http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-01-17
黄石公园穿越河流的麋鹿
游客在观赏“老忠实”间歇泉
发现火山
1870年八九月份，人类在美国的黄石国家公园进行了一次重大的探险活动。作为美国军队护航的首领，30岁的陆军中尉古斯塔夫·多恩(Gustavus C.Doane)跟随探险队进入黄石位于怀俄明州的领地。当他登上黄石河上海拔3122米的沃什伯恩山(MountWashburn)往南看时，发现落基山脉似乎缺失了什么东西，方圆数英里都是平地，只在远处有山脉将中间的平地包围，形成一个巨大的森林地盆。对这种现象多恩只想到一种解释：“这个巨大的盆地曾是某个死火山的火山口。”
他说得没错，美国这个最古老、最著名的国家公园不偏不倚地坐落在地球最大的火山群上，黄石国家公园本身就是一座火山。
上世纪60年代，美国地质调查局的鲍勃·克里斯蒂森(Bob Christiansen)在研究黄石国家公园火山史时觉得很困惑，他找不到公园的火山口在什么地方。他觉得多恩中尉指出的那个缺口，肯定是被炸出来的，但是要在山里炸出约100公里宽的地方，肯定是一件非常巨大的事情。
事情过了20年，他的困惑才解开。上世纪80年代，美国航空航天局为拍摄月球设计了一种红外摄影设备，需要先在地球上空拍摄以测试它的性能。专家们决定在黄石公园进行试验，他们对黄石地区进行了空中拍摄，以测试这些新型的高空照相机。一位考虑周到的官员把一些照片交给了公园管理局，认为它们可以悬挂在某个游客中心。当克里斯蒂森看到这些照片时，立刻意识到他没有找到火山口的原因，因为这个火山口大到无法想象，无论从地面上的任何角度观测，都无法窥其全貌。
照片显示，黄石超级火山口长85公里，宽45公里，深约0.67公里。而黄石公园从北到南101公里，从西到东87公里。也就是说，黄石国家公园很大一部分面积是坐落在火山口上。
黄石火山是一种特殊的火山。正常的火山外貌很明显，比如盾状的夏威夷冒纳罗亚火山群、锥状的富士山，前一种是因为高流动性的玄武熔岩平静流出而形成的，后一种是喷发出的物质堆积在火山口周围形成的。除此之外，还有一种没那么有名、并不造山的火山。英国伦敦大学本菲尔德格雷格灾难研究中心教授比尔·麦格(Bill McGuire)说：“许多超级火山都不是典型的山丘状结构，它们往往藏身在巨大的、坍塌的盆地中，超级火山的熔融岩浆很难被监测出来。”这种火山的威力能大到一瞬间破土而出，留下一个沉降式大坑，即破火山口。这种低调却威力强大的火山一旦爆发，地幔下方的岩浆会冲破地壳，沿着缝隙喷涌而出，地下的岩浆被掏空，导致火山顶部失去支撑而塌陷，形成一个凹进坍塌盆地中的巨型破火山口(caldera，西班牙语“坩埚”cauldron的衍生词)。
当时，人们不知道怎样称呼这个巨大的火山。之前科学家习惯用火山爆发指数来衡量火山的威力，黄石火山是爆发指数达到8的火山。1815年印度尼西亚坦博拉火山猛烈大喷发，造成直接死亡人数约1万人，次年全球气候异常，8.2万人死于后续的饥荒和疫病。这次大喷发成为有史以来对气候影响最大的火山喷发，但火山爆发指数也刚达到7。如果指数达到8的话，能量将是坦博拉火山喷发的十几倍，就像数百万颗原子弹爆炸，给地球造成的灾害将是毁灭性的。
2000年，英国BBC广播公司拍摄了一部关于火山的纪录片。在形容火山爆发的规模时，制片方创造了“超级火山”这个词。没有任何喷发可以和超级火山喷发来比较，《万物简史》一书的作者比尔·布莱森写道：“要是你把喀拉喀托火山喷出的物质比作高尔夫球，那么黄石火山最大一次的爆发物质像个大球，你完全可以躲在后面将其作为藏身之地。按照这个比例，圣海伦斯火山喷出的物质不过是一粒豆子。”喀拉喀托火山喷发是近代著名的一次火山喷发，发生在1883年，夺走了3.6万条人命，发出的轰隆声在全世界回响了9天，使远在英吉利海峡的海水晃了半天。而1980年圣海伦斯火山喷发是20世纪以来地球上规模最大的火山喷发之一，造成60多人死亡，将390平方公里土地变成不毛之地。
可以想象，黄石火山以往在某个时刻喷发时，已经把这片土地炸得七零八落。
一座活火山
克里斯蒂森现已退休，他之前对BBC说：“每年有数百万人来到黄石公园，观赏壮丽的景色和野生动物，很明显大多数人都没有意识到他们站在一个沉睡的巨人身上。”直到电影《2012》上映之前，很多美国人也没有意识到这座巨大的火山。
事实上，黄石国家公园成立之后的几十年，专家才意识到多恩中尉说错了，黄石其实是一座活火山。
上世纪50年代，一个名叫弗朗西斯·乔·博伊德(Francis Joe Boyd)的哈佛学生对他在黄石公园发现的凝灰岩产生了兴趣。这是一种火山灰因热和压力凝结而成的岩石，他当即就意识到这是地质年代很近的一次喷发碎屑留下的痕迹。1965年，克里斯蒂森发现第二处明显的凝灰岩，第二年他和同事又发现了第三处。通过钾－氩测年法，他们判断这三处凝灰岩是三次火山大爆发的产物。每一次爆发都留下了一个巨大的喷火山口，第三次喷发埋葬了前两次喷发的大量遗迹。
科学家们由此推算出黄石超级火山的喷发事件。第一次喷发是在1650万年以前，之后它喷发了大约100次，有研究的只有最近三次，分别是210万年前、130万年前和64万年前。
210万年前的黄石火山喷发堪称地球上五大火山喷发之一，也是黄石超级火山可考史上爆发最强大的一次，是最近一次喷发的两倍。但是，火山喷出的岩浆量达到2450立方公里，形成的破火山口至今超过100公里，产生的火山灰足以把纽约州埋在20米的深处，或者把加利福尼亚州埋在6米的深处，整个美国一半面积都被覆盖。
距今130万年前，黄石火山再度苏醒，此次爆发在最近的三次爆发中威力最小，但同样具有毁灭性。爆发造就了黄石国家公园西侧岛公园之内的亨利福克破火山口，并且形成了另一片广泛分布的凝灰岩。
最近的一次爆发距今64万年，由于距离最近，所以科学家掌握的资料相对比较充足。科学家推算，当时黄石火山喷出的灰柱升上了3万米的高空，散落到地面的火山灰覆盖了整个美国西部直到墨西哥湾的广阔地区。火山碎屑物，包括浓厚致命的尘雾、岩石和气体，以及被加热到800摄氏度高温的致命浓烟，化作滚滚灰色云团横扫大地，用数百米厚滚烫、沉重的碎屑填满整条整条山谷。这次喷发造就了80公里长、55公里宽的破火山口，破火山口塌陷陡壁高度在50米以上，喷发物体积达到1000立方公里，喷进大气的火山灰在远离黄石的爱达荷州、路易斯安那州和加利福尼亚州都可见。这次爆发所产生的喷发物覆盖了周围1万平方公里的土地，也覆盖了原来的两个火山口，形成了现在我们所知的这个超级大的破火山口。
黄石大峡谷
黄石公园大棱镜泉
为什么是黄石？
黄石公园内有上万个喷出热水和热气的孔穴，还有200多处间歇泉，这意味着黄石公园底下存在一个巨大的岩浆囊。岩浆囊是火山底下充填着岩浆的区域，是地壳或上地幔中岩浆相对富集的地方，类似于石油矿藏，岩石孔隙中充满了高温流体。
每当漂浮在上面的板块经过时，下面的热柱就会把上面的板块部分融化成岩浆，形成岩浆囊。因为黄石火山蕴藏在北美大陆板块的内部，所以当板块缓慢地飘过岩浆囊的时候，岩浆的巨大热量会融化板块上的岩石，使大陆板块越来越薄，它下面滚烫的岩浆却逐渐增多，岩浆囊离地表越来越近。对于钢筋水泥而言，地壳板块几乎牢不可破，但是对地球内部的高温熔岩而言，地壳板块不堪一击。
当数万年过去后，如果岩浆囊上空的地壳出现裂缝，岩浆就找到了通往上层的通道。这时岩浆囊里的压力会通过裂缝释放，溶解在岩浆囊里的各种气体也会大量逃逸出去形成爆炸，正如打开一瓶猛烈摇晃的可乐。
为了弄清这个岩浆囊有多大，犹他大学的火山专家鲍勃·史密斯(Bob Smith)用地震波方式进行测量。地震发生时产生的余波会穿越地球，地震波通过熔岩的速度比通过岩石慢，透过地震仪显示的不同震波抵达时间，可以计算和绘制岩浆囊的大小范围。
他用地震仪组成了一个检测中心，由22个检测中心构建成一个全方位的网络，所有数据都会传到犹他大学的中心记录设备中以供分析。他说：“地震检波器网络就像一个天线，你通过聆听进入天线的地震波，就能检测到来自地球内部的事情。”这有点像CT扫描，通过透过人体组织的X射线来建立你身体内部结构的三维图像。实验结果超过了之前所有的预测，这座破火山口下面的岩浆囊长80多公里，宽40多公里，和黄石火山口的大小差不多；距离地表最浅处约8公里，最深处约16公里，体积大约有2万～2.5万立方公里，里面融化的岩石只有10%～30%，剩下的物质都是炎热的固体。
岩浆囊下面有一个不断提供热量的地幔热柱，这就像一根埋在地球深处的柱子，温度很高，约1400～2000摄氏度，越往地球深处温度越高。热柱由两个部分组成，下部呈长细柱状，底端连至地幔底部；细柱的热物质上升速度往往比本体更快，一旦上升到较浅出，受到的压力降低，于是体积膨大向四面展开，整体看起来就像是有着细长柄的蘑菇。热柱口的直径可达1900公里，上升到一定高度后这股热柱会灌入岩浆囊。
热柱被认为是地球释放热量的一种方式。目前地球上这种热柱有32处，只有一处在陆地板块，其余都在海洋下面，这种热柱的位置是相对固定的，但是大陆和海床由很多巨大的板块和更多很小的板块组成，漂浮在密度更大的地幔上。北美板块就像是卡布奇诺咖啡上漂浮的奶油，向西南方向移动，过去1650万年前板块的平均移动速率是每年4.6厘米，和指甲生长的速度差不多。
这就像拿着一张纸缓慢经过下方的蜡烛，如果有些地方停留得久一点，烛火就会将纸烧出个窟窿。随着板块继续漂移，已经形成“窟窿”的部分也在跟着前移，当移到新的热柱上方，之前的一幕又将重新上演。科学家在黄石国家公园的西南方发现了6个破火山口，像一串珠子一样排列，最古老的是1800万年前至1650万年前的麦德米特火山场。200多万年前，黄石公园所在地区位移到热柱上，地下曾经供应了6座火山的燃料又开始工作，超级火山爆发的新循环就此开始。
按照黄石超级火山喷发点随着地壳变化的移动规律，地质学家们开玩笑说，再过200万年，蒙大拿州比灵斯的人们将会围着间歇泉翩翩起舞。
下一次喷发
黄石就像一条沉睡在地下的喷火巨龙，一旦醒来，将造成巨大的灾难。克里斯蒂森称之为潜在的“人类主要灾害”，公园本身将被摧毁，森林将被夷平，每一样活物都会被蒸发、烧成灰烬，变成碎片，接下来火山灰将覆盖美国，全球上空漂浮着厚厚的火山灰云，全球变冷、干旱、饥荒、战争将会接踵而至，远比电影描述的更为可怕。
科学家估计，黄石公园超级火山每隔60万年爆发一次，而自上一次爆发到现在已有64万年。黄石火山什么时候会再次喷发，成了一个巨大的疑问。
它一直就没有安分过。1973年的一天，鲍勃·史密斯和同事一起在黄石湖南海湾的皮尔岛(Peale Island)上工作时发现一些奇怪现象，沿着海岸线的一些树木部分被淹没甚至快要死了。1956年史密斯也曾在此工作过，那时他计划建造早期航行使用的船坞，这些船坞也同样被淹没了。这究竟是怎么回事呢？
史密斯受到启发，着手重新考察公园工作人员自1923年以来放置在公路上的标杆。他发现，坐落在破火山口顶、位于黄石湖北边的海顿山谷(Hayden Valley)在过去几十年来上升了大约76厘米。然而，湖底却完全没有升高，只是湖的北面升高了，黄石湖的湖水因此向南流。这块土地正在上升，底下的火山是活的。
史密斯于1979年将这个发现公之于众，并将黄石公园描述为“活着、呼吸着的破火山口”。到1984年，公园的整个中心地区100多平方公里土地，比1924年所做的最后一次勘测时高了1米多。接着在1985年，由于发生多次小型地震，公园的中心地区又下陷了20厘米。史密斯把之前的比喻改为“活着、呼吸着并震动着的破火山口”。如今，黄石地面这个脆弱的外层就像一个男人呼吸的胸腔，不停地上上下下。
1985年之后，黄石的地面又重新升高。2004～2006年，破火山口几乎以每年7厘米的速度上升；2007～2010年，隆起的速度降低至每年1厘米或以下。但是很多媒体在报道时忽略了上升速度的明显变慢，比如2011年初英国《每日邮报》就称：“从2004年到现在，黄石公园内巨大的休眠火山的地标隆起高度一直在以惊人的速度上升，特别是近三年以来……创下了自1923年以来的最快纪录。”还有一些媒体蜂拥而上，很快便出现“黄石公园火山即将爆发”、“美国大部分国土即将覆盖在火山灰下”等耸人听闻的说法，引发一阵骚乱，为此黄石国家公园的官方网站不得不出来辟谣。
究竟是什么让地面上升？科学家说可能是因为潮热的水和蒸汽，或者是岩浆。不管哪一种方式，这种热量同样也会融化岩石，也能导致另一场喷发。而黄石最危险的地方不在它上上下下的地面，而在于没有人知道什么是喷发前的预警信号。“很可能是一系列的地震，地面隆起、间歇泉和喷气孔的活动方式有可能改变，但究竟是什么谁也说不清。”黄石国家公园的地质学家保罗·多斯(Paul Doss)解释。在他眼里，某种程度上能成为火山喷发警报信号的现象，差不多在黄石公园都已存在。
一般来说，地震是火山喷发的前兆，但是在这里地震是家常便饭，大约每年会发生2000次地震，其中大多数都感觉不到，只有少数比较明显。比如1959年发生了7.5级地震，震中在公园西部，地震造成了一个裂缝，触发山崩，造成28人死亡；1985年10月，黄石公园地震云集，接下来几个月里大约发生了超过3000次地震；10年后，另外一群地震把黄石公园摇晃得如同一个被捅了的马蜂窝。
还有一个可能的标志是间歇泉。黄石公园的地表热量是全世界平均水平的三四十倍，靠近地表的岩浆驱动间歇泉喷发。但是多斯说间歇泉变化多端，同样无法预言。比如汽船泉是世界上最大的间歇泉，喷射的时候达120米高，但喷射的间隔可以少到4天，多到50年。“如果它今天喷射，下个星期又喷射，丝毫不能说明它下下个星期或者下下下个星期或者20年之后会怎么样。整个公园都变化无常，实际上你不可能根据任何动静来下结论。”
如此看来，似乎谁也无法预料它何时喷发。鲍勃·史密斯说：“最初我们也担心地面隆起会导致火山喷发，但在发现岩浆位于地下10公里后，我们消除了这种担忧。如果岩浆深度在地下两三公里，我们将陷入极大的忧虑中。”在他眼里，火山口的地标隆起只是地标变形类型的一部分，只是一个不间断的过程，属于正常现象。“黄石公园下的热柱在过去大部分时间里都是在美国西部的盆地和山脉形成破火山口，而今黄石火山之上的是落基山脉这个强硬粗厚得多的地壳，也许可以抵挡底下热点的爆发。”
但是，暂时是安全的并不意味着以后也是安全的。鲍勃·史密斯曾写道：“黄石实际上活着，还在呼吸。”克里斯蒂森早年在关于公园的综合地质报告里也写道：“黄石国家公园区域无疑将会发生火山活动。”火山专家比尔·麦格教授认为：“不仅在黄石公园，在世界的任何地方，都有可能有‘超级火山’爆发。这样的事情在地球上不止一次上演，没有理由因为人类的出现而终止。”
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