他有两个活火山，早上热早点很方便。他还有一座死火山，他也把它打扫干净。他想，说不定它还会活动呢！打扫干净了，它们就可以慢慢地有规律地燃烧，而不会突然爆发。火山爆发就象烟囱里的火焰一样。当然，在我们地球上我们人太小，不能打扫火山，所以火山给我们带来很多很多麻烦。

——《小王子》

在地球上，我们拥有的火山远不止三座。虽然我们不能打扫火山，但火山学家可以通过火山形状上的差异来辨别火山的“个性”！这能帮助我们了解火山的语言，预测火山喷发的影响，学会如何与它们和谐共处。

火山喷发证明我们的星球生机勃勃并且在不断进化。从火山的照片中，我们可以看到它们外貌各异，但是会拥有一些共同的特征。就像人类拥有不同的身高和发色一样，有些火山是圆锥形的，还有一些比较平坦，更加难以发现。这些外貌上的差异很重要，科学家们能通过这些差异辨别出火山怎样喷发——也就是它们的“个性”！在这篇文章里，我们会解释如何定义火山的不同个性，以及这将如何帮助科学家和全球的人们预测火山喷发的影响。  

火山的形状

研究火山的科学家被称为火山学家。像我们这样的火山学家环游世界，研究尽可能多的火山。我们研究的火山越多，对于火山活动机理的认识就越深刻。有时候我们来到像意大利那不勒斯这样的城市，在火车上向窗外望去，就能看到一座美丽的火山“主宰”着城市（维苏威火山，图1）。当我们探索维苏威火山附近的区域时，我们会发现一些岩石，可以从中得到很多关于火山历史的信息。为了获得这些信息，我们测定岩石样本中的矿物质信息，并分析其中的化学成分。这让我们能像读书一样去阅读岩石！这就是火山学家的工作。

图1. 那不勒斯（意大利）地区的卫星图像。图中标记的是维苏威火山和坎皮佛莱格瑞破火山口。右上角的意大利地图中，红色代表的是卫星图像显示的区域。图源：NASA（ASTER影像）

不过有趣的是，当我们环游那不勒斯时，我们还发现了其他火山石。那些岩石拥有不同的化学成分，看起来也与维苏威周围的岩石不同。它们来自维苏威附近的另一座火山——坎皮佛莱格瑞火山（图1）。这座火山很难从地面上直接看到，但是因为它体积很大，可以从太空中辨认出来（图1）。

像维苏威火山那样的尖顶火山（pointy volcano）被称为成层火山，而像坎皮佛莱格瑞火山那样的更扁平的火山被称为破火山口火山（caldera）。成层火山就像我们常常在画中看到的那样，非常容易被发现。它们看起来像山脉，中心有坑，即火山口，一直连通到地下。破火山口火山的形状更像一个大汤碗（图2）。最初的时候，一些火山学家称它们为“倒火山（inverted volcano）”[1]。

图2. 成层火山（左）和破火山口火山系统（右）图示。成层火山（1）的岩浆室比破火山口火山小得多（2）（图源：kids.frontiersin.org）

这些不同的形状是如何形成的呢？当火山不喷发时，那些最终将被喷出的岩石储存在位于火山下方5至15公里的岩浆室中（图2）。那里的岩石温度极高（约800–1000°C，烘烤披萨一般只需要300°C），以至于呈熔化的状态，被称为岩浆。当成层火山喷发时，只有一小部分岩浆从室中喷发，冷却后形成圆锥体。但破火山口火山不同，当它们喷发时，大量岩浆喷涌而出，导致表面沉降，形成“碗”状，这就是破火山口。科学家面对的一个重要问题是：“为什么火山的行为如此不同？”

大小决定个性

火山下方岩浆室中的岩浆是熔融的，使得它的密度比周围的岩石低。这意味着岩浆受到浮力，它想要上浮到地表。浮力是当你试图把足球浸入水中时，所能感觉到的阻力。你可以感觉到浮力试图使球上升到水面。阿基米德在2200年前首次描述了这种力，这是一个非常重要的发现，因为它解释了为什么船能漂浮在水面上。但和一个总想升到水面的足球不同，岩浆被保存在火山下方，岩浆室周围的岩石足够坚固，阻止了它的上升。那么岩浆是如何喷发的呢？

岩浆室周围的岩石就像是试图把足球摁在水下的你。如果足球很小，你肯定能成功，但是足球越大，你就越难做到。破火山口火山下面的岩浆室生长得如此巨大，因此最终喷发。其他火山学家也表明，在某些情况下，岩浆中包含的热量会熔化岩浆室顶部的岩石，使得阻止岩浆上浮的力减弱，最终岩浆上升，火山喷发[2]。在其他情况下，地震会震动岩浆室，就像摇晃一瓶苏打水，导致火山喷发[3]。对于大岩浆室，我们所了解的就是如此。那么为什么成层火山拥有的岩浆室更小，但也会喷发呢？

在较小的腔室中，火山喷发的触发机制完全不同。对于这些火山，从地球深处（60至100公里深）新注入的炽热岩浆会增加岩浆室中的压力，这足以破坏周围的岩石[4]。

在地球上，火山的大喷发比小喷发少见得多[5]。这意味着大多数岩浆室不能长大到足以形成破火山口火山，岩浆往往在较小的火山喷发中流失。通过研究从火山中喷发出来的岩石，我们发现破火山口火山喷发的规模比成层火山更大[6]。例如，与维苏威火山有关的岩石可以在意大利的威尼斯（540公里以外）找到，但与坎皮佛莱格瑞火山有关的岩石竟可以在4000公里以外的俄罗斯找到！科学家通过了解破火山口火山和成层火山的不同喷发规模的成因，以及火山喷发规模大小与岩浆室大小之间的关系，来协助预测火山喷发产生的影响。

哪种个性更危险

火山学家研究火山的个性，是因为这些信息可以确定火山喷发会产生多大的影响——别忘了坎皮佛莱格瑞火山的岩石能在4000公里以外被找到！现在，我们将告诉你与火山喷发有关的各种危险。

当火山喷发时，喷出的岩浆冷却下来，变成火山灰，还有二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）这样的气体。火山灰传播得非常迅速，它被喷射到大气中时，能够到达飞机飞行的高度，并且由于吸入的灰烬有损飞机引擎，严重情况下会导致飞行事故。

来自大型火山喷发的火山灰和气体，在大气中“环游”地球，改变气候。火山气体在大气中形成气溶胶（一种微粒混合物），将太阳辐射反射回太空，导致全球变冷。事实上，1815年印度尼西亚的一次火山喷发（坦博拉，图3）造成欧洲和北美经历了没有夏季的1816年。

图3. 图示为文中各座火山的位置（图源：kids.frontiersin.org）

火山附近的火山灰会通过覆盖植物、污染水源来毁灭生命。典型的例子如2010年冰岛的埃亚菲亚德拉火山喷发，2011年智利普耶韦-考登·加里火山喷发（图3）。火山灰可以在巨大的云层——火山碎屑流——中顺坡而下，蔓延数十公里。火山碎屑流是火山气体、火山灰和火山块（直径大于64毫米的火山岩）的混合物，高温高速（速度可以达到400公里/小时！），摧毁所到之处的一切。公元79年，维苏威火山在喷发期间形成的火山碎屑流，彻底摧毁了庞贝古城和赫库兰尼姆古城。

当火山灰混合着水，沿着火山的侧面流下来时，便形成了火山泥流（lahar）。火山泥流的温度比火山碎屑流低，但也可以非常快速地“行进”，对火山周围的环境同样充满威胁。 1985年哥伦比亚鲁伊斯火山（图3）喷发形成的火山泥流，造成26000多人死亡。

除了爆炸式火山喷发，还有一种喷溢式火山喷发。在这种情况下，岩浆从火山涌出，形成熔岩流。熔岩流温度很高，但“行进”速度比火山碎屑流缓慢得多，它同样可以将沿途的一切化为灰烬。夏威夷的冒纳罗亚火山、基拉韦厄火山，以及刚果民主共和国的尼拉贡戈火山（图3）在喷发期间都形成了熔岩流。

科学家们可以使用计算机模型预测这些火山灾害将会影响哪些区域，形成所谓的“灾害地图”。和普通地图类似，灾害地图上的颜色用于区分不同的区域。一般的地图上，我们可能会用绿色代表平原，棕色和白色代表山区。而在灾害地图上，颜色表明火山喷发时各个区域将会遭受的不同类型的灾害。像坎皮佛莱格瑞火山这样的破火山口火山，产生的火山喷发更大，需要更大的灾害地图，所以你会认为这些火山更加危险。然而，由于形成非常大的岩浆室极其困难，这样的喷发非常罕见。而维苏威火山那样较小的火山，虽然喷发造成的灾害地图更小，但可能更频繁地发生。相比坎皮佛莱格瑞火山，维苏威火山的喷发更加频繁，也更加危险！

尊重它们的个性

如今，全球有超过5亿人生活在火山附近。火山看起来很可怕，但事实上，它们喷发出来的岩石富含矿物质和微量元素，使得周围的土壤肥沃。火山也是可再生能源的重要来源。岩浆中含有的热量可以用来发电，火山中含有的元素可以用来制造太阳能电池板。这意味着火山对地球上的生命很重要。

但它们也非常危险。比如我们不能在距离火山太近的地方建造房屋和重要建筑物（如学校和医院），因为它们可能会被火山喷发所毁坏。为了生活在火山附近，我们需要了解它们的语言和从中传递给我们的信息。火山学家研究火山喷发形成的岩石，了解喷发前的情况，这有助于预测未来的火山喷发及其影响。还有许多火山几千年都不会喷发一次，所以我们必须了解火山喷发的原因，以及不同火山的行为有何不同。

火山展示了大自然的魅力和力量，人类能够见证这番景象是非常幸运的。然而，它们也提醒我们，需要学会如何尊重大自然，才能充分享受她所带来的财富。自然可以轻松地生活在没有人类的地方，但我们离不开她！

参考资料

[1] Walker, G. P. L. 1984. Downsag calderas, ring faults, caldera sizes, and incremental caldera growth. J. Geophys. Res. 89, 8407–16. doi:10.1029/JB089iB10p08407

[2] Gregg, P. M., de Silva, S. L., Grosfils, E. B., and Parmigiani, J. P. 2012. Catastrophic caldera-forming eruptions: thermomechanics and implications for eruption triggering and maximum caldera dimensions on Earth. J. Volcanol. Geother. Res. 241–242, 1–12. doi:10.1016/j.jvolgeores.2012.06.009

[3] Sumita, I., and Manga, M. 2008. Suspension rheology under oscillatory shear and its geophysical implications. Earth Planet. Sci. Lett. 269, 468–77. doi:10.1016/j.epsl.2008.02.043

[4] Caricchi, L., Annen, C., Blundy, J., Simpson, G., and Pinel, V. 2014. Frequency and magnitude of volcanic eruptions controlled by magma injection and buoyancy. Nat. Geosci. 7, 126–30. doi:10.1038/ngeo2041

[5] Newhall, C. G., and Self, S. 1982. The volcanic explosivity index (VEI) an estimate of explosive magnitude for historical volcanism. J Geophys Res Oceans Atmos 87, 1231–8. doi:10.1029/JC087iC02p01231

[6] Sheldrake, T., and Caricchi, L. 2016. Regional variability in the frequency and magnitude of large explosive volcanic eruptions. Geology 45, 111–4. doi:10.1130/G38372.1

作者 | Luca Caricchi（日内瓦大学地球科学系火山学家）, Tom E. Sheldrake（日内瓦大学地球科学系研究员）, Costanza Bonadonna（日内瓦大学地球科学系火山学家）

青少年评审 | Amalia, Giulia, Lachlan

翻译 | 刘水

编辑 | 金庄维

文章头图及封面图片来源：pixabay.com

文章来源：https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2018.00010, 《赛先生》获授权翻译

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