2017年8月25日

地球上的火山

作者/宋聖榮,國立臺灣大學地質科學系教授。專長於火山學、岩石學和地球化學。目前從事地熱能源探勘和開發的研究。

圖一:美國奧勒崗州的火山口湖。(宋聖榮攝影)
 火山(volcano)是地球表面上最壯觀、最具致命吸引力的地形景觀,也蘊釀出浪漫美麗動人的傳說故事。美國奧勒崗州的火山口湖(Crater Lake,圖一)、日本的富士山火山(Mount Fuji,圖二)和印尼的默拉皮火山(Merapi,圖三)等,都具有壯麗、令人心曠神怡的火山外型和湖泊。

圖二:在雲端的日本富士山火山。(宋聖榮攝影)

圖三:印尼的默拉皮火山。(宋聖榮攝影)

歷史上的火山
而全世界火山活動最大、最活躍的夏威夷火山傳說,是最為經典的火山故事。玻里尼西亞掌管火之佩蕾女神的恩愛情仇,造就了從西北往東南漸年輕的火坑(火山口,圖四)。另外,義大利的維蘇威火山(Mt. Vesuvius,圖五),是歐洲大陸火山活動最為活躍者之一,居住在其周圍的先人,曾多次警告他們的子子孫孫此座火山之危險性,要他們遠離這座火山,不要再回來。但歷代子孫貪圖圍繞在維蘇威火山肥沃的火山灰土壤,種植出全歐洲品質最好的葡萄,釀造最好的葡萄酒,而不顧潛在的危險性,在鄰近周遭土地開發建造一座座的城鎮。

圖四:美國夏威夷歐胡島上的鑽石頭火山口。(宋聖榮攝影)

圖五:義大利維蘇威火山和龐貝城。(宋聖榮攝影)

西元79年羅馬帝國時代,維蘇威火山終於發生大規模且劇烈的噴發,噴出大量的火山灰,把鄰近的兩座城市──龐貝城(Pompeii)和哈克雷紐(Herculaneum)掩埋掉,造成相當大的傷亡和財物損失。但義大利人還是受不了肥沃火山灰土壤的誘惑,又重新在火山周遭開發,建立新的城鎮。維蘇威火山一定會再發生大規模的火山活動,只是時間早晚問題,只不過義大利人是否有準備能承受另一次的衝擊?

岩漿的生成
造就這些壯觀的美麗景色和動人故事的火山,其地底下需有岩漿的形成、岩漿移動儲存於岩漿庫中,然後再上升至地表噴發所形成的(圖六)。

圖六:岩漿形成、上升、儲存、噴發等生命循環史。

岩漿(magma)是固態岩石高溫融熔的液體,岩漿種類不同,其溫度也不同。常見之玄武質岩漿溫度約1200℃;安山質岩漿約1050℃,花崗質岩漿約950℃。岩漿出露在地表的型態和產物──火山,分布極不均勻,主要出露在板塊邊緣的中洋脊和隱沒帶,以及因地函柱上升所發展出的板塊內部火山,故岩漿的產生與板塊運動息息相關(圖七)。依板塊構造而言,可能產生岩漿、形成火山的環境有三個:分別為(一)建設性板塊邊緣、又稱發散性(divergent)的板塊邊界,包括中洋脊(mid-ocean ridge,如太平洋、大西洋脊)和弧後盆地擴張中心(如日本海、沖繩海槽)。由於此處有岩漿噴出形成新的海洋地殼,所以稱之為建設性的板塊邊界;(二)破壞性板塊邊緣,即隱沒帶(subduction zone),又稱聚合性(convergent)的板塊邊界,包括了島弧(如日本列島、菲律賓群島、印尼群島等)和活動性大陸邊緣,又稱陸弧(如南美安地斯山脈),由於在這隱沒帶會有老的海洋板塊被消滅掉,故稱破壞性的板塊邊界;(三)板塊內部環境,在海洋板塊內部的即形成海島(如夏威夷群島),在大陸板塊內部的就形成洪流式玄武岩(flood basalt)區(如印度德干高原)和大陸裂隙帶火山(如東非大地塹)。

圖七:中洋脊、地函柱和島弧等三種板塊構造環境岩漿生成與地溫梯度變化的關係。

中洋脊是地球表面產生岩漿最主要的地方。由板塊運動模式圖可知,對流使得上部地函岩石上湧減壓而造成部分融熔,於是形成了玄武質岩漿。岩漿形成的深度大約在50~80公里以內,主要是因為來自較深熱的上部地函軟流圈物質上湧,讓上部地函淺部的岩石圈發生部分融熔,形成岩漿。岩漿上湧形成的新地殼將不斷地往旁邊推擠擴張,使得老地殼逐漸遠離中洋脊。老地殼與水圈相互作用而逐漸變質,形成了含水礦物的變質岩(如綠色片岩、蛇紋岩、角閃岩等)。這些老地殼隨時間逐漸冷卻而增厚,終因密度及重量均變大而在隱沒帶下潛入另一板塊之下,重返地函的環境內。隱沒帶是地球上產生岩漿次多的地方,且是陸地上活火山和地震發生頻率最多的地體構造環境。......【更多內容請閱讀科學月刊第573期】

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