海底火山是如何噴發的?

2020-11-24 騰訊網

斯特隆博利島（圖源：popsci.com）

程江華編譯

海底火山（Submarine Volcano）是指在淺海或大洋底部形成的火山。海底火山隱沒於水下，隨著火山不斷的噴發，熔巖逐漸向上堆積，火山也緩慢地向上生長，水下就會形成山丘、石柱。

歷經數千年甚至數萬年後，當隱藏在水下的火山露出海面時，就形成了火山島，例如義大利的斯特隆博利島（Stromboli）或加那利群島的一些島嶼。

最大的盾狀火山

地質學家一直認為，夏威夷群島上最具文化意義且活躍的冒納羅亞火山（Mauna Loa），是世界上最大的盾狀火山。然而，夏威夷大學馬諾阿分校海洋與地球科學技術學院的麥可·加西亞（Michael Garcia）團隊通過建模和綜合測量，得出了新的結論：Pūhāhonu是地球上最大、最熱的盾狀火山。

Pūhāhonu位於夏威夷檀香山西北952公裡處，能看到的只有浮出海面的加德納峰（Gardner Pinnacles）。這座看起來貧瘠的山峰，最高點海拔約為52米，海面以下便是火山噴發的熔巖經過長期堆積形成的山峰。

露出海面的加德納峰（圖源：NOAA）

2020年5月8日，麥可團隊在《地球與行星科學通訊》發表文章稱，Pūhāhonu火山的鎂橄欖石（Fo）含量是夏威夷熔巖中含量最高的，約為91.8％。要知道，鎂橄欖石含量越高，熔巖的熔點就越高。

在這項研究中，研究人員利用聲吶和重力探測器測量了Pūhāhonu火山的整個地形。研究發現，Pūhāhonu火山的體積約為150000立方千米，是冒納羅亞火山體積的兩倍多。露出海面的加德納峰只佔整個Pūhāhonu火山的30%，而且自1400萬年前火山形成以來，Pūhāhonu已經使其下方的地殼下沉了數百英裡。

夏威夷大學在1972年和1976年分別對這座火山進行了挖掘，美國礦產管理局在1984年又進行了兩次挖掘。研究人員對巖石的主要成分和微量元素進行分析，發現Pūhāhonu的熔巖是鹼性玄武巖和拉斑玄武巖（即亞鹼性玄武巖）。

Pūhāhonu和西Pūhāhonu的等深線圖，四個玫紅色標記是1972年、1976年和1984年在Pūhāhonu進行挖掘的位置。（圖源：sciencedirect.com）

此外，研究人員還檢測了從火山不同部位收集的橄欖石樣本（巖漿冷卻並結晶時形成的一種礦物），並根據橄欖石的成分推斷出火山巖漿結晶前的溫度。Pūhāhonu巖漿初次流動時的溫度約為1700℃，是地球上有記錄以來最熱的巖漿。

海底火山的噴發機制

大多數火山噴發都發生在海洋底部，直接觀測和採樣的數量有限。但近年來的研究表明，海底火山活動不僅會沉積熔巖，而且會噴射出大量的火山灰。

德國巴伐利亞州朱利安·馬克西米利安大學（JMU）物理火山實驗室主任Bernd Zimanowski教授說：「海底火山噴發被認為是不可能發生的，因為水層會產生巨大的壓力，從而阻止有效地排氣。但我們認為，即使是在幾千米深的水層之下，也一定存在某種導致巖漿『爆炸』解體的機制。」

2020年6月29日，由James White（紐西蘭）、Pierfrancesco Dellino（義大利）和Bernd Zimanowski（JMU）率領的國際研究小組首次解釋了這種機制，研究結果發表在《自然地球科學》雜誌。

（圖源：nature）

研究人員對位於紐西蘭西北部海平面以下約1000米深處的Havre Seamount海底火山進行了研究，研究發現Havre火山噴發、巖漿發生爆炸是由於滾燙的巖漿和冷水之間的相互作用（即誘導燃料和冷卻劑之間的相互作用）導致的。

Havre火山噴發形成了浮石狀的「浮毯」，其面積擴大到約400平方千米。研究人員利用潛水機器人檢查了海床上的火山灰沉積物並採集了樣本，發現了超過1億立方米的火山灰。

隨後，研究人員在JMU物理火山實驗室進行了海底火山噴發的模擬實驗。研究人員將熔融材料置於坩堝（直徑為10釐米）的水層下面，使其發生變形，並且變形強度與巖漿從海底湧出時的強度相同。

當裂縫形成後，水會突然噴射到真空中，發生爆炸性膨脹，顆粒和水均被爆炸性噴出。隨後，研究人員利用U形管，將噴出的顆粒和水導入到水池中，來模擬水下的冷卻狀況。

實驗過程（來源：nature）

研究人員將實驗產生的「人造火山灰」顆粒與採集的樣本進行比較，發現「人造火山灰」在形狀、大小和成分上都與天然火山灰相符。

實驗表明，巖漿冷卻的過程中，形成的裂縫引起了水和巖漿之間的相互作用，冷卻劑（水）可以滲透到這些裂縫中，從而引發爆炸。

研究人員表示，無論壓強多大，無論在地表還是深海中，誘導燃料和冷卻劑之間的相互作用可以發生在一系列潮溼的環境中，並且適用於巖漿和水以外的其他物質。

參考文獻：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X20302399?via%3Dihub

https://www.livescience.com/puhahonu-largest-and-hottest-volcano-on-earth.html

https://www.nature.com/articles/s41561-020-0603-4

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/uow-hve062920.php

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