本月中旬，汤加海域发生火山喷发并引发海啸，对汤加造成了灾难性的影响。浓厚的火山灰遮天蔽日，使得整个国家通讯中断，近乎“失联”，牵动着全球人类的心。
而在人类的文化中，火山与岩浆往往意味着灾难。古罗马时期的人们便将火山爆发与火与工匠之神伏尔甘（Vulcānus）联系在一起，当火山爆发时便是伏尔甘在发怒，英文火山（Volcano）一词的词根便由此而来。他的宝物是世间最大的火山，意大利南部的武尔卡诺火山由此得名。
这个神明的名字可以追溯到克里特岛的神话传说，公元前1500年前后，距离克里特岛70公里的火山爆发，这一火山爆发规模超过了1815年的坦博拉火山爆发，导致克里特岛上的米诺斯文明迅速衰落，公元前1420年，克里特岛被北方落后的迈锡尼人征服，关于火山的神话传说可能由此被继承，代价是一个文明的毁灭。
克里特岛火山喷发
岩浆，就是融化的岩石，它到底从何而来呢？
当然，它来自地底下，(￣▽￣)"。在小时候，我以为我们的大地之下全是炽热的岩浆，在地壳是薄薄的一层，在地壳的薄弱处，岩浆就会喷发出来，形成火山，带来灾难。
游戏中对岩浆场景的描绘
而事实真是如此吗，Σ(oﾟдﾟoﾉ)？
其实这种想象更类似于地球早期岩浆海(magma ocean)表面刚刚冷却时的样子。在地球形成的早期，大量的星际物质在重力的作用下不断撞击，大量的重力势能转化为了热能，而一些放射性元素的衰变也产生了大量的热，这些热量使得地球上几乎所有的岩石都完全融化，形成广袤的岩浆海[1]。
岩浆海想象图
然而，经过45亿年的冷却，如今的地球早已不是这种炽热的状态。如今的地球，大部分的硅酸盐岩石都已经冷却成了固体。根据地震学研究的结果，地球目前内部的结构大致为地壳、地幔和地核[2]。
地球的圈层结构
根据地震学的观测结果，只有地核中的外核部分以液态形式存在，地球的其他部分都以固体形式存在。
当然，仍有大量的热量赋存在地球深部。地核的温度约6000℃[3]，在地表附近，深度每增加1公里，温度将升高25-30℃。在660km附近，温度可以达到约1700℃。
地温梯度线（图源网络[4]）
那地下温度这么高，那为什么岩石还是没有融化呢？答案是：压力。
我们知道，物质的“熔点”还受到压力的影响。举个我们熟悉的例子：烧开水。压力越低，水越容易烧开，而压力越高，水越不容易烧开。对大部分岩石来说，压力越高，开始融化所需的温度也越高。而从地球的平均温压条件看，在特定压力下，温度总是比岩石开始熔化所需的温度要低[5]。这里我用“开始融化的温度”，并不是为了水字数，而是因为岩石的成分很复杂，它们没有一个固定的“熔点”，只有开始熔融的温度，我们称作“固相线”。从下面的示意图可以看到，地球的平均地热线落在岩石固相线的左边，说明在正常情形下，岩石不会融化成岩浆。
地热线与岩石固相线
尽管对大多数的情况而言，上面这张图都是成立的。但是在一些地方，地热线或者岩石的固相线会发生改变，使得地热线有一部分进入到固相线右侧，岩石就会融化成岩浆。
那么如何得到一碗热腾腾的岩浆呢？送给大家六字锦囊：减压、升温、加水。而达到这些条件成功让岩石融化成岩浆的典型区域分别是：洋中脊，地幔柱（洋岛）和俯冲带（岛弧）。
1.减压
减压使得地热线向上移动
洋中脊是贯穿四大洋，具有相似特征的海底山脉，又称洋脊或中央海岭，它是板块诞生的地方。在洋中脊两侧，板块向两边拉伸，压力降低，地温线上移，岩石可以部分熔融形成岩浆。这些岩浆在海底安静地喷发，形成“黑烟囱”的奇特景观。
洋中脊（上）与黑烟囱（下）
2.升温
升温使岩石地热线向右移动
地幔柱是来自地球深部的上升热源。在此处温度比其他地方要更高，地热线右移，使得岩石部分熔融形成岩浆。这些岩浆可以形成一系列的火山岛链。其中最著名的是夏威夷火山。
夏威夷火山岛链示意图
3.加水
加水改变岩石固相线
俯冲带是板块消亡的地方，在这里，一个板块向另一个板块俯冲，会将板块上携带的大量富挥发分和水的物质带入深部，将改变这一区域岩石的化学组成，就像加盐可以加快冰雪融化一样，挥发分和水的加入会改变岩石的固相线，使得岩石更容易融化变成岩浆。这些岩浆上涌就会形成岛弧火山。比较著名的有日本的富士山。而最近喷发的汤加火山就是由于西太平洋板块向澳大利亚-印度板块之下俯冲造成的。
岛弧火山形成示意图
而不同区域形成的岩浆也具有不同的性质。一般来说，洋中脊和洋岛处的火山往往具有更低的SiO2和挥发分含量，导致其粘度更低，它们的喷发更为温和。这类岩浆喷发在大多数情形下会“安静”地流淌，只影响熔岩流过的区域，你甚至可以近距离欣赏熔岩流。
熔岩流
而俯冲带后形成的岩浆就不一样了。它们往往具有更高的SiO2含量和挥发分成分。这类岩浆粘度高，不容易流动，通常是“不喷发则已，一喷发惊人”。会将大量的物质送入几千米的高空中。此次的汤加火山就属于这类。
历史上，这类火山爆发往往会具有极大的破坏力。公元79年，在前文所述的意大利地区，维苏威火山的爆发直接掩埋了意大利第二大城庞贝。当时，著名的博物学家老普林尼在拯救灾民时不幸被火山喷出的毒气毒死，在远处的小普林尼记录下了火山爆发的景象之后对火山爆发的类型进行了比较与研究，普林尼型喷发便是以小普林尼的名字命名。
近世以来，随着对火山研究的深入，科学家发现火山与人类文明的兴亡有着比较紧密的联系，除了比较知名的“无夏之年”外，“17世纪危机”中火山也扮演了相当重要的角色。2021年11月的一篇发表在《communications earth & environment》上的文章指出，火山爆发系统性地影响了王朝的覆灭。虽然这一消息令人吃惊，但文章也指出，灭亡与否也与社会应对与抗压能力有着直接关系[6]。因此，火山的爆发我们无法避免，所能做的只有提高人类社会应对灾难的能力，而这需要科学界与整个社会一起达成共识以促进抗灾能力的提升。科学的人文价值便在于此。
References
[1] Elkins-Tanton, L. T. Magma Oceans in the Inner Solar System. Annu Rev Earth Pl Sc 40, 113–139 (2012).
[2] Brown, J. M., & Shankland, T. J. (1981). Thermodynamic parameters in the Earth as determined from seismic profiles. Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 66(3), 579–596.
[3] https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab446/info66077.htm
[4] https://vibaike.com/125528/
[5] Wyllie, P. J. Solidus curves, mantle plumes, and magma generation beneath Hawaii. J Geophys Res Solid Earth 93, 4171–4181 (1988).
[6] Gao, Chaochao, et al. "Volcanic climate impacts can act as ultimate and proximate causes of Chinese dynastic collapse." Communications earth & environment 2.1 (2021): 1-11.
撰稿：肖子聪、行思
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不代表中科院物理所立场
来源：石头科普工作室
编辑：藏痴