美国黄石国家公园地下的超级火山的前世今生是怎样的？ 守望之夏，既能挖化石也能挖数据 这问题其实很大，因为黄石火山的形成牵扯到了太多的东西。不知道你想了解到什么程度。这里只能比较简单地说说一些基本内容和比较热门的科研关注点，否则详细的话写本书都可以。 先看下黄石公园的地图： 绿色是公园区域，黄色是现在的黄石超级火山口，东西宽 45 英里（约 72 千米），南北宽 30 英里（约 55 千米），面积有罗德岛州那么大（3 个香港特别行政区）。它的东北方向是阿布萨罗卡火山（也在公园内），是另一个火山系统。实际上黄石公园下方的火山是蛇河 - 黄石热点（Snake River Plain - Yellowstone hotspot）的一部分。就如下图： 这一串有颜色的地方就是历代的火山活动中心，数字代表多少百万年前。每一个火山活动中心包括了一次或多次的大规模火山爆发。最早的一次是大约 1600 万年前，位置是现在的俄勒冈州和内华达州的边界附近。最近一次是在 60 万年以前，它喷发后形成了黄石火山口（Yellowstone Caldera），也就是现在黄石国家公园的东部和南部。这一串火山活动中心扫过了上千公里的距离。然而并不是火山热点在移动，而是其上方的北美大陆在移动（板块漂移），原理就像打点计时器。 这个热点是怎么来的呢？确实有点奇怪，因为没有一点点防备，它是在 1600 万年前突然出现的，和它附近的哥伦比亚河玄武岩平原（Columbia River Basalt Plain）形成于同一时间。现在有很多种设想，其中比较主流的有两个，而这两个都和美国西海岸的板块活动有关。 在太平洋东部、美国西海岸，有一个在外行眼里不太起眼的版块——胡安德富卡版块（Juan de Fuca，下图中粉色区域）。但是这个版块造就了美国西部多样的地形地貌，其中就包括黄石。 从图上我们可以看出，胡安德富卡版块是俯冲到北美版块的下方的，这一点毋庸置疑。然而，它在漫长的地球历史上，俯冲的姿势究竟是怎样的，一直都有一些争议。 第一种设想比较简单粗暴： 这种设想中，胡安德富卡版块的俯冲角度比较大，直插地幔深处。俯冲到地幔深处的胡安德富卡版块残余部分搅动下地幔，导致部分地幔上升，形成了地幔热柱（也有观点认为地幔热柱是地幔中大规模热循环运动的结果，原本就在那儿，和版块俯冲无关）。而地幔热柱后来就发展成了热点。 这种地幔热柱来源于地幔深处的设想有个比较大的缺陷：与美国西海岸地震波监测得到的数据不符。地震波在不同温度的地幔中，传播速度不同，因此它可以被用来探测地幔中是否存在俯冲地壳的残余。在温度较高的地幔中，波的传播速度较慢。然而在黄石底下，经测量，波速只在地幔的浅层较慢，而在地幔深处，波速并没有比在常规地幔中慢。由此可见，地幔热柱不应该是从地幔深处起源的。因此后来有了第二种设想： 这种设想中，胡安德富卡版块的俯冲角度很小，几乎是贴在了北美版块的下方。胡安德富卡版块长期泡在太平洋底下，岩石中含水，温度也较低。它贴在了北美版块的下方以后，逐渐和北美版块岩石圈的下层形成了一种平衡关系，隔开了温度较高的地幔。 但是在 1600 万年前，由于不堪承受重力的拉扯，贴在北美版块下方的胡安德富卡版块发生断裂，沉入地幔中。高温的地幔在短时间内填补了胡安德富卡版块曾经占据的位置。剧烈的温差导致了在地幔上层靠近岩石圈的地方（约 130km 深）发生了剧烈的局部热循环。一个形成于地幔浅层的地幔热柱就出现了。 不管怎样，地幔热柱出现在了北美大陆的下方，为热点火山的形成提供了条件。那么，为什么地幔热柱会造就火山呢？因为它比正常的地幔热得多。我们知道，一般来说，地下越深的地方，温度就越高。如果我们把正常情况下，温度和深度的关系画在一张图上，就会得到这样一条地热线（geotherm，最深只到软流层）： 我们也知道，岩石也好，岩石中的矿物也好，要保持固态，需要保持一定的温度和压强。例如，在大气压下，普通的地表岩石会在大约 1100 摄氏度熔化。往地底下走，在抵达软流层之前，虽然温度升高，但由于压强的增加，岩石的熔点也在上升。因此在这个范围内，岩石也是固态，在地壳以及地幔上部，会形成岩石圈。我们可以在图上再加一条正常情况下的固相线（solidus），在线的左边的条件下岩石是固态，而线的右边，岩石中的一些矿物开始融化，形成部分熔融。 现在我们看这两条正常情况下的线：地热线一直在固相线的左下方，它们不会相交。换句话说，正常情况下，在岩石圈范围内，岩石永远是固态的。好，现在有请地幔热柱登场。地幔热柱的温度比正常地幔高。当它从下方升起，遇到岩石圈之后，就会加热岩石圈，从而将地热线向着更热的右方移动。这样，地热线就有机会和固相线相交了，岩石圈下方从而发生了部分熔融，形成了岩浆。 岩浆顺着缝隙流向地面，在底下较浅的地方形成了熔岩室，并最终在压强的作用下喷出地表，形成火山。这就是热点火山（hotspot volcano，经典的例如夏威夷、加拉帕格斯、百慕大等，黄石也是）形成的原理。 那么为什么黄石公园的火山会被称为超级火山呢？因为它体积大，而且爆发后破坏力大。按照定义，一次超级火山喷发（即指数 8 以上的火山爆发），会抛射出至少 1000 立方千米的喷出物。这是什么概念？做几个对比：大家所比较熟知的 1980 年圣海伦火山喷发，整座山都被炸掉一半，但喷出物仅仅为 0.25 立方千米而已（指数 4）；公元 79 年意大利维苏威火山喷发，毁掉了庞贝城等好几座城市，但它喷出的体积也不过 3 平方千米（指数 5）；20 世纪最严重的火山爆发，1991 年菲律宾皮纳图博火山喷发，喷出物仅有 5 立方千米（指数 5）;1883 年那次引发大海啸的印尼喀拉喀托火山喷发，喷出物为 20 立方千米左右（指数 6）；人类历史上有记录的最大火山爆发，让 1816 年全世界都没有夏天的坦博拉火山喷发，喷出了 150 立方千米的物质（指数 7）。 再看回答开头的第二幅图，每一个色块代表一个火山活动中心，但是一个火山活动中心里面可以包括不止一次的大规模火山喷发。其中最右侧的火山活动中心就是黄石热点当前的所在地，也就是黄石公园的所在地，地质学上被称为黄石高原（Yellowstone Plataeu）。它就是由先后三次大规模喷发所造就的，其中两次被归为指数 8 以上的超级火山爆发，另一次是指数 7 的喷发。 这三次喷发分别为： 210 万年前的越桔梅岭喷发（Huckleberry Ridge Eruption），喷出了 2500 立方千米的喷出物，留下了一个巨大的岛屿公园火山口（Island Park Caldera）其火山灰被直接抛射到了墨西哥北部和洛杉矶附近； 130 万年前的亨利福克火山口喷发（Henry's Fork Eruption），在黄石的西侧形成了梅萨瀑布凝灰岩（Mesa Falls Tuff，因此这一次也叫作梅萨瀑布火山喷发），喷出物为 280 立方千米，其火山灰被直接抛射到了内布拉斯加和堪萨斯； 64 万年前的熔岩溪火山喷发（Lava Creek Eruption），喷出物为 1000 立方千米，形成了现在黄石公园内的黄石火山口，其火山灰直接落到了墨西哥湾。 （本人实拍的三张照片。左上是爱达荷境内 Huckleberry Ridge 喷发出的火山凝灰岩，红棕色；下方是 Mesa Falls 的凝灰岩，也在爱达荷境内，泛灰色，但是这个地点并不是特别有代表性；右上是 Lava Creek 的凝灰岩，在黄石公园内，属于怀俄明，注意不是河边那个因温泉和微生物而形成的构造，而是右上方树后面的黄色和灰色的凝灰岩） 为什么黄石公园的火山威力这么大？这就说来话长了。它和美国西部的地壳构造有关系。首先我们来看一下普通的大陆地壳是什么样子的。 简单来说，一般的大陆地壳分为三层。如图所示。这三层地壳的含硅量不同。最底下的一层的硅含量为 52%左右，中间一层的硅含量为 60%-63%左右，而最顶层的硅含量为 66%-70%左右。至于这种分层是怎么来的，可以看我以前的一个回答地球上原本就有岩石吗？各种岩石都是怎么来的？ - 守望之夏的回答。 现在地幔热柱登场，熔化了岩石圈（大陆板块）的最下层（也就是地幔的顶层），温度很高的岩浆从下面顺着裂缝入侵了地壳。地壳开始部分熔融。根据岩石学家的观察，岩石中含硅量较高的矿物会率先熔化。因此，岩石被加热熔融后，先流出来的液体（就是新的岩浆）的硅含量比原来的岩石要高。当这些岩浆经过冷却再次凝固后，就会形成含硅量更高一些的火成岩。 正常情况下，来自地幔的岩浆会入侵地壳的最下层，将那里的岩石部分熔融，并形成新的岩浆喷出地表。这种新的岩浆的硅含量比底层地壳高，喷出地表冷却后会形成玄武安山岩，含硅量在 53%-58%之间。有时候，中间层的地壳也会遭受入侵，熔化后形成的岩浆含硅量在 60%-69%之间，喷出地表后形成安山岩或英安岩。正常情况下，地壳的上层是不会遭受入侵的。 以上是正常情况，但是黄石显然是个特立独行的刺头。在黄石及附近，火山喷发出的岩浆的含硅量要么很高（75%，形成流纹岩），要么很低（52%-53%，形成玄武岩），形成了一种很特别的双相火山（bi-model volcanism）。 原来，美国西部的地壳处在一个拉伸区域。这个拉伸的形成原理有一定的争议，其中一种说法是这样的： 还记得前面说到的胡安德富卡版块吗？它在地图上看起来很小吧。可是在新近紀（晚第三纪）以前，它是一个比较大的法拉伦板块（Farallon Plate）的一部分，如图所示。 法拉伦板块也是一个海洋版块，俯冲到北美洲和南美洲的下方。它和太平洋板块之间有一个大洋中脊式的伸展区。可是随着时间的推移，大陆不停地在漂啊漂。终于，法拉伦板块的主体部分完全沉到了北美大陆的底下。它的残余部分形成了今天的胡安德富卡版块、可可斯版块和纳兹卡版块等较小的版块。今年热映的科幻灾难片《末日崩塌》里的罪魁祸首圣安德勒斯断层也是同时形成的。虽然法拉伦板块已经不在了，但曾经横在法拉伦板块和太平洋板块之间的拉伸区域并没有消失，而是随着法拉伦板块沉到了美洲大陆的下面。在它的作用下，美国西部的地壳被拉伸，形成了一大片盆地 - 山岭区域（Basin and Range Province）。这一区域从遥感图上可以看得很清楚（那些一条一条的山脉和谷地就是拉伸作用形成的。特别是犹他、内华达、亚利桑那这几个州，以及墨西哥北部）： 由于地壳拉伸，地壳表层比较脆的区域就发生了断裂，形成了断层，并成为了这些岭谷地带。同时，地壳也变得较薄。 （拉伸前） （拉伸后） 由于地壳变薄，平时很安全的上层地壳就有了遭到熔岩入侵的可能。黄石也受到地壳拉伸的影响。因此在黄石附近，地幔热柱熔化岩石圈下层所产生的熔岩流就可以侵入含硅量 66%-70%的上层地壳，将其部分熔化，形成了含硅量达到 75%以上的流纹岩的岩浆。同时，下层的熔岩流甚至可以直接喷出地表，在蛇河平原和哥伦比亚河平原形成大规模的玄武岩。 （本人在 Teton Pass 实拍的蛇河玄武岩平原） 我们再说含硅量 75%的流纹岩的岩浆。由于含硅量大，这种岩浆粘度很高。其内部的气体形成气泡，但因被高粘度的岩浆包围，它们很难通过膨胀体积来减压。当这种岩浆在黄石下面聚集，里面的气体也越来越多，温度也越来越高。高温使得气体膨胀，但高粘度的岩浆阻止气体膨胀，因此其内部的压强变得非常的高。当高压的气体最终冲破大量的高粘度的岩浆喷出地表，就会形成猛烈而量大的超级火山爆发。这就是黄石公园的超级火山的来历。 最后一个问题。为什么人们觉得黄石的火山很危险。为什么《2012》认为地球就要完蛋了。第一，黄石一旦喷发，肯定会对全球的气候有严重影响。密西西比河以西的美国就直接报废了，火山灰会通过大气层覆盖全球，世界也许会迎来长达数年的冬季。这种人类历史前所未有的大灾难发生了，世界秩序也很可能乱掉。第二，很多人觉得黄石马上就要爆发了。还记得上面说过的产生黄石高原的三次大喷发么？列出来复习一下： 越桔梅岭火山喷发（Huckleberry Ridge Eruption）- 210 万年前 - Island Park 火山口 梅萨瀑布火山喷发（Mesa Falls Eruption）- 130 万年前 - Henry's Fork 火山口 熔岩溪火山喷发（Lava Creek Eruption）- 64 万年前 - Yellowstone 火山口 根据神奇的统计学，下一次大规模喷发貌似就要来了。 （已经迟到了 4 万年了好吗？！） 但是也有科学家认为这种数据并不可靠。马克吐温说过：“世界上有三种谎言。谎言，该死的谎言，以及统计学。”上面列出来的仅仅是形成黄石高原的三次大喷发，也就是说，它们仅仅是黄石热点所引发的大喷发中的最后三次。前面提到过，黄石热点在美国西北部形成了一连串的火山活动中心，而黄石高原只是这些火山活动中心的最新的一个。在黄石高原的西侧，比它更早一点的一个火山活动中心是爱达荷境内的海斯火山活动中心（Heise Volcanism Field，简写 H）。再往西，则是更早一些的皮卡博火山活动中心（Picabo Volcanism Field，简写 P）。和黄石高原火山活动中心（YP）由三次主要喷发组成一样，H 和 P 也都由不同的喷发组成。下图就是历次喷发的火山口示意图。 如果我们把它们都列出来，就会是这样： 小苦梅峡谷喷发（Little Chokecherry Canyon，图中的 CH）- 934 万年前 凯尔谷喷发（Kyle Canyon，图中的 KC）- 917 万年前 Lost River 喷发（Lost River，图中的 LR）- 875 万年前 美洲瀑布喷发（America Falls，图中的 AF）- 784 万年前 黑尾火山喷发（Blacktail，图中的 AV）- 662 万年前 Edie School 火山喷发（Edie School，图中的 ES）- 657 万年前 沃尔科特喷发（Wolcott，图中的 W）- 627 万年前 狼獾溪火山喷发（Wolverine Creek，图中的 WC）- 580 万年前 蓝溪火山喷发（Blue Creek，图中的 BC）- 560 万年前 康南特溪火山喷发（Conant Creek，图中的 CC）- 551 万年前 麋角泉火山喷发（Elkhorn Springs，图中的 EK）- 537 万年前 海斯火山喷发（Heise，图中的 H）- 449 万年前 Kilgore 喷发（Kilgore，图中的）- 445 万年前 越桔梅岭火山喷发（Huckleberry Ridge，图中的 HR）- 210 万年前 梅萨瀑布火山喷发（Mesa Falls，图中的 MF）- 130 万年前 熔岩溪火山喷发（Lava Creek，图中的 LC）- 64 万年前 如果把数据扩展到这个地步，那前面的小数据统计可能就不那么有说服力了。这并不是说黄石现在不可能爆发。它随时都可能爆发。但是单纯用不完整的数据来估算下一次爆发的年代，是不那么科学的。 （啊哈...原来你们算错了...） 另外，黄石火山不仅有大规模喷发，也有小喷发。比如，黄石公园里面有个比较著名的景点叫做西拇指（West Thumb），那就是 17 万年前的一次小喷发以后在黄石湖边炸出来的一个坑。 （本人在西拇指的实拍。照片上部的这片湖面是一个湖湾，比黄石湖的其他区域深得多，原因就是它和黄石湖的其他部分不是同时形成的，而是形成于一次火山喷发。这个湖湾就是火山口。湖边有很多间歇温泉，算是下面岩浆室的出气孔。） 查看知乎原文
