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user: 3. 火山活动的基本特征 3.1. 全球火山活动的一般分布状态 图1按照2个不同时期展现了全球火山活动的分布。两个时期火山分布统计如表1所示。由表1可见，两个时期的火山分布状态基本一致，热机带的火山占全球火山总数的82%以上，冰岛、夏威夷和非洲中南部的火山超过10%，两者合计约占94%。这些火山中，90%以上火山的历史最大喷发指数(Volcanis Explosivity Index—VEI)都在2以上。 图1的2张图上沿大洋中脊带的火山极少，可能与大洋里的火山遗漏较多有关。因此，冷机带已发现的火山集中在冰岛、夏威夷和非洲中南部三地的有人地区，唯有冰岛才真正属于大洋中脊带上的火山活动。当然，热机带同样也有不少火山遗漏，尤其是海底的休眠火山。 图1(a)显示热机带内的火山活动严格受到地震柱的控制。唯有一地例外，即日本本州至九州的火山似乎连为一气，然而被地震柱的划分隔开了。由地震活动研究已知，2011年日本本州东北部的9级地震是属于日本地震柱的独立活动，与周边的地震柱没有牵连[ 11 ] [ 12 ] 。这里的矛盾有待进一步的研究。其它地区的火山活动均被相关的地震柱构造一一分割，图像是清晰的。 比较图1的2张分图，发现北美洲、地中海–喜马拉雅、贝加尔湖以及非洲的西部，20世纪以来的火山活动明显低于全新世1万年以来的总体活动，或者说内陆地区的火山活动明显低于历史水平，而沿 Table 1 Statistics of volcanoes in the hot engine belt and the cooling seismic belt 活动时期 全球 热机带 冰岛、夏威夷、非洲 合计 火山 % 火山 % 火山 % 1900~2015 512 429 83.789 52 10.156 481 93.945 全新世 1555 1286 82.701 191 12.283 1477 94.984 表1. 全球热机带和冷机带火山活动统计 海地区的活动则与历史水平基本相当，说明新时期以来内陆地区火山活动的动力不足。 3.2. 热机带火山活动的一般特征 热机带是一个深部变异体(详后)，火山活动十分活跃。作者研究表明，全球热机带内的24个地震柱，历史上都曾有火山活动 [ 13 ] - [ 22 ] 。 3.2.1. 热机带火山活动与地震柱的关系 · 由图1可见，全球80%以上的火山都密集分布在各个地震柱内。 · 由附录的图A1~图A3可见，各个地震柱内的火山活动，几乎都位于地震柱柱体或其分支柱体的顶端，即地震柱柱体或其分支柱体的出地点附近，充分说明火山对地震柱柱体的依赖性。 这里列举两个例子。 1) 尽管北美洲的壳下地震活动水平较低，按照表2和图2的资料显示，火山的活动依然与20km深度以下的地震活动密切相关，即与F3号北美洲地震柱的活动有关。黄石公园火山的情况比较特殊，似乎与地震柱的活动和地幔柱的活动都有牵连。 2) 印尼从苏门答腊岛到班达海的巽他火山带自1963年以来有43座火山活动(表3)。该火山带呈弧形条带展布，有专家认为是印澳板块向北俯冲的产物。这只是一种表象。 沿着该火山带的中轴线，将16号印尼地震柱4级以上的中、深源地震与活火山投影到同一条纬度线上，画面如图3(a)所示。图3(b)为火山与地震活动的地理分布。图3的地震颜色表示不同深度，档次相同。 Table 2 Volcanic eruptions (including Yellowstone National Park) since 1900 in the United State 编号 火山名称 火山坐标 喷发号 VEI 喷发时段 321050 St. Helens圣海伦 46.2˚， −122.18˚ 20560 2 2004.10.1-2008.1.27 20559 3 1990.11.5-1991.2.14 20558 2 1989.12.7-1990.1.6 20557 5 1980.3.27-1986.10.28 20556 1921.3.18 20555 1903.9.15 322010 Hood胡德 45.374˚， −121.695˚ 20576 1907.8.28 323020 Medicine Lake梅迪辛湖 41.611˚， −121.554˚ 20649 1 1910.1 323080 Lassen Center拉森 40.492˚， −121.508˚ 20657 3 1914.5.30-1917.6.29 325010 Yellowstone黄石 44.43˚， −110.67˚ (1350 BCE) 331020 CoAxial Segment (海底) 46.52˚， −129.58˚ 20712 0 1993.6.26-1993.7.4 20711 0 1986 331021 Axial Seamount轴海山 45.95˚， −130˚ 20922 0 1976 20921 0 2011.4.6-2011.4.12 20713 0 1998.1.25-1998.2.5 331030 Cleft Segment (海底) 44.83˚， −130.3˚ 20719 0 1986.8 20718 0 1982 331031 North Gorda Ridge (海底) 42.67˚， −126.78˚ 20722 0 1996.2.28-1996.3.15 表2. 美国本土1900年以来的火山喷发(含黄石公园火山) Table 3 Volcano activity list in the Sundanese volcano belt since 196 编号 火山名称 纬度 经度 海拔 最新喷发 261030 PeuetSague佩埃察戈耶 4.914 96.329 2801 2000 261080 Sinabung锡纳朋 3.17 98.392 2460 2015 261120 Sorikmarapi索里梅拉皮 0.686 99.539 2145 1996 261140 Marapi马拉皮 −0.381 100.473 2891 2014 261160 Talang塔朗 −0.978 100.679 2597 2007 261170 Kerinci葛林芝 −1.697 101.264 3800 2009 261220 Kaba卡巴 −3.52 102.62 1952 2000 261230 Dempo登波 −4.03 103.13 3173 2009 262000 Krakatau喀拉喀托 −6.102 105.423 813 2014 263090 Tangkubanparahu唐库班珀拉胡 −6.77 107.6 2084 2015 263100 Papandayan帕潘达扬 −7.32 107.73 2665 2002 263140 Galunggung加隆贡 −7.25 108.058 2168 1984 263180 Slamet史拉默 −7.242 109.208 3428 2014 263200 Dieng Volcanic Complex迪恩 −7.2 109.92 2565 2009 263210 Sundoro孙多罗(巽多罗) −7.3 109.992 3136 1971 263250 Merapi默拉皮(梅拉比) −7.542 110.442 2968 2014 263280 Kelut克卢德(克鲁特) −7.93 112.308 1731 2014 263290 Arjuno-Welirang −7.725 112.58 3339 1991 263300 Semeru赛美乳塞梅鲁 −8.108 112.92 3676 2014 263310 Tengger Caldera腾格尔布罗莫 −7.942 112.95 2329 2012 263340 Raung拉翁 −8.125 114.042 3332 2008 263350 Ijen卡瓦伊真(伊金) −8.058 114.242 2799 2002 264010 Batur巴杜尔 −8.242 115.375 1717 2000 264020 Agung阿贡 −8.342 115.508 3142 1964 264030 Rinjani林贾尼(林加尼) −8.42 116.47 3726 2010 264040 Tambora坦博拉 −8.25 118.00 2850 1967 264050 SangeangApi桑厄昂亚比 −8.2 119.07 1949 2014 264071 Ranakah −8.62 120.52 2350 1991 264090 Inielika伊涅利卡 −8.73 120.98 1559 2001 264100 Ebulobo厄布洛博 −8.82 121.18 2124 1969 264110 Iya −8.897 121.645 637 1971 264140 Kelimutu −8.77 121.82 1639 1968 264150 Paluweh帕鲁维赫罗卡滕达 −8.32 121.708 875 2014 264160 Egon埃贡 −8.67 122.45 1703 2008 264180 Lewotobi勒沃托比 −8.542 122.775 1703 2014 264200 Leroboleng勒罗博伦 −8.358 122.842 1117 2003 264220 Iliboleng伊利博伦 −8.342 123.258 1659 1993 264230 Lewotolo勒沃托洛(列沃多洛) −8.272 123.505 1423 2012 264250 Iliwerung伊利沃龙 −8.53 123.57 1018 2013 264260 Tara， Batu孔巴岛(塔拉-巴图) −7.792 123.579 748 2015 264270 Sirung锡龙 −8.508 124.13 862 2012 265060 Nila尼拉 −6.73 129.50 781 1968 265090 Banda Api班达阿皮 −4.525 129.871 640 1988 表3. 巽他火山带1963年以来的火山活动一览表 图2. 美国火山活动与20 km深度以下壳下地震活动的关系(地震据ANSS地震目录；火山据GVP火山月报) 印尼地震柱自1963年至2015年7月4日发生4级以上地震38402次，最大深度676 km，中、深源地震形成多个近于直立的分支柱体，一字排开，地表的活火山则成族地与壳下分支柱体一一对应。这里的中、深源地震活动呈“自下而上逐层驱动”之势，并无“俯冲”的迹象 [ 23 ] 。况且，在500 km深度以下的“超级能动层”(super active layer [ 9 ] [ 10 ] )，从6.5˚S、105˚E至8.5˚S、126˚E存在一条2000多千米长、异常活跃的中、深源地震活动条带。整个图3的画面，恰如一幅烧杯里的水被加热的平面画——676 km深度以下在加热，气泡在向上翻滚。这是大自然50多年来一幅漂亮的画作。作者所设计的“开水实验”，正是为了复制和描述这种场景 [ 6 ] 。 因此，图3的图像展示了活火山与地震柱的高度依存性。印尼地震柱中、深源地震活跃，才是印尼多地震、多火山、高强度、大灾难的根本原因。 3.2.2. 意大利Etna火山与美国Yellowstone火山的熔岩囊比较 地中海EMSC地震目录与美国ANSS地震目录具有同等的精度，很好地描述了地中海地区的壳下地震活动状态。 采用EMSC地震目录2.0级以上地震，就Etna火山的局部地区，分别沿地理经度和纬度方向做地震震源深度分布图，如图4所示[ 24 ] 。由图4可见，在Etna火山直下50~150 km深度范围内，存在一个壳下地震活动空区，粗略估计其体积约为2.0 × 10 6 km 3 。 采用ANSS地震目录2.0级以上地震，就黄石公园火山做同样图像，如图5所示。图5上黄石公园火山就找不到类似Etna火山的熔岩囊图像。这里的壳下地震活动较弱，最大震源深度76 km。当然，科学家们或许还有其他方法来探明其熔岩囊的性质与规模[ 25 ] 。 3.2.3. 热机带的火山喷发 热机带的火山喷发，大致有如下几种类型： · 斯特朗博利型火山喷发(Strombolian Eruption)：粘性熔岩流可以间歇性的爆破活动(如在斯特朗博利火山)，或是连续地溢出(如像墨西哥的帕里库丁火山) [ 3 ] [ 26 ] 。喷发次序是以潜水水汽爆炸开始，紧随着为熔渣的喷出，最后是熔岩流出地面。 · 乌尔坎诺型喷发(Vulcanian Eruption)：粘性的、富含气体的岩浆伴随火山灰抛出地面，形成烟柱强烈喷发[ 3 ] [ 27 ] [ 28 ] 。烟柱最高可达40~50 km高空。熔岩流较少或没有。 · 培雷型火山喷发(Pelean Eruption)：粘性的岩浆喷发，开始阶段由新喷出的多气体岩浆产生火山发光云，随之为最猛烈又具破坏性的火山喷发[ 3 ] [ 29 ] 。 · 普里尼型火山喷发(Plinian Eruption)：粘性大的岩浆特别强烈的连续的气体爆炸性喷发类型。初始是 图3. 巽他火山带活火山与印尼地震柱的关系；a) 火山与地震投影到同一经线，b) 火山与地震的地理分布(地震据ANSS地震目录，1963~2015.7.4，M ≥ 4.0；火山据GVP火山月报，1900~2015.7) 图4. 意大利Etna火山的熔岩囊(地震据EMSC地震目录，M ≥ 2.0，2004.10.1~2014.5.28，火山据GVP火山月报) 图5. 美国黄石公园火山与壳下地震活动的关系(地震据ANSS地震目录，M ≥ 2.0，1960~2014.5.28，火山据GVP火山月报) 短期的富含气体的硅质岩浆喷发，随后是平静的玄武质熔岩流；另一些则是长期的、大量的浮石爆破，形成浮石雨和发光云(火山灰和浮石流) [ 3 ] [ 30 ] 。 · 卡特迈型火山喷发(Katmai Eruption)：极粘性的酸性熔岩物质，以碎屑物组成的火山灰流在火山口附近堆积，使地面变得比较平坦，形成火山灰台地。1912年阿拉斯加的卡特迈火山喷发属此类型 [ 31 ] 。 以上可归纳为地震柱型火山喷发。 作者的研究表明，热机带自下而上可划分为5个地层[ 9 ] [ 10 ] ，即超级能动层(深度大于500 km)、恆热层(深度300~500 km)、次级能动层(深度150~300 km)、储能层(深度50~150 km)和耗散层(深度0~50 km)，如图6所示。图6中10~20年不等的准周期性中、深源地震活动，作者称之为地幔年代际振荡(Mantle 图6. 典型的地震柱活动时序图；a) 兴都库什地震柱，b)地中海地震柱意大利分支(据ANSS地震目录，1963~2011，M ≥ 4) Decadal Oscillation—MDO) [ 32 ] 。于是，热机带的热能由中、深源地震携带着，在MDO的作用下，自下而上逐层驱动，周而复始，间歇性地为耗散层内的壳内强震和火山活动带来能量和热物质的补给。超级地震柱由于恆热层的存在，其活动图像不如图6典型，但也表现出同样的趋势。 在这种高温高压的环境下，地震柱型喷发全部是高粘度、富含气体的岩浆喷发，只是由于地震柱规模差异而表现为若干喷发差异。 3.3. 冷机带火山活动的一般特征 所谓冷机带，泛指热机带以外的区域。冷机带的地震活动主要沿大洋中脊分布，火山活动似乎也有类似情形。 3.3.1. 冷机带火山活动与地幔柱的关系 地幔柱(mantle plume)或称热点(hotspot)的概念目前在国际上还没有统一的定义，一般趋向于认为是自核幔边界上升、在地幔中演化、到近地表与地壳发生壳幔相互作用的圆柱状地质体，最深可达2850 km，目前主要通过地球物理的方法识别出来 [ 33 ] - [ 38 ] 。关于地幔柱的结果还具有很大的不确定性，但地幔柱的存在、地幔柱是地壳和岩石圈能量与物质交换的供给者之一似乎是不容置疑的。 由图1可见，热机带内极少发现地幔柱，其热点是以地震柱的形式存在。图1中的火山分布，除热机带内以外，主要集中于冰岛、夏威夷和非洲的中南部，与相关地区的地幔柱分布一致。一些散在的火山也靠近相关的地幔柱。 3.3.2. 冷机带的火山喷发 冷机带的火山喷发类型，大致有如下几种情形。 · 夏威夷型的火山喷发(Hawaiian Eruption)：低粘度的玄武岩熔岩宁静式从山顶破火山口内的喷口溢流喷出，一般属裂隙型[ 3 ] [ 39 ] 。典型火山有夏威夷冒纳罗亚火山(Mauna Loa)，基拉韦厄火山(Kilauea)等。普通意义的喷发为熔岩溢流或熔岩喷泉型，遇海水发生爆炸，烟云可高达数百米。 · 冰岛型的火山喷发(Icland Eruption)：大量喷出易流动的玄武岩质熔岩，形成表面较平坦的熔岩台地[ 40 ] 。典型火山有冰岛埃亚菲亚德拉冰盖火山(Eyjafjallajökull)，由于冰盖融化水的涌入而发生爆炸[ 3 ] ，烟云高度可达10km以上。 · 非洲的火山喷发也为熔岩溢流或熔岩喷泉型，典型火山有刚果的尼亚穆拉吉拉火山(Nyamuragira)和尼拉贡戈火山(Nyiragongo)等[ 3 ] 。 以上可归纳为地幔柱型火山喷发。地幔柱型喷发皆为低粘度物质，表现为熔岩溢流或熔岩喷泉型。 3.4. 火山活动的兴衰史 火山是具有生命的地质体，可以成生、间歇性喷发、休眠或者消亡。举2个例子。 1) 意大利火山 地震柱是一个倒立的圆锥体，如果比作一个树型构造，则具有树根、树干和树冠(详见附录)。意大利地震柱是一个单树型构造，只有一个树根、树干和树冠，已知最大震源深度514 km。该地震柱目前的出地点约处在38˚~39˚N，15˚~16˚E位置。Etna火山处在该区域的边缘。由图7可以看到，目前已休眠火山的最后喷发时间，距离出地点越远休眠时间越早。由此我们可以设想，在迄今2000年以前，沿着意大利西海岸曾经存在一个规模很大的熔岩囊。由于某种原因，从100BC开始，这个熔岩囊由西北向东南方向逐渐运移，20世纪初期运移至37˚~41˚N，13˚~16˚E的位置，20世纪70年代以后运移至当前的出地点。随着熔岩囊的运移与萎缩，那些历史火山就像油尽灯枯一样相继熄灭，或者休眠了[ 41 ] 。 2) 夏威夷火山 据GVP记载，夏威夷共有火山8座，其中1900年以来有过喷发的5座。地图上呈北西方向展布的夏威夷岛链，其岛屿生成年代自西北向东南渐新(百万年)，岛链上火山的喷发年代也因此随之渐新[ 42 ] 。图8展示了夏威夷岛链和火山的生命过程。 有学者解释，夏威夷火山岛的形成是由于太平洋板块向北西方向移动，经过一个固定的热点(Hot Spot)，地幔岩漿穿過洋壳而噴发。作者对此不敢苟同。热点应该是高温高压的热异常体，是地球上最容易变形，最容易转移的地质体。作者逆向思维，可能恰恰是热点的移动才造就了夏威夷的火山岛链，甚至包括从勘察加到夏威夷这个大拐弯的岛链。如果让“热点”来移动，比偌大一个洋壳的移动就省力多了[ 43 ] 。大自然的运动总是以最省力的方式进行的。 图7. 意大利的火山活动演变史 图8. 夏威夷岛链与火山的兴衰过程(底图据Google Earth 2013) 由是观之，图7和图8似乎都表明，“热点”是可以移动、可以变形的。 3.5. 热机带与冷机带火山活动的比较研究 以上诸节讨论了热机带和冷机带火山活动的一般特征，其共性和差异已可见一斑。 全球火山活动的共性在于，它们都完全依赖于某种地幔热点，地震柱，或者地幔柱，表明了它们的成生机制。它们的兴衰史也颇为相似，说明热点是可以移动、可以变形的。意大利和夏威夷的火山不约而同地由西北向东南方向衰变，北美洲也可以见到类似的情形，似乎是某种与地壳运动有关的共同因素在制约着[ 44 ] 。 全球火山活动的差异在于，大致可以分为两类不同性质的火山：地震柱型火山和地幔柱型火山，分别对应于地幔的高速异常体和慢速异常体，因而也构成了地震柱型火山喷发和地幔柱型火山喷发两大不同的喷发类型。地震柱型火山喷发物是高粘度、富含气体的岩浆，地幔柱型火山喷发物是低粘度的岩浆。喷发物的差异正反映了地震柱和地幔柱物性的差异。 人们通常认为，高速异常体对应的是冷物质，而慢速异常体对应的是热物质。这就引出了一个问题：为什么地壳(冷的)内的地震波速会低于地幔(热的)呢？ 通过本文对火山喷发物质的辨析，作者以为地震波速的高低可能与热点内介质的物态有关[ 45 ] -[ 47 ] 。我们知道，地震柱型火山喷发物是一种气态–固态–液态三相态混合岩浆，地幔柱型火山喷发物则只是固态–液态的两相态混合岩浆。于是我们可以假定：地幔的平均状态是某种(气–)固–液混沌状态，其地震波速高于单纯固态的地壳和地核。由于某种原因，地幔内部发生分异，由气–固–液的三相聚集态岩浆组成了地震柱而由固–液两相聚集态的岩浆组成了地幔柱。如此，就构成了由三相–两相–单相态介质内地震波速由高到低的系列变化，于是可以合理地解释整个地球地震波速的深度剖面。 由此，作者联想到为什么只有地震柱内才会出现中、深源的地震活动。既然地震柱是气–固–液三相聚集态的岩浆，沿用传统的断层模型来判断中、深源地震的震源机制就不合适了。假如地震柱物质以固、液、气三种聚集态存在着，有利于介质内的相变与空化，深源地震的活动则可能与空泡的溃灭有关。因此，似乎应该引入空泡动力学的理论来探讨中、深源地震的成因及其震源机制解[ 48 ] -[ 52 ] 。 全球火山活动的差异还在于，由于地震柱内有中、深源地震活动，可以用来作为地震柱的活动指标预测未来的壳内强震与火山活动趋势，而地幔柱型火山则难以寻找到类似的活动性指标。