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如何人为引发火山爆发

我们能否人为引发火山爆发?探讨爆炸性火山喷发和岩石圈压力释放的理论。

作者:Erik Klemetti
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在过去的几周里,我脑海中汇集了一些零散的想法。首先,在我丹尼森大学的岩石学和火山学课程中,我们花了一周时间讨论地质学家们对火山爆发诱因的了解。其次,我收到了一些关于理查德·布兰森的愚人节玩笑的问题,他声称他的“维珍火山”将把载人潜水器送入火山。将这两个想法结合起来,就会引出那个古老的问题:我们能否人为引发火山爆发?几十年来(甚至几个世纪),人类能够找到方法让一座未爆发的火山开始爆发的想法,一直属于科幻小说和阴谋论者的领域。这通常发生在邪恶科学家/疯子为了统治世界(呼叫霍里博士)或作为最后的地球拯救努力(如《世界裂痕》)时。

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人们认为我们如何才能引发火山爆发? 绝大多数虚构的尝试都是将一个大型爆炸装置——比如核弹——放入火山,爆炸会引发火山爆发。在大多数情况下,炸弹需要被送入火山深处(通常示意图显示为不存在的“大桶岩浆”)才能奏效。其想法是,岩浆中的爆炸将导致其继续喷发。没有人真正尝试过(尽管我们确实轰炸过熔岩流,但毫无效果)。我还听过有人说,仅仅钻入火山就能通过释放火山中积聚的压力来引发喷发,然而,这类事情经常发生而没有造成灾难性后果(除非你拥有钻井平台)。有趣的是,这两种想法在讨论如何阻止火山爆发时也被提出——同样,主要是通过降低火山的压力或阻止岩浆到达地表。火山为什么会爆发呢?

引发爆炸性火山爆发的关键在于压力——或者更具体地说,压力的下降。火山的简化模型就像一个带有瓶塞的香槟瓶。保持瓶塞在位,香槟中的气泡就会溶解。然而,一旦你拔掉瓶塞,所有溶解的二氧化碳就会从溶液中逸出并形成气泡。如果足够快地释放压力,气泡会形成得如此之快,以至于瓶子会发出“砰”的一声。通过摇晃瓶子来增加瓶内的压力,然后释放压力,那瓶价值500美元的香槟就会喷涌而出。从根本上说,这就是火山爆炸性喷发所发生的情况——当压力释放时,火山气体从溶液中逸出,形成气泡,将岩浆分解成火山灰和火山碎屑。我们称之为“岩石圈压力”的压力释放,这是由岩浆上方所有岩石造成的压力。岩石圈压力在地壳中会迅速增加——需要10公里的地球大气层才能产生1个“大气压”(我们在海平面感受到的压力)。而你上方仅需4.4米的岩石就能产生相同的力。释放足够的岩石圈压力,就等于拔掉了瓶塞。火山灰柱就是香槟从瓶子里“砰”地喷出的景象。另一种可能导致岩浆喷发,通常是爆炸性的,是外部水的加入。想想2010年埃亚菲亚德拉冰盖火山爆发——那次爆发之所以更加猛烈,是因为火山上融化的雪/冰与岩浆混合(然而,它很可能是由新的热岩浆注入引发的)。如果水与岩浆的比例合适,岩浆和水的爆炸性混合就可以自我维持,这意味着爆炸性喷发将持续进行,直到水源或岩浆耗尽。然而,水量太少可能无法维持爆炸性混合,水量太多则会淬灭(固化)过多的岩浆。什么可以引发喷发?关于什么可以引发火山爆发,有很多理论。有些很简单,比如岩浆的浮力——它比周围的岩石密度小,因此会上升,直到与地表相交。这很可能是像基拉韦厄火山这样产生熔岩流的火山的主要过程。如果你想要爆炸性的火山爆发,你需要产生气泡(而且要很多),方法是:(1) 使岩浆减压,导致气体从溶液中逸出;(2) 结晶矿物,使剩余岩浆中的水/挥发物浓缩;或 (3) 通过新的岩浆侵入加热岩浆。压力释放可以通过多种方式实现,包括岩浆体上方岩盖的破坏(火山滑坡是一个很好的例子)、岩浆的浮力上升,或通过一些不太常见的因素,如冰川融化(可能是太慢的过程,无法引发特定的喷发)、过度的降雨侵蚀火山、大气压力的变化,甚至可能是由太阳和月球引力引起的地球潮汐(罕见,主要发生在已活跃的火山)。一旦产生了气泡,就需要将它们集中到岩浆体顶部,也许可以通过地震——想想摇晃一瓶开着的、有气泡的苏打水:它们都会浮到顶部。然而,在所有这些情况下,你可能需要一个“准备好”喷发的火山——也就是说,一个有可喷发岩浆,只需要被“推一把”就能喷发的火山。要让它奏效需要什么——以及为什么这可能也行不通。有了这些信息,如果你想尝试引发火山爆发,你需要做几件事

  • 找到一个已经显示出岩浆浅层侵入迹象的火山。这可能包括高浓度的火山气体、浅层地震、火山形变。你需要找一个“准备好”喷发的。

  • 找出一种方法来释放压制住火山“瓶塞”的岩石圈压力,以便气泡能够形成。

  • 找出如何将大量水迅速注入火山……但又不能太快。

虚构的方法在任何情况下都无济于事。通常,你会看到邪恶的天才选择一座没有活动迹象的火山,所以他/她一开始就输了。将“炸弹炸入火山”并没有真正解决压力问题,因为爆炸并没有移除足够的上覆岩石来释放岩石圈压力。钻探火山就像试图用针刺放血一样——压力释放不够,不足以产生真正的影响。可悲的是,这里的问题在于,疯狂的科学家需要“放飞自我”。我会如何尝试。

好吧,那我该怎么做呢?首先,我需要找到一个即将爆发但又不经常爆发的火山(这样压力就已经在积聚了)。考虑到全球范围内显示出活动迹象并可能拥有大量可喷发岩浆的火山,我的选择可能是爱琴海的圣托里尼岛。好处是,我可以方便地获得水。如果火山下有岩浆上升,那么我想要做的是灾难性地释放上覆的岩石负荷,在岩浆中产生气泡,我希望这些气泡能在岩浆体顶部形成一层来集中压力,我希望将水注入岩浆室以帮助爆炸。然而,这说起来容易做起来难。一种策略是进行山顶移除式采矿,以清除岩浆体上方的部分地表——然而,这需要时间。哪个邪恶的天才愿意为了慢慢运走数千吨的材料而将世界人质?(“抱歉,等等,还有10000车才能运完!”)不,要快速完成,你需要许多高爆弹药,埋设在地表下,在火山上呈网格状布置,目标是快速清除地表物质。现在,这些炸药应该能发挥双重作用,爆炸产生的震动可能会将岩浆中的气泡震松(随着压力释放产生更多气泡)。如果压力足够大,炸药造成的岩浆体上方薄弱的岩盖可能会垮塌,导致快速减压。如果你想增加乐趣,你制造的裂缝应该允许海水渗入岩浆,以帮助爆炸(就像1883年喀拉喀托火山爆发可能发生的那样)。现在,真正的问题现在,你可能在想:“他把一切都搞定了。”谢谢,我会努力的。然而,我还没有完全搞定,因为还有一个我没提到的问题。那就是时间。当然,我可以做所有这些事情,但火山学家们并没有很好地掌握时机——从触发因素到实际喷发之间的时间。在某些情况下,看起来只需要几秒钟,就像1980年圣海伦斯火山爆发的地震和滑坡一样。在某些情况下,触发因素可能需要几个月甚至一年,正如智利一些大型地震后的火山所暗示的那样。所以,你可能费尽周折,却无法控制火山何时喷发——再次强调,如果你想用邪恶天才的手段震惊世界,这不是一个好计划。甚至很有可能火山根本不会喷发——有太多变量,即使选择了一个准备好爆发的理想火山,也可能无法奏效——而且你所有的活动都可能阻碍喷发而不是引发它。这一切都表明了我们对特定火山爆发的确切机制知之甚少。所以,当你起草征服世界的计划时,把“以我引发火山爆发来要挟世界”从清单上划掉。你操纵小行星撞击地球的可能性,比你随意让黄石火山爆发的可能性要大。

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