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山上“飞”来只火凤凰,这里的居民却要杀掉它?

|· 本文来自“我是科学家”·|

一提到火山喷发,人们想到的第一个词语也许是“危险”,但是,2019年7月19日晚,位于意大利西西里岛的埃特纳火山的一次喷发,更称得上是美丽的 —— 从火山脚下的卡塔尼亚城远眺,火焰般的岩浆沿山坡流淌,仿佛凤凰降临人间。

7月19日西西里岛埃特纳火山喷发的岩浆流下山坡 | U / Porodicnostablo

火山喷发常常造成各种各样的灾害,而这次埃特纳火山的喷发,虽然没有危及附近居民的生命安全,但喷发形成的火山灰导致卡塔尼亚城的两座机场关闭了一夜。

埃特纳火山7月19日喷发形成的火山灰 | thelocal.it

不过,这与2010年冰岛艾雅法拉火山的那次喷发相比,明显温柔了太多。那次发生在冰岛的喷发产生约9公里高的火山灰气柱,喷发的爆发指数(VEI)达到了4级(公元79年覆灭庞贝古城的维苏威火山喷发指数为5级)。火山灰导致约20个国家的机场被迫关闭一周,约一千万乘客的出行受到影响[1]

从直升飞机上看2010年冰岛艾雅法拉火山喷发产生的火山灰气柱 | wired

那么,为什么埃特纳火山喷发产生的灾害较冰岛的火山喷发来说,要小得多呢?原因就藏在不同火山所处的不同地质构造环境,以及它们不同的喷发形式之中。

“温柔”的溢流式火山

埃特纳(Etna)是一座海拔约3300米的复合型火山(stratovolcano),也是欧洲境内最高、活动最频繁的火山。它坐落于西西里岛东部,东南侧山脚是拥有大约三十万人口的西西里岛第二大城市卡塔尼亚(Catania),东北侧山脚距离电影《教父》的取景地萨沃卡(Savoca)小镇不过30公里路程。

西西里岛上的埃特纳火山,以及教父的拍摄地萨沃卡小镇(图中红色圆点所示)| 谷歌地图

作为欧洲喷发最频繁的火山,埃特纳火山在过去的四十年中平均每两年喷发一次。关于它的喷发的历史记载,甚至可追溯至距今约3500年前。而埃特纳火山之所以如此活跃,是因为它处在非洲板块与欧亚板块的交界处的俯冲带上。除此之外,埃特纳火山的东侧还有一个叫做Malta escarpment的大型走滑断层[2]。这个断层加剧了软流圈的上涌,更促进了岩浆向地表移动,使得埃特纳的喷发活动不断。

埃特纳火山的区域地质构造示意图 | 参考文献[2]

与埃特纳火山类似的俯冲带成因的火山,还遍布于太平洋沿岸的很多国家,比如日本,菲律宾,印度尼西亚,新西兰,美国。这些位于太平洋板块边缘的火山共同组成了著名的“环太平洋火山带”(Ring of fire)。

环太平洋火山带“Ring of Fire”(图中红点为火山)| USGS

虽然埃特纳火山的喷发活动频繁,但它还算是一座比较“温柔”的火山:和脾气火爆的“同胞”维苏威火山曾经覆灭整座庞贝古城的普林尼式(Plinian eruption)喷发不同,埃特纳火山通常是像挤牙膏一样,把岩浆从火山口或山坡的裂隙中“挤”出,形成典型的“溢流式喷发”。这些流出的岩浆二氧化硅含量较低,成分以玄武岩(basalt)为主,因此黏度比较小,和快餐店的番茄酱差不多。这些岩浆通常以熔岩流(lava flow)的形式沿山坡流下。

埃特纳火山喷发后岩浆从冰雪覆盖的山体上流下| https://ounews.co/science-mct/volcano/

这种黏度类似于番茄酱的玄武质岩浆,还常见于夏威夷的火山喷发中。皮克斯动画工作室曾以夏威夷的火山喷发为背景,制作了一部有趣的动画短片“I lava you”[3]

山也包不住火?山坡上流出的岩浆

大部分复合式火山的喷发都发生于位于山顶的火山口,而埃特纳火山的独特之处就在于,岩浆不仅可以从它“头顶”的四个火山口涌出,还能从山坡上的裂隙中钻出地面,这样的喷发被称为“裂隙式喷发”,每次喷发可持续数小时,甚至超过一年的时间。

卫星图像显示2018年12月发生于埃特纳火山东南侧山坡喷发形成的岩浆 | NASA

这种特殊的发生于山坡上的“裂隙式喷发”,与埃特纳火山所处的地质区域内存在很多活动断层和裂隙有关。等待喷发的岩浆就像机场等待安检的旅客一样,如果通往火山口的路途比较拥堵(可能堵塞着以往喷发遗留下来的岩石),而位于山坡上的裂隙(“VIP通道”)畅通无阻的话,那么岩浆就会“偷懒”选择VIP通道。对埃特纳火山来说,这些“VIP 通道”大部分处于火山的东面和南面,因此,在过去的二十年中,发生于山坡上的裂隙式喷发大多数发生在这些地带。由于这样的“VIP通道”不止一条,岩浆便可以“任性”地选择从不同的通道经过。

埃特纳火山所处地区的主要断层(fault)和裂隙(fissure) 分布图 | 参考文献[4]

堤坝反击战

在火山喷发的巨大能量面前,最容易的自保方式自然是逃跑。然而,虽然人可以逃跑,但是家园却很可能被经过的温度达到数百甚至上千摄氏度的岩浆毁灭。与其他“脾气火爆”的火山不同,“温柔”的埃特纳火山曾经给予了人类除逃跑之外的另一种防御形式——修建堤坝,阻隔岩浆。

由于埃特纳火山是著名的观光景点,它的南坡上有很多为服务游客而修建的房屋及设施,每一次南坡喷发都可能摧毁这些设施,造成巨大的经济损失。因此,当地政府曾在1983年,1991-1992年和2001年, 根据每次喷发开始后岩浆的走势,预测它们的去路,在岩浆抵达房屋之前,利用周围的碎石和以往喷发形成的火山砾,修建起几米至十几米高,数十米宽,几百米长的人工堤坝,意在阻挡岩浆的继续肆虐。

然而,由于喷发刚开始时,熔岩流涌动的速度较快,离喷发位置比较近的堤坝大多失败了——岩浆通常能越过堤坝,继续前进。然而,随着火山活动逐渐减弱,熔岩流由于长度跋涉,前进的势头也逐渐减弱,速度减慢,这些人工堤坝便开始发挥作用。

最成功的一次利用人工堤坝阻挡岩浆的事例就发生在2001年7~8月埃特纳火山的喷发期间。从当年的7月17日开始,岩浆从火山口南侧海拔约3000米到2100米的六处裂隙中相继涌出地面。海拔较低的几次喷发由于离人类活动区更近,对附近的房屋设施产生了很大威胁。因此,从喷发的第五天起,当地政府紧急决定展开堤坝反击战,在岩浆最可能的去路上,陆续修建了 13个最长约400米的人工堤坝。

2001年7月埃特纳喷发期间,人们使用附近的碎石和火山砾建造堤坝来阻止岩浆侵袭 | 参考文献[5]

在这次喷发期间,虽然最初修建的几个堤坝没能阻止岩浆前进,后期修建的几个堤坝却成功地阻止了岩浆的继续肆虐,保住了游客中心的所有建筑。更幸运的是,七月底开始,火山的喷发势头减弱,岩浆流动速度变慢,在抵达两个村子前就停下了脚步,本已计划好的离火山距离更远的几处堤坝也就不用再修建了。由于修建这些堤坝是就地取材,其成本仍然远远低于重建游客中心需要的费用,埃特纳的“堤坝反击战”也变成了少见的人类对抗火山喷发灾害的成功案例。

2001年喷发期间修建于埃特纳火山南坡的几个人工堤坝。其中三个堤坝(B3,B4,B5)几乎完全被熔岩流覆盖,而另外三个堤坝(C2,C3,C4)则成功地阻止了岩浆抵达游客中心 | 参考文献[5]

 火山活动监测体系

埃特纳火山地处地震频发地带,地震也可能促成火山的喷发,甚至引起山体滑坡,威胁到周围居民的安全。这些潜在的灾害使得火山学家们必须24小时关注埃特纳火山的活动情况。所幸,设置在埃特纳火山的监测体系称得上是世界范围内最完善的监测体系之一。意大利国家地球物理与火山学研究所(简称INGV)的科学家们在埃特纳的火山口、山坡、以及周围地区,设置了一系列地震仪,测斜仪,GPS,气体测试装置,以及各类影像设备,用来时刻监测火山活动。在这一系列监测手段之中,火山口释放的气体的化学成分可以说是最能显示岩浆活动的指标了。火山学家们利用这些气体中二氧化碳和二氧化硫含量的比例,可以推算出地下岩浆释放气体时的大概深度[6],从而估算出岩浆可能到达地表的时间点,为喷发的到来做好准备,并且在必要的时候做出喷发预警。

采集火山喷发前释放气体的成分的几种测试仪器 | flickr

当然,仅仅依靠火山喷发前释放的气体成分,还不足以准确地预测喷发,火山学家们通常还会综合其他监测仪器(比如地震仪,GPS)采集的实时数据,并且对比以往喷发前的监测数据,来做出更准确的判断。为了给火山的偶尔“淘气”买单,科学家们仍然在努力开发新技术,相信在未来某日,准确预测火山喷发终会实现,人类也许会拥有足够的智慧,找到与地球长久相处的方式。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. 《冰岛七火山:地质版“冰与火之歌”》原文链接:https://www.guokr.com/article/441725/
  2. Kahl, M., S. Chakraborty, M. Pompilio, and F. Costa (2015), Constraints on the nature and evolution of the magma plumbing system of Mt. Etna volcano (1991–2008) from a combined thermodynamic and kinetic modelling of the compositional record of minerals, J. Petrol 56, 2025–2068.
  3.  “I lava you”背后的科学故事请阅读 https://www.guokr.com/article/441382/
  4. Patanè, D., M. Aliotta, A. Cannata, C. Cassisi, M. Coltelli, G. Di Grazia,P. Montalto, and L. Zuccarello (2011), Interplay between tectonics and Mount Etna’s volcanism: Insights into the geometry of the plumbing system, in New Frontiers in Tectonic Research—At the Midstof Plate Convergence, edited by U. Schattner, pp. 73–104, In Tech, Croatia.
  5. Barberi F, Brondi F, Carapezza ML, Cavarra L, Murgia C (2003) Earthen barriers to control lava flows in the 2001 eruption of Mt. Etna. J Volcanol Geotherm Res 123:231–243.
  6. Aiuppa, A., Moretti, R., Federico, C., Giudice, G., Gurrieri, S., Liuzzo, M., Papale, P., Shinohara, H., Valenza, M., 2007. Forecasting Etna eruption by real time evaluation of volcanic gas composition. Geology 35 (12), 1115–1118.

作者名片

The End

发布于2019-08-12, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳。 如在其他平台看到此文章被盗用,请告诉我们(文章版权保护服务由维权骑士提供)

liweiran

新加坡南洋理工大学火山学博士生

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