亡,將390平方公里土地變成不毛之地。
可以想像,黃石火山以往在某個時刻噴發時,已經把這片土地炸得七零八落。
一座活火山
克里斯蒂森現已退休,他之前對BBC說:「每年有數百萬人來到黃石公園,觀賞壯麗的景色和野生動物,很明顯大多數人都沒有意識到他們站在一個沉睡的巨人身上。」直到電影《2012》上映之前,很多美國人也沒有意識到這座巨大的火山。
事實上,黃石國家公園成立之後的幾十年,專家才意識到多恩中尉說錯了,黃石其實是一座活火山。
上世紀50年代,一個名叫弗朗西斯·喬·博伊德(Francis Joe Boyd)的哈佛學生對他在黃石公園發現的凝灰岩產生了興趣。這是一種火山灰因熱和壓力凝結而成的岩石,他當即就意識到這是地質年代很近的一次噴發碎屑留下的痕跡。1965年,克里斯蒂森發現第二處明顯的凝灰岩,第二年他和同事又發現了第三處。通過鉀-氬測年法,他們判斷這三處凝灰岩是三次火山大爆發的產物。每一次爆發都留下了一個巨大的噴火山口,第三次噴發埋葬了前兩次噴發的大量遺蹟。
科學家們由此推算出黃石超級火山的噴發事件。第一次噴發是在1650萬年以前,之後它噴發了大約100次,有研究的只有最近三次,分別是210萬年前、130萬年前和64萬年前。
210萬年前的黃石火山噴發堪稱地球上五大火山噴發之一,也是黃石超級火山可考史上爆發最強大的一次,是最近一次噴發的兩倍。但是,火山噴出的岩漿量達到2450立方公里,形成的破火山口至今超過100公里,產生的火山灰足以把紐約州埋在20米的深處,或者把加利福尼亞州埋在6米的深處,整個美國一半面積都被覆蓋。
距今130萬年前,黃石火山再度甦醒,此次爆發在最近的三次爆發中威力最小,但同樣具有毀滅性。爆發造就了黃石國家公園西側島公園之內的亨利福克破火山口,並且形成了另一片廣泛分布的凝灰岩。
最近的一次爆發距今64萬年,由於距離最近,所以科學家掌握的資料相對比較充足。科學家推算,當時黃石火山噴出的灰柱升上了3萬米的高空,散落到地面的火山灰覆蓋了整個美國西部直到墨西哥灣的廣闊地區。火山碎屑物,包括濃厚致命的塵霧、岩石和氣體,以及被加熱到800攝氏度高溫的致命濃煙,化作滾滾灰色雲團橫掃大地,用數百米厚滾燙、沈重的碎屑填滿整條整條山谷。這次噴發造就了80公里長、55公里寬的破火山口,破火山口塌陷陡壁高度在50米以上,噴發物體積達到1000立方公里,噴進大氣的火山灰在遠離黃石的愛達荷州、路易斯安那州和加利福尼亞州都可見。這次爆發所產生的噴發物覆蓋了周圍1萬平方公里的土地,也覆蓋了原來的兩個火山口,形成了現在我們所知的這個超級大的破火山口。
為什麼是黃石?
黃石公園內有上萬個噴出熱水和熱氣的孔穴,還有200多處間歇泉,這意味著黃石公園底下存在一個巨大的岩漿囊。岩漿囊是火山底下充填著岩漿的區域,是地殼或上地幔中岩漿相對富集的地方,類似於石油礦藏,岩石孔隙中充滿了高溫流體。
每當漂浮在上面的板塊經過時,下面的熱柱就會把上面的板塊部分融化成岩漿,形成岩漿囊。因為黃石火山蘊藏在北美大陸板塊的內部,所以當板塊緩慢地飄過岩漿囊的時候,岩漿的巨大熱量會融化板塊上的岩石,使大陸板塊越來越薄,它下面滾燙的岩漿卻逐漸增多,岩漿囊離地表越來越近。對於鋼筋水泥而言,地殼板塊幾乎牢不可破,但是對地球內部的高溫熔岩而言,地殼板塊不堪一擊。
當數萬年過去後,如果岩漿囊上空的地殼出現裂縫,岩漿就找到了通往上層的通道。這時岩漿囊裡的壓力會通過裂縫釋放,溶解在岩漿囊裡的各種氣體也會大量逃逸出去形成爆炸,正如打開一瓶猛烈搖晃的可樂。
為了弄清這個岩漿囊有多大,猶他大學的火山專家鮑勃·史密斯(Bob Smith)用地震波方式進行測量。地震發生時產生的餘波會穿越地球,地震波通過熔岩的速度比通過岩石慢,透過地震儀顯示的不同震波抵達時間,可以計算和繪製岩漿囊的大小范圍。
他用地震儀組成了一個檢測中心,由22個檢測中心構建成一個全方位的網路,所有數據都會傳到猶他大學的中心記錄設備中以供分析。他說:「地震檢波器網路就像一個天線,你通過聆聽進入天線的地震波,就能檢測到來自地球內部的事情。」這有點像CT掃瞄,通過透過人體組織的X射線來建立你身體內部結構的三維圖像。實驗結果超過了之前所有的預測,這座破火山口下面的岩漿囊長80多公里,寬40多公里,和黃石火山口的大小差不多;距離地表最淺處約8公里,最深處約16公里,體積大約有2萬∼2.5萬立方公里,裡面融化的岩石只有10%∼30%,剩下的物質都是炎熱的固體。
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