为什么火山经常在板块大陆边界上出现?


这个问题看起来好像没什么特别,但它却又与我们平时对于岩浆和火山的印象相矛盾。

根据我们普通人平时的印象,地壳往下都是岩浆,地壳是漂浮在岩浆上的,只要地壳破了条缝,那么熔岩就会滚滚地流出来,根本挡不住。就像下面这张图一样:

图片来源:https://www.universetoday.com/27908/what-is-the-difference-between-lava-and-magma/

要是一不小心地壳裂开了,熔岩就不受控了,人类只能抱团躲在地壳板块上,不然就会掉到岩浆里被烤熟了。

图片来源:https://simple.wikipedia.org/wiki/Lava#/media/File:Lava_Lake_Nyiragongo_2.jpg

要是这么看,我们所处的环境极其危险,每个地方都会处于地壳破裂,火山喷发或者岩浆溢出的潜在危险下。

火山肯定会到处都有,怎么会集中在板块边界上出现呢?

这是因为,地球上其实根本就没有那么多的岩浆。

实际上,地壳下部并非岩浆,反而主要是塑性-半塑性的、固态的,软流圈和上地幔。

我们来看这张地球各圈层示意图(注意看红字部分):

图片修改自:https://www.miningreview.com/base-metals/challenging-notions-on-inner-workings-of-magma-chambers/

从图中可以看出,整个地球内部圈层,只有外地核是液态的。而上地幔中的软流圈是塑性-半塑性的,这种塑性更像是沥青那种缓慢变形,而不是像液态水那种可以快速流动。这也使得软流圈本身并不会像水一样,从地壳的裂口中急剧地喷发出来。这个塑性的的软流圈,厚度大约为100公里,仅占地幔总厚度的约29分之一。

题外话:岩石圈(包括地壳和部分上地幔)在这些塑性-半塑性的软流圈 之上确实会形成重力均衡现象,但它只是覆盖在塑性物质上,并不是漂浮在液态物质(或者流体)之上的。

至今为止,人类还没有成功的挖到过软流圈的样品,也没有挖到过地幔的样品。

那么人们是怎么判断地球内部圈层到底是液态还是固态的呢?

答:通过地震波。

地震在发生后,会形成能量巨大的地震波,在地球内部像敲钟一样来回震荡。这个波本身包括横波(S波)和纵波(P波),其中横波只能穿透固态物质,而P波则可以穿透固态和液态物质。所以其在传播中会发生下面这种情况:

图片修改自:https://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_wave

也就是说,当地震波在通过地壳,软流圈,下地幔等圈层时,几乎是畅通无阻的。但是当遇到液态外地核时,横波就会被大量吸收掉,难以继续传播。而纵波则会在液态外地核中转化为另一种波,K波,同时发生折射并继续传播。

因此通过在地表各个地震台网对地震波进行监测,就可以还原出地球内部构造的各种特性。

假如,我是说假如,地壳下面是液态的岩浆,那么地球物理学家应该早就已经发现了这个岩浆层,并且已经把它的厚度,形态,密度,温度,物质组成等等都分析得比较清楚了。

但事实刚好相反,地球物理学家并没有发现地壳下面有一个这样的液态岩浆圈层。也就是说,火山中的熔岩大部分都是局部的,区域的,并不是普遍存在于地壳下面的。更不是相互联通的。

 

那么,另一个问题就出现了,岩浆是从哪里来的呢?

岩浆,顾名思义,就是岩石熔融后形成的液态物质,那自然就是岩石在高温下融化而来的。那什么情况下岩石会变成岩浆,什么情况下不会变成岩浆呢?

答:取决于温度、压力和含水量。

题目中问到的为什么火山经常在板块边界上出现? 其实就是因为板块边界的温度和压力变化较大,岩石容易变成岩浆,从而形成火山。

那怎么理解岩石的温度、压力和含水量这三个因素呢?

1. 先从温度上来看,自然是温度越高,岩石越容易熔融。只要高于某一个固液相边界温度,就会变成液态。

2. 从压力上来看,压力越小,岩石越容易熔融。但前提条件是在较高的温度下(比如600-1200度)才会这样。在较低的温度下,压力再小岩石也是固态,并不会熔融。就如下图所示:

图片来源:https://opentextbc.ca/physicalgeologyearle/wp-content/uploads/sites/145/2016/06/flux-decompression.png

此图中向右的横轴是温度,越向右温度越高。向下的竖轴是压力,越向下压力越大。因此左上角是低温低压区,右下角是高温高压区。当岩石位于左侧的绿色区域内时,为固态,当岩石温度上升,进入右侧的粉色区域时,就会熔融变成液态。图中的红线代表干地幔的固液相分界线。

可以从图中的紫色圆点看出,当岩石从左侧按实线箭头方向升温进入右侧时,岩石会熔融。当岩石从下侧按虚线箭头方向减压进入上侧时,岩石也会熔融。对于减压熔融的过程,简单理解就是,当压力大时,就像是一堆人被外部一堆人手拉手围了起来,无法活动,而只要压力一减小,人们马上就会开始四处活动。

3. 从含水量上来看,含水量越高越容易熔融。这个水不是地幔岩石自身的水,而是由俯冲板块携带的水,被注入到地幔中,导致地幔局部含水量变高,发生熔融。如下图所示:

图片来源:https://opentextbc.ca/physicalgeologyearle/wp-content/uploads/sites/145/2016/06/flux-decompression.png

此图中向右的横轴是温度,越向右温度越高。向下的竖轴是压力,越向下压力越大。图中的红线虚线代表干地幔的固液相分界线。当俯冲板块向下进入地幔时,含水量的增加会使干地幔变成湿地幔,原有的固液相分界线向左移动,变为蓝色实线的位置。这个时候,原来在紫色圆点位置的地幔,即使其温度和压力没有发生变化,也会有固态熔融,变为液态。

因此,那些在地壳下部和地幔上部的岩浆其实都是在岩石在附近就地生成的并不是像个岩浆河,岩浆湖一样在一个层位上流动汇集。

这些生成的岩浆在高压下会向地壳浅部运移,也会在地壳内形成岩浆房,如下图:

图片来源:https://www.youtube.com/watch?v=R_pDKyg5YKY&t=327s

地幔里的岩石发生熔融后,形成的岩浆会通过断层或者裂隙向上运移至地壳下部,大约5-20公里深的位置,进一步熔融地壳岩石然后形成一个岩浆房。

岩浆房这个概念在很多地理课本以及科普读物中间,都不怎么出现,所以很多人不知道火山里面岩浆的来源是局部地区的岩浆房,还以为是地球内部某一个相互联通的液态圈层。

即使是大洋中脊这种不断溢出玄武质岩浆的地方,也只是软流圈地幔物质减压熔融形成,并快速上涌而形成的。由于上升速度很快,甚至都很难形成较大的岩浆房。

那地壳中的岩浆房具体是在什么地方呢?主要分布在板块俯冲带和大洋中脊。

图片来源:https://www.researchgate.net/profile/Abdel-Soltan/publication/312189113/figure/fig11/AS:614307175882771@1523473652834/figure-fig11_W640.jpg

从上面这张图中一看就清楚了,地壳中的岩浆房只占庞大地壳中非常小的一部分,也就是4个标注出来的位置上的一点点红色小团块。只有这些是液态的岩浆,而其他的土灰色、橙色、黄色的部分都是固态的地壳、塑性的软流圈、固态的上地幔。

其中位置1和位置4都是板块俯冲带的上方,位置3是大洋中脊,这三个地方都是板块边界,也就是地壳活动很多,容易使岩石发生 1)温度上升 2)压力下降 3)含水量增加 的现象,从而熔融变成岩浆,形成岩浆房。进而被挤压上升到地表喷发出来,也就是我们所熟知的火山。

这就是为什么火山大多集中在板块边界的原因了。

 

但其中位置2不在板块边缘,而是在板块中央内部。这种火山也被称为热点,是由地核/下地幔的热物质上涌形成的地幔柱造成的。前面我们说了,岩浆的形成是由温度、压力和含水量决定的,那么除了板块边界之外肯定还有其他地方也满足这个条件,也会形成岩浆房,也会形成火山喷发。

就像下面的图片所示一样:

图片来源:https://www.researchgate.net/publication/341592959_Thermodynamics_of_Geothermal_Energy/figures?lo=1

当地壳发生漂移时,热点火山是不动的,因为热点火山只受到地幔柱的控制。随着时间的推移,火山就会在地壳上形成一系列的死火山,而这个火山链的最后是一座活火山。

这种热点火山既有可能在陆地上也能在海洋里,典型的陆地热点火山是美国的黄石公园火山(陆壳),而海洋热点火山是夏威夷火山(洋壳)。两座火山都能在附近观察到明显的死火山链。所以这类火山不会像板块边界的火山一样,沿着俯冲带大量出现。而通常都是单独出现。

黄石公园:

图片来源:https://education.nationalgeographic.org/resource/yellowstone-hotspot/

夏威夷:

图片来源:https://www.geologyin.com/2018/02/new-clue-for-fast-motion-of-hawaiian.html

 

总结一下:

火山经常出现在板块边界的原因是:火山主要是由岩浆房中的岩浆喷发造成的,而岩浆房中的岩浆是由岩石熔融而来,熔融的条件是1)温度上升 2)压力下降 3)外部补水。满足这三个条件的环境主要集中在板块频繁活动的地方,也就板块边缘地带。

但在板块内部,也会有火山,其主要是由地幔柱形成的热点。这与板块边缘的火山在成因上有很大区别,通常不会成群出现,而且不会随着板块发生移动。

 

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