互动科普

在美国加利福尼亚州和怀俄明州的地下深处，潜伏着两座休眠火山。一旦达到爆发的临界点，它们将狂暴得难以想象——在短短几个小时内，就把美国西部埋葬在厚厚的火山灰下。在过去200万年中，这两座火山至少喷发过4次。在印度尼西亚和新西兰，也潜伏着类似的超级火山（supervolcano），它们的怒火在地下郁积，慢慢燃烧。

一座超级火山喷发的破坏力，相当于一颗小型的小行星撞击地球的威力，却比后者的发生概率高10倍，因此，这种喷发成为人类有可能经历的最惨重的自然灾难之一。除了滚烫的火山灰流（ash flow）造成的直接破坏，超级活火山还喷发出气体，在此后的许多年里，严重扰乱全球气候。

毫无疑问，研究人员迫切地想了解，到底是什么原因导致了这些巨人喷发？我们如何预测它们是否会再次发泄怒火、给人类带来浩劫？喷发又会引发怎样的后果？最近，科学家对过去喷发的火山灰沉积物中的近显微晶体(nearly microscopic crystal)进行了分析，获得了一些答案。通过在可能发生灾难的地点使用先进仪器进行监测，科学家坚信，在下一次大喷发来临之前，可以准确检测到危险信号。正在进行的研究也暗示，超级火山的喷发，可能触发大气层中令人担忧的化学反应，使得喷发之后的数月比人们过去所猜测的更加致命。

几乎所有的火山专家都持这一观点：今天生活在地球上的我们，几乎不可能经历超级活火山的喷发，因为这种灾难性的大喷发大约几十万年才发生一次。然而，自20世纪50年代以来，这类“插曲性事件”的巨大规模和带来的全球性影响，引起了科学界注意。

规模巨大

地质学家的最初发现之一，便是大量环形山谷的存在——直径约30千米~60千米，深达几千米，看起来很像位于地球上大多数最著名火山顶上的碗状破火山口（calderas）。位于火山口下方的熔融岩石库，或者叫岩浆囊（magma chamber），排空后将导致上面的地面塌陷，于是便形成了破火山口。由于发现这些类似破火山口的山谷位置，都在地球上某些规模最大的火山岩沉积物附近，而且火山岩是一次单独火山活动的产物，早期的调查者就意识到：比起他们眼前的火山残留物来，人们熟悉的华盛顿州圣海伦斯火山（Mount St. Helens）的残留物不过是“小巫”罢了，这里残留物的规模要大几百倍甚至几千倍。通过估算破火山口的尺寸和喷发物质的体积，研究人员发现，破火山口之下的岩浆囊肯定硕大无朋。

构成如此巨大的岩浆囊所需的放热现象很稀少，因此超级火山本身也非常罕见。在过去200万年间，一次喷出至少750立方千米残余物的突然喷发，只发生在4个地区：美国怀俄明州黄石国家公园（Yellowstone National Park）、加利福尼亚州长谷（Long Valley）、印度尼西亚苏门答腊岛多巴（Toba）以及新西兰陶波（Taupo）。在陆壳（continental crust）很厚的其他地区，包括南美洲西南部和俄罗斯的远东地区，寻找类似的大型喷发点的工作还在继续。

20世纪70年代中期，对过去火山活动的调查，揭示了岩浆囊形成和变得危险的几种途径。地幔厚达2,900千米，被熔化的外地核和相对很薄的外层地壳夹在地球内部。在黄石地表之下，在自地幔浮起的黏性岩石地柱（plume）之上，北美板块正在移动。如同一盏巨大的煤气灯，这一所谓的热点（hot spot）熔化了覆盖在上面的大量地壳岩石，在过去1,600万年中，激发了多次灾难性喷发。在多巴，岩浆囊的来源有所不同，那个地区位于俯冲带（subduction zone）上方，在那里，一个板块俯冲到另一个板块下面；两个板块的碰撞产生了分布广泛的热量，岩浆囊主要是通过在下沉板块上方的部分熔融的地幔物质来产生的。

不论热源是什么，随着时间推移，在上面岩石的巨大重压下，岩浆囊里逐渐聚集了更多的岩浆，压力便由此产生了。当受压的岩浆足以托起上面的地壳，使地壳垂直裂开到地球表面时，一次超级喷发就发生了。一股股岩浆沿着这些新出现的裂隙喷涌而出，最终形成一个环形的喷发口群。当这些喷发口彼此合并时，环形口里面的巨大地块圆柱便失去了支撑。这片原来坚固的岩石“屋顶”陷落下去，如同一个单独的活塞或一堆粉碎的石块，陷入下面岩浆喷发后腾出的空间，就像四壁倒塌的房屋屋顶下坠一样，这种坍塌激起更多岩浆和气体，迫使它们围绕环状边缘而猛烈释放出来。

识别爆发迹象

然而，问题并未完全解决。研究者不久就意识到，并不是每个巨大的岩浆囊都必然产生灾难性喷发。例如，美国黄石地区是世界上三个最年轻的超级火山破火山口之家，它们分别形成于210万年、130万年和64万年前，几乎相互重叠，但是，在这些爆炸性活动的间歇之间，地下岩浆囊仍在缓慢而悄悄释放着相似体积的岩浆。岩浆有时会缓慢渗透出地表的原因，目前尚不清楚。

审视黄石喷发的岩浆和火山灰包裹着的微晶体成分，提供了部分答案，使人们对岩浆形成的方式有了新的了解。几十年来，地质学家假设，岩浆是数百万年的某个时候形成的一潭液化岩石，每一次都有一些岩浆流出地球表面，新的液体从下面上涌，不断填充岩浆囊。如果这个看法正确，那么我们就可能会看到更多体积庞大的灾难性喷发活动，因为从机制和热量上来说，除非时常清空岩浆，否则不可能把这种怪物般的岩浆体关在地壳中。

以前的观念，主要是根据所谓的全岩分析（whole-rock analysis）得到的，研究者采集一块拳头大小的火山灰块，得到一整套化学测量数据，这些数据提供了岩浆演化的重要综合模式，但却不足以确定喷出的岩浆的时代及其形成时的深度。

每一大块岩石，实际上都是由成千上万颗微晶构成的，每颗微晶都有自己独特的成分和历史。因此，在20世纪80年代后期，当技术进步能够以更好的精度来分析单独的晶体时——这似乎就像人们可以通过阅读一本书的各个章节来了解整个故事，而不是依赖于封面介绍，研究人员开始观察到，一些晶体（还有最初夹带这些晶体的岩浆）比另一些晶体的形成要早得多，而且一些晶体形成于很深的地下，另一些则形成于靠近地球表面的地方。

在过去10年中，地球化学家一直特别注意一种尤为坚实的火山晶体，叫做锆石（zircon）。鉴于锆石不改变原始成分就能抵御温度和压力的极端变化，一些研究人员，比如威斯康星大学麦迪逊分校的约翰·W·瓦利（John W. Valley），就利用锆石来研究地球地壳的早期演化[参见《科学美国人》2005年10月号约翰·W·瓦利所著《早期的地球凉爽吗？》一文]。1998年，我作为博士后加入瓦利的团队，利用黄石地区的锆石来追踪母体岩浆的历史，获得了重要的线索，可以预测未来火山的活动方式。

第一步，在黄石地区最近一次超级喷发产生的锆石中，测量不同形式的氧的比率，那次喷发发生在64万年前，产生了熔岩溪流凝灰岩（Lava Creek tuff），这是一种石化的火山灰，在某些地点沉积厚度达400米；还有一些年代更近的沉积物，这些沉积物形成于那次超级喷发之后，是在一些温和的喷发中产生的。完成自己的初步分析时，瓦利和我惊讶地发现，那些锆石的氧成分与深处炽热地幔的氧成分并不吻合，原来我们认为排干的岩浆囊始终从下面得到填充。起源于地幔的岩浆中的锆石，有一个与众不同的特点：由于溶解在岩浆中的元素聚集形成了锆石，因此锆石晶体的氧18含量特别高——氧18是氧的一种重同位素（heavy isotope），一个氧18原子核中有10个中子，而普通氧原子核中只有8个中子。

瓦利和我立即明白了，岩浆肯定起源于地球表面附近的岩石中。相对于地幔物质，我们研究的锆石所含氧18贫乏，而只有晶体在跟雨水或海水发生反应的岩石中形成后，才出现这种贫乏。因此，我们怀疑，黄石两次最古老的超级喷发中，有一次形成了坍塌的顶盖岩，肯定熔化形成了新近的熔岩溪流灾难，以及和后来的小规模喷发所需的大部分岩浆。当我们得知，源于熔岩溪流之后的喷发的锆石年代，横跨持续了200万年的整个黄石火山活动时，我们的假说就得到了支持。如此古老的锆石存在于最年轻的火山灰中，仅仅说明的是，最初的岩浆给整个系列喷发提供了燃料。

我们的发现意味着，科学家现在可以确切地预测超级火山的未来活动方式，包括黄石超级火山或别处的超级火山。如果黄石地区新一轮小型前兆性喷发开始（通常发生于一次灾难性大喷发之前的数百年间），人们通过检验那些熔岩中的氧痕迹和熔岩中的锆石年代，就可以了解到，地下岩浆囊中富集了何种类型的岩浆。如果下次喷发物的氧18贫乏，那么岩浆可能仍是最初的岩浆残余——一团黏稠的晶体碎块，而不是一团具有爆炸性的流体。另一方面，如果新的熔岩具有来自地幔新岩浆的特殊印记，且不含老锆石，那么大量新岩浆很可能填充了地下岩浆囊。这将意味着新的一轮火山活动开始了，岩浆囊更可能酝酿着灾难性的喷发。

直接后果

超级喷发的后果，锆石微晶及其同位素特征，给我们带来了更多惊奇，有好有坏。超级火山后果的最佳研究样本之一，便是毕晓普凝灰岩（Bishop tuff），它是几十米甚至几百米厚的火山岩层，暴露在加利福尼亚州东部火山岩高原地表。这一巨大的沉积岩表明，在76万年前长谷超级火山破火山口形成时，估计约有750立方千米的岩浆喷出，现在的沉积岩便是当年岩浆的残余。

20世纪70年代以前，许多地质学家曾设想，时间超过数百万年的一系列独特喷发，肯定形成了分布广泛的毕晓普凝灰岩。但是，通过细致的显微观察发现，陷入微小石英晶体中的岩浆充填泡，却讲述了一个不同的故事。岩浆离开岩浆囊的比率，主要取决于两个因素：岩浆的黏性，或者叫流动能力，以及岩浆囊和地球表面之间的压力差。由于充填泡内的压力相当于岩浆在其中形成的岩浆囊的压力，所以充填泡就像岩浆囊本身的一个微型版本。

明白了这种相似性之后，芝加哥大学的阿尔弗雷德·安德森（Alfred Anderson）及其同事在显微镜下刺穿那些小泡，跟踪了解岩浆从小泡中泄漏出来需要多长时间。基于这些实验以及20世纪90年代进行的其他实验，地质学家认为，在单独一次喷发活动中，毕晓普凝灰岩（也许还有大多数其他超级喷发的产物）喷发出的时间，仅仅持续10小时到100小时。

根据这一发现，研究人员不得不修改他们重现超级火山喷发的模拟试验。下面就是他们现在通常料想的那些喷发活动的场景，达到了袭击长谷和黄石的规模：与夏威夷基拉韦厄火山缓慢泄漏、逶迤而下的炽热岩浆不同，这些喷发产生了超声波爆炸，泡沫状的高温气体和灰尘直冲云霄，进入高达50千米的地球同温层（stratosphere）。随着岩浆囊上方的地面坍塌，在破火山口四周，大量被称为火山碎屑流（pyroclastic flow）的尘埃云呈水平状喷出。一些资料认为，这些碎屑流是熔岩和火山灰的中间阶段，因此它们移动得非常迅速，时速达400千米，恐怕汽车和飞机都无法超过它们。这些碎屑流同样非常炽热，温度高达600℃~700℃，烧毁和埋葬了几十千米范围内的一切。

与火山碎屑流同样可怕的是，喷射到大气中的火山灰产生了更深远的后果。也许在几天甚至几周里，喷发地点周围几百千米的范围内，灰白的火山灰将如同雪块一般纷纷撒落下来。在破火山口周围200千米范围内，几乎暗无天日，正午犹如黄昏。火山灰掩埋了房屋、人类和其他动物——有些还被压得粉身碎骨。甚至在300千米外，火山灰依然深达半米；灰尘同雨水混合之后，重量足以压塌屋顶。很少一点火山灰，便会破坏电力系统和中继站。小到毫米级的火山灰飘散到半个地球，迫使机场关闭，农业大幅度减产。

只有雨水（因溶解火山气体而变成酸性）会逐渐冲走覆盖地表的厚厚灰尘。由于灰尘漂浮在水上，因此会阻碍水道，使大河的运输慢慢停顿。实际上，最近在靠近密西西比河三角洲的墨西哥湾，人们在钻探石油时，遭遇到一层厚得令人惊讶的超级火山残余物——距离它在黄石的发源地超过1,000英里（约合1,609千米）。非常遥远的火山所喷发出来的火山灰，沿着密西西比河顺流而下，粘在沉积物上，一同沉入海底，形成了大量沉积物。

持久影响

研究人员有理由相信，还出现了其他一些后果：大量喷入更高大气层中的难以排除的气体，会持续扩散很多年。新的研究表明，其中的一些后果可能不像过去想象的那么严重，但是另一些可能就更糟糕了。通过研究过去喷发物中的细微副产物成分，我们再一次得到了启发。

在火山喷发产生的各种气体中，二氧化硫（SO2）对环境造成的影响最大。它和氧气、水发生反应，产生出微小的硫磺酸（H2SO4）液滴。这些液滴是阻碍阳光源的主要物质，

尾随在超级喷发之后，没有了阳光，全球的气候便大幅度下降。由于全球的水循环（hydrological cycle）需要数月或数年才能完全冲洗掉这些酸液滴，因此许多研究研究人员估计，如果“火山冬季”（volcanic winter）不持续几个世纪的话，那么也会持续几十年。但是在近年来，另外一些研究人员揭示的新证据，使这种估算大幅度减少。

巨大的火山喷发产生的硫磺酸痕迹，几乎总是留在冰雪中，那是被污染的大气中的酸沉积到冰雪上而留下的。1996年，研究格陵兰和南极洲冰核的调查者发现，7.4万年前多巴的超级喷发之后，那些地方的冰雪中出现了硫磺酸含量高峰。那次喷发喷出了2,800立方千米的熔岩和火山灰，使全球气温平均下降了5℃~15℃。严寒的后果无疑是严重的，但并不像过去人们所想象的那样漫长——冰记录中的硫磺酸在6年后就消失了。一些研究人员甚至认为，硫磺酸痕迹也许只存在了一两年。

火山冬季也许比人们所预期的要短暂，这是个好消息。但是，在过去5年里，人们开发出一种新方法，对火山酸雨中的氧原子成分进行研究，显示出大气中二氧化硫的一种完全不同的危险信号，它的长期影响令人担忧。SO2要转变H2SO4，就必须被氧化——换句话说，它必须从已经存在于大气中的某些其他化合物里获得两个氧原子。究竟是什么成分在转变中扮演了关键角色，成为近年来科学研究中一个争论激烈的话题。 2003年，我作为科研人员，在加州理工学院与约翰·M·艾勒（John M. Eiler）共事，一起在我的史前黄石和长谷喷发的火山灰标本中寻找证据。

一开始，我们的分析集中于一种特别高效的氧化剂——臭氧（ozone）。臭氧是一种由3个氧原子组成的气体分子，众所周知，正是它保护地球免遭紫外线（ultraviolet ray）的侵袭。由于某些气体在强烈的太阳辐射下所经历的罕见化学变化，臭氧就表现出它所谓的非质量氧同位素（mass independent oxygen isotope）中的异常这种特征，简单地说，可以认为是氧17的过量。

当同温层中的臭氧或任何其他富氧分子与SO2结合时，便会把自己的氧同位素特征传递给新生成的酸——也就是说，氧17异常在新生成的酸中保留了下来。2003年，加利福尼亚大学圣迭戈分校的地球化学家首次发现了证据，证明了这种氧同位素特征也保存在酸的氧原子中，然后以酸雨的形式落下；该特征还保存在硫酸盐化合物中，这些化合物是由酸雨与已经落在地面上的火山灰发生反应而形成的。

因此，在黄石和长谷火山灰标本的硫酸盐里，我们发现的氧17过量和其他化学标本表明，在同这些地区的超级喷发产生的气体进行反应的过程中，大量同温层臭氧被耗尽了。在科罗拉多和内布拉斯加地区，其他研究人员研究了更早的巨大喷发活动产生的火山灰，证实了那些活动也可能侵蚀了同温层的臭氧。目前来看，似乎超级火山喷射物在臭氧层中侵蚀出了空洞，所产生的影响，甚至比它们使气候变冷的影响还要久远。

失去了臭氧的保护，预计将导致更多危险的紫外线辐射到地球表面，从而对生物遗传造成更大危害。臭氧遭到破坏的潜在程度和规模，目前还有争议。冰核中的证据表明，1991年，皮纳图博火山（Mount Pinatubo）喷发，导致臭氧层损失了3%~8%。但如果火山活动强烈100倍，那么会发生什么呢？简单的算法并不解决问题，因为大气中氧化反应（oxidation reaction）的细节非常复杂，尚未完全揭开。

研究和监测大大小小火山的科学技术，正稳步发展。但无论我们掌握了多少知识，都无法阻止火山喷发。对于大多数灾难性事件的后果，我们所能说的，充其量也只是推测。尽管如此，好消息就是如今研究人员已经足以了解潜在喷发地点，能够比较有把握地预测：短期内不会有这样的灾难降临。