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1、火山形成及其种类火山形成及其种类 岩浆和火山作用广东海洋大学廖永岩电子信箱：地下高温的熔融物质称为岩浆。它的温度一般在800-1200。可以低到650，也可以高达1400。其成分除硅酸盐外，常含有1%-8%以水为主的挥发性物质。岩浆的发生、运移、聚集、变化及冷凝成岩的全部过程，称为岩浆作用。岩浆喷出地表的作用，称为喷出作用，又称为火山作用。它伴随着地下大量物质在很短时间内释放出来，喷发物有气体、固体和液体三类。火山喷发，是地球上的正常自然现象，同时，它也是一种重要的自然灾害，常造成重大的人员和财产损失（Herd, 1986; Baxter and Gresham, 1997）。仅20世纪90年
2、代的火山喷发, 造成560至1,300人死亡, 520,000人因受到火山威胁而被转移（Annen and Wagner, 2003）。高温的火山喷发物，可直接造成人员和财产的损失。火山喷发后形成的大量火山灰（Chigira, 1982），经大雨冲洗，极易形成泥石流，对周围及下游的人员和财产是一种巨大的威胁（Pareschi, et. al., 2000; Chigira and Chiba, 1998）。火山喷出的大量气体，能对环境产生很大的危害，就算是无毒的二氧化碳气的大量喷出，也能造成悲剧的发生（Freeth and Kay, 1987; Njilah and Tchindjang, 2
3、002）。火山喷发，还能引起海啸等自然灾害（Hamzah, et. al., 2000; Rynn and Davidson, 1999）。所以，自古以来，人类对火山作用，已进行了不懈的研究。现在，一些常遭受火山喷发危害的国家，已制定了火山灾害救助计划（Akiyama, et. al., 2002; Ewert, et. al., 1993），已对一些易遭受火山喷发灾害的区域，进行火山灾害评估（Chester, et. al., 2002; Shimozuru, 1983）。并已能根据火山前地震、地形变、火山喷气成分等资料，对一部分火山的喷发做出一定的预测（Iwasaki, et. al.,
4、1975; Sparks, 2003）。但是，火山为什么形成？它为什么在那些地方形成，而不是其它地方？这些火山发生的机理性问题，仍然是人类没有解决的重大难题。所以，要对所有火山喷发进行准确的预测，目前仍不可能。这说明，对岩浆和火山作用进行研究，仍是人类十分重要的任务。这里，我们利用地质学、地球物理学、天文学、天体物理学等资料进行约束，对岩浆作用和火山作用进行了系统研究，提出了新的火山形成理论。1 岩浆及岩浆房的形成地球除在赤道附近，由于自身的旋转和月球的吸引，较凸出外，基本呈圆球形，这说明，地球在其演化形成的早期，曾经熔融过。只有曾熔融过的星球，在自身重力的作用下，才可能形成表面积最小的圆球形
5、。熔融的地球，在重力分异作用下，重的物质向地心沉降，轻的物质则浮向地表。这样，就形成铁、镍等重金属构成的地核，重硅酸盐（铁、镁硅酸盐，类橄榄岩低硅硅酸盐）构成的地幔，轻硅酸盐（钠、钾硅酸盐，类花岗岩类高硅硅酸盐）构成的地壳。由于地球碰撞吸积形成时期的碰撞动能转变为热能（Lyons and Vasavada, 1999; Halliday, 2000; Taylor, 1993），重力分异作用时的重力势能转变为热能（Ringwood, 1960; Tolstikhin and Hofmann, 2005; Hanks and Anderson, 1969），放射性同位素的放射能转化为热能（Han
6、ks and Anderson, 1969; Anders, 1968）的共同作用（这些也就是造成地球熔融的原因），熔融的地球具有巨大的热能，造成地球的内部温度相当高。但是由于地球表面不断向宇宙空间辐射能量，地球表面的温度则不断降低。这样，就造成地球呈现出地球中心部位（如地核）的温度相当高，而地表的温度相当低，从地核向地表，温度逐渐降低。随着地球从地表向地核的深度逐渐加深，压力逐渐增大。所以，构成地球的某点物质，是呈固态或是液态，主要由三方面的因素决定：1是该点物质的熔点，2是该点的温度，3是该点的压力。地球的重力分异作用刚完成时，由于地内温度相当高，高于该点压力下该物质的熔融温度，除地表（原
7、始地壳）由于不断向宇宙空间辐射能量，冷却至该物质的凝固点,呈固态外，原始地壳内所有构成地球的物质，均呈液态。后来，由于地球的吸积作用基本停止，重力分异作用也基本完成，放射性同位素的放射能的降低，地球的产热能力降低，但地球向宇宙空间仍在不断辐射能量，这样，地球的温度（从里至表）逐渐降低。由于构成地球的该点物质的熔融温度没变（重力分异已完成），该点的压力也没有太大的变化，随着温度逐渐降低，当温度降至该点压力下该物质的熔融点以下时，该点物质将从液态转变为固态。就目前的地球来看，从地内物质的分布及地内压力来说，内核和下地幔的温度已低于该点物质在该点压力下的熔融温度，所以，内核和下地幔呈固态。外核的温度
8、高于该点物质在该点压力下的熔融温度，所以，外核仍呈液态。岩石圈（包括地壳和上地幔）的温度已低于常压下该点物质的熔融温度，所以，地壳和上地幔呈固态。由于地震主要发生于地壳层（Tatsumi, 1995），这说明，虽然岩石圈在常温常压下均为固态，但地壳为常压下温度更低的刚性固态物质，而上地幔则为温度较高的刚性较差的塑性固态物质。软流层的温度接近于该点压力下该点物质的熔融温度，所以，软流层在压力降低时，呈液态，在压力增加时，呈固态。由于地球的构造运动，造成不同区域岩石圈下的压力不一样，这样，使软流层呈现出一种不连续性的液态状态。地球具有构造运动。地球的构造运动，主要包括水平运动（如海底扩张）和垂直运
9、动（如造山运动）。由于岛弧作用、地槽作用、地背斜作用和地堑作用（见后述），引起某一区域岩石圈抬升，将在这一区域的岩石圈下形成一个负压腔。这样，这一区域物质没变，温度也没有变化，随着压力的降低，这一区域的软流圈物质将由固态变为液态，从而形成岩浆。岩浆的质地，主要由形成负压腔处构成负压腔壁的岩石类型决定。因为，当该处压力下降时，总是最容易熔化的岩石类型先熔融（如花岗岩类），然后才是较易熔的岩石熔融，最后才是不易熔融的岩石熔融。所以，当构成负压腔壁的岩石为花岗岩类岩石时，熔融的岩浆主要为酸性岩浆。当负压腔壁的岩石为橄榄岩类岩石时，主要形成玄武岩岩浆；若构成负压腔壁的岩石基性太高，连玄武岩岩浆都不足以
10、形成时，才可能形成更基性的超基性岩浆。当构成负压腔壁的岩石介于橄榄岩和花岗岩之间时，则形成中性的安山岩岩浆。当固态围岩物质转变为液态的岩浆时，由于压力的降低，岩浆里的去气气体性物质，将释放入负压腔。负压腔里的去气气体的量，由负压腔容积的大小、负压腔负压的高低、负压腔形成的时间长度等共同决定。负压腔容积越大（岩石圈抬升的区域越大），里产生的去气气体就应越多；负压腔的负压越大（构造运动形成负压腔的速度快），里产生的去气气体也应越多；负压腔保存的时间越长，能让去气体充分释放入负压腔，这样，也会造成负压腔里的去气气体增多。当液体的岩浆和去气气体在负压腔里已经形成，负压腔就转变为岩浆房。2 岩石圈破裂的
11、原理及洋中脊火山的形成在第四纪早期冰川时期，欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过大陆冰川，当时这两个区域都发生过地壳沉陷的均衡补偿现象。哈得逊湾的地面曾沉降到海平面之下120米左右。现在冰川消融了，整个地区都在抬升，但这两个地区的某些部分还在海平面之下。最近15000年以来，哈得逊地区抬升了大约300米，这一地区至今还保持着每年上升2厘米的速度。经过计算，该区地面要恢复到冰期以前的原有高度，并重建地壳均衡状态，还需要再上升80米。斯堪的纳维亚地区，近万年来，其上升幅度达250米，至今仍以每年1厘米的速度上升（陶世龙等，1999；Stacey, 1992）。这些曾经是北极冰川形成的广
12、大地区的冰后回弹，说明这些地区在北极冰川形成时，曾经受巨大冰川质量的作用，由于地球的均衡补偿作用而发生下沉（Davis et.al.,1999; Makinen and Saaranen, 1998）。下沉的量，肯定大于现今回升的量。从以上地球的内部结构分析可见，地球可以被看成一个由固态岩石圈圈闭的粘滞液体球。根据流体静力学原理，液体是不能被压缩的，作用于液体的压力，可以以相等的力，传至液体的任何部分及任何方向（赵景员和五淑贤，1981）。当巨大的北极冰川被压入地球内部的时候，冰川的巨大质量和体积进入地球内部，进入地球岩石圈围成的这个密闭容器，必然要导致地球膨胀。因为，根据流体静力学原理，若地
13、球不膨胀，北极冰川就不可能进入地球内部。由于固体的岩石圈的弹性有限，地球体积要膨胀，必然导致岩石圈破裂。也只有在岩石圈破裂的情况下，地球才可能发生允许北极巨大冰川下沉所需体积的膨胀。简而言之就是，若地球的其它地区没有岩石圈的下沉或上升的话，北极冰川下沉多少体积，地球将通过最容易破裂的地区破裂，释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质。换句话说，地球通过岩石圈破裂释放多少体积的岩浆等岩石圈内物质，北极冰川才可能向地球内部下沉多少体积。所以，我们可以说，由于种种原因，引起地球表面重力正异常（大地水准面负异常），导致地球的均衡补偿作用，使某处岩石圈物质下沉时，在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质上升。若
14、地球的其它地区没有足够的岩石圈物质上升来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈下沉，地球的体积将膨胀，将引起岩石圈破裂，引发洋中脊处岩浆上涌，导致海底扩张，最终导致造海运动，使地球体积增大。相反，由于种种原因，引起地球表面重力负异常（大地水准面正异常），导致地球的均衡补偿作用，使某处岩石圈物质上升时，在地球的其它地区必须要有相应的岩石圈物质下沉。若地球的其它地区没有足够的岩石圈物质下沉来平衡地球均衡补偿作用导致的岩石圈上升，地球的体积将收缩，引起岩石圈皱缩，引起地向斜和地背斜出现，地向斜扩大，形成地槽，最终引起造山运动。地球到底是引起洋中脊岩浆上涌，或是引起岩石圈皱缩，主要取决于进出地球岩石圈这个密
15、闭圈物质的体积。若岩石圈总下沉体积大于总上升体积，则岩石圈破裂，产生造海运动，使地球膨胀；若岩石圈总下沉体积小于总上升体积，则岩石圈皱缩。那么，地球什么地方的岩石圈最容易破裂呢？岩石圈破裂与否，主要由作用于岩石圈的拉张力和岩石圈抗张力共同决定。因为引起岩石圈破裂的力，主要是由于冰川等大质量物体下沉体积大于上升体积而造成。所以，作用于地球，使岩石圈破裂的力，主要是极地冰川造成的地球膨胀力。若是单极冰川形成造成的拉张力，则拉张力最大区域主要位于该极冰川所在半球的中纬度地区及相对一极的极区。若是双极冰川形成造成的拉张力，则拉张力最大区域，主要位于赤道地区。岩石圈，可以看成主要由花岗或玄武岩构成。花岗
16、岩和玄武岩的抗张力相差不大，花岗岩为7-25MPa mm2，玄武岩为10-30 MPa/mm2 （李智毅和杨裕云，1994）。所以，岩石圈破裂与否，主要与岩石圈的厚度有关。因为大陆岩石圈厚度远大于海洋岩石圈，所以，一般情况下，岩石圈的破裂，主要发生在海洋底部。岩石圈破裂处，最终成为洋中脊，由于不同的海洋中及其边缘，有不同厚度的陆地分布，所以，并不是所有的海洋，易破程度一样。总的来说，在破裂方向上，所有的海洋和大陆一起的抗张力较大的地方，最不易破裂（如大陆区及内陆海）；在破裂方向上，所有的海洋和大陆一起的抗张力最小的地方，最易破裂（如东太平洋等大洋区）。同时，冰川形成的地区，会使该地区下沉，也会造成该处岩石圈在一定程度上拉张变形，这可能也会增加该处岩石圈底裂的机会。总之，若知道了是单极或双极冰川造成岩石圈破裂，根据板块厚度、板块大小和作用力大小和方
