為什麼地球上會有很多的地震和火山爆發？

火山、地震的深部成因

「人們都以為魔鬼降臨。一些人相信這就是世界末日的開始。」對於在1812年1月23日寫下這兩句話的喬治·海因里希·克里斯特來說，那場剛剛撕裂了密西西比山谷的系列地震不僅非常致命，而且難以解釋。200年過去了，今天的我們仍未能破解這個奧秘——根據板塊構造論，美國中西部根本就不是應該發生地震的地方。

地球上的「怪異」之地還不只這一處。蘇格蘭西岸海域的海底地貌，南太平洋的海底火山，非洲南部的穹窿構造……全球都能見到板塊構造論所無法解釋的地貌。

板塊構造論從50年前開始被廣泛認可，其中心內容是：地球的最上層——岩石圈或稱陸界（厚度為60～250千米）由一連串堅硬的板塊組成，漂浮在黏稠的地幔之上。這一理論是由德國地球物理學家魏格納率先提出的，他認為今天的各大洲形成於一個超級大陸——盤古古陸，它在兩億年前分裂並開始漂移。

魏格納的理論最初被人嘲笑，但逐漸增多的證據表明地球表面確實在變化。到20世紀60年代，科學界開始接受板塊構造論，認為它不僅能解釋地球的多樣化地貌，而且能說明為什麼地球的大多數地震和火山活動沿著地表的一些帶狀地帶——板塊邊緣——集中。在板塊分離的地方，來自地幔的熾熱物質上涌、冷卻，形成新地殼，陸地上創生裂谷，海底則產生海脊；在板塊匯聚的地方，板塊之間相互擠壓，強迫山脈隆起，或者在地震活躍的黏性俯衝帶（例如爪哇海溝，2004年12月蘇門答臘-安達曼大地震所在地），板塊相互潛沒到彼此的下方。

可是，到20世紀70年代，看起來無所不包的板塊構造論再度遭到質疑。美國地質學家傑森·摩根原本是板塊構造論的最早倡導者之一，卻成為最早質疑該理論的人之一。他認為，板塊構造論無法解釋夏威夷群島的火山活動——這座群島遠離太平洋板塊邊緣數千千米。板塊構造論對此的解釋是，火山活動是由板塊弱點導致熾熱物質從地幔被動上涌而引發的。而摩根指出，有一根熾熱的地幔物質柱從地下許多千米的地方逐步往上擠壓，最終擠破地表，形成了夏威夷火山。

到20世紀80年代中期，地震釋放的地震波揭示了地球內部的一些狀況，摩根等人的「奇談怪論」開始被接受。在穿越不同密度和溫度的物質時，地震波的速度是不同的。通過在地表放置感測器測量地震波到達的時間，科學家創製了地震波所經過的物質的三維圖像並發現：在靠近地幔與地核（呈熔融狀）交界處的地幔底部，坐落著兩大堆非常炙熱稠密的熱化學物質，其中一個位於南太平洋下方，另一個位於非洲下方。它們每堆的直徑都有幾千千米，在每堆上面都有一根由更熾熱的物質組成的超級地幔柱，而且看起來正上升至地表。

這一發現或許解釋了南太平洋中間海底為什麼高出周圍地貌大約1000米，以及從剛果以南直到南非南部的包括馬達加斯加在內的整片地區為什麼比周圍地貌高的原因，而這是板塊構造論所不能解釋的。地震波成像還揭示，較小的地幔柱從冰島和夏威夷下面的地幔上升至地殼，這或許解釋了這兩大群島的存在及其島上的火山活動。

不管往哪裡看，到處都有地球內部垂直運動塑造地球表面的證據。在板塊構造論形成以後，隨著資料的積累和技術的發展，人們對地球板塊理論的認識不斷加深。

現在還不太清楚的是，這種機制是怎樣工作的。板塊構造論認為，沉降到俯衝帶地幔中的物質在淺地幔中再循環，通過在俯衝帶附近或更遠的兩個板塊分離處的火山活動重新浮現。從20世紀80年代至今，利用地震資料得到的地球內部運動成像結果，進一步豐富了原先板塊運動學說的內容。當板塊下沉至地幔時，會引發地幔物質上涌。2017年，有科學家用電腦模型對俯衝帶地幔進行模擬。結果顯示，一旦一塊俯衝板塊到達地幔和地核交界層，就會擠壓層中的物質，而這種物質與熱化學物質堆相遇，就會在上方形成地幔柱。例如，潛沒到阿拉斯加附近的阿留申群島下方的俯衝板塊可引發夏威夷下面的地幔柱形成，由此產生的熱點為夏威夷火山增添燃料。

科學家還模擬了一個構造板塊與其下面的地幔反向運動的情況。結果發現，如果這種剪切效應發生在地幔密度改變或上覆板塊厚度改變的區域，就會導致地幔物質熔化並上涌。這一模型準確地預測了海底火山存在於東太平洋海隆（幾乎與南美洲西岸平行的一條洋中脊）西面而非東面。地震波測量表明，西面的地幔和板塊正在反向移動，而在東面卻沒有這樣。這個模型還預測，剪切效應在美國西部、歐洲南部、澳大利亞東部和南極洲最明顯，而所有這些區域的火山活動都遠離板塊邊緣。

如果今天地球深處的動力學能改變地面地貌，那麼同樣的情形必定發生在過去。2016年，有科學家在蘇格蘭海域引發了一系列爆炸，以記錄反射波，從而了解海底的情況，結果他們「看」到了隱藏在最近的岩石和沉積層下面的大約5500萬年前的化石風景，包括小山、峽谷以及河流網路。通過分析河流隨著時間而改道的情況，科學家發現，這片區域曾一度被抬離到高出海面近1000米，隨後又被重新掩埋，整個過程發生在短短100萬年內。如此之快的速度是板塊構造論所無法解釋的，而熾熱的地幔物質從地幔柱呈放射狀排開的話，就可能驅動附近冰島的火山。如果把這個板塊比作一張地毯，那麼地幔物質就像老鼠在地毯下面跑，地毯上自然就會出現起伏。

科學家還辨識出了如今澳大利亞東部地下的類似的險峻垂直運動，它發生在1.45億年前～6500萬年前的白堊紀時期。再來看喜馬拉雅山，它形成於3500萬年前，

當時印度板塊與超級大陸岡瓦納分離，加速北進，最終撞進歐亞板塊。根據板塊構造論，板塊速度最多只能達到每年大約8厘米（這個上限是由俯衝板塊能潛沒進地幔的速度決定的），這不能解釋為什麼印度板塊以每年最多達18厘米的速度朝著其目標上升。2011年，電腦模擬結果顯示，由「團聚」地幔柱的迅速增大的頂部施加的水平力量，被認為是在6700萬年前導致岩漿噴涌形成印度西部德干火山、讓印度板塊一路向前的力量源頭。

美國中西部的異常、周期性的地震破壞活動，或許能由板塊構造論和邊界應力的延伸來解釋，但根本原因可能還得到更深處去尋找。科學家推測，遠古的法拉龍板塊在白堊紀期間開始沿著北美洲西海岸滑移進地幔，而這個板塊目前已鑽到足夠的深度，從而導致海洋在地殼板塊壓力下沉降到中密西西比河谷下方，造成上覆岩石圈嚴重變形，最終引發了200年前的災難事件。

如此看來，塑造地球的過去、現在和將來的並不只是板塊運動，還有地球內更深部物質的變化和運動。

「1790足跡」

傳統上，夏威夷群島的基拉韋厄火山和它的哈勒馬烏瑪尤火山口，被當地原住民視為火山之神佩里的住所，夏威夷人會定期造訪這些火山口以供奉神靈。發現於基拉韋厄火山附近的一系列人類足跡遺迹，被認為與該地區1790年的一系列小戰役以及火山噴發有關，所以被稱為「1790足跡」。

這些足跡被認為是由一支部隊在撤退過程中留下的。在部隊經過基拉韋厄火山時，火山開始噴發。部隊頭領認為可能是士兵們冒犯了神靈，於是將部隊分成三支分隊，全部留下來供奉神靈。其中兩支分隊在穿越沙漠時被火山噴出的火成碎屑物掩埋。只有一支分隊在這次噴發中存活下來。一名早期地質學家把這些足跡歸因於那些被火山奪命的士兵。

而最近的研究表明，其中至少一部分足跡應該歸因於夏威夷人的日常生活行為，而與戰爭無關。經現代法醫學鑒定，這些足跡中有許多是由婦女和兒童而非戰士留下的。研究者推測，人們當初很可能正在這裡用黑曜石製作工具，不料火山突然噴發，人們在匆忙逃離現場時留下了這些足跡。而當時士兵們正在山峰上，一些人被火山毒氣殺死，而非被火山灰奪命。火山噴發導致下雨，火山灰變成泥巴，接著又在熱帶的烈日下很快固化，最終把足印保存在了乾燥的沙漠里。

夏威夷火山奇觀

2018年11月下旬，美國夏威夷群島的最大島嶼——大島上的基拉韋厄火山噴出的熔岩流入11千米外的大海，造就了宏大而罕見的蒸氣海浪奇觀。這也是它的熔岩自2016年12月以來首次入海。

熔岩入海的場面不僅非常壯麗，而且十分危險。熔岩到達海洋後會冷卻、變暗和變硬，在噴涌的蒸氣里成為一座熔岩三角洲。作為新形成的陸地，這種狀態不穩定的熔岩三角洲有可能在沒有任何警示的情況下發生坍塌，導致熔岩塊和熱水飛濺，就算是站在百米外的遊客也可能遭到傷害。熔岩與海水接觸時產生的看似無毒的蒸氣也很危險，因為這種蒸氣是酸性的，還包含微小的火山玻璃（又稱松脂石或黑曜岩，是火山熔岩急冷時形成的天然玻璃）顆粒。不過，在此次熔岩入海過程中，火山周圍沒有任何社區受到威脅，因為最靠近火山的小鎮「卡拉帕拉花園」也在千米之外（但它在1986年的一次火山噴發中曾遭重創）。

基拉韋厄火山位於1916年建立的夏威夷火山國家公園內，它包含兩座活火山——世界上最活躍火山之一的基拉韋厄火山和世界上最大的火山莫納羅亞火山。這座公園為科學家了解夏威夷群島誕生過程和火山活動提供了機會。而對於每年數以百萬計的遊客來說，公園提供的則是奇異的火山景觀和稀有的動植物群落景觀。1980年和1987年，這座公園被列入「國際生物圈保護區名單」和「世界遺產名錄」。公園目前的佔地面積是1309平方千米，其中過半面積被指定為「夏威夷火山野生生態區」，區內提供不同尋常的徒步旅行和露營機會。公園內的環境多樣，海拔從海平面到莫納羅亞火山最高峰——4169米的都有。這裡的氣候從濕潤的熱帶氣候過渡到乾燥的沙漠氣候。

自1983年以來，基拉韋厄火山一直從它的普尤俄俄噴口持續噴發。活躍的噴發地點還包括這座火山的其他主要噴口。在公園通往海岸的「系列火山口」路沿線上，正如其名，有多個歷史上噴發過的火山口。這條路過去曾與卡拉帕拉鎮附近的另一個公園入口連接，現在它已被熔岩流覆蓋。

夏威夷群島是更新世時期5座盾形火山噴發的結果。公園所在的夏威夷島是跨度為2736千米的夏威夷群島中最年輕的島嶼之一。事實上，整個夏威夷群島都很年輕，最年輕的不到100萬年，最古老的也不到600萬年。新的岩層至今仍在這裡形成。這座群島位於地球上最大的構造板塊即太平洋板塊的頂端。關於夏威夷群島火山的構成原理，板塊構造論的解釋是，火山活動是由板塊弱點導致熾熱物質從地幔被動上涌而引發的。但新的研究認為，潛沒到阿拉斯加附近的阿留申群島下方的俯衝板塊下沉至地幔，引發夏威夷下面的地幔柱形成，由此產生的熱點為夏威夷火山增添燃料。

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