喷出作用

更新时间:2022-08-25 13:00

喷出作用,又称火山作用,是指岩浆喷出地表、冷凝固结的过程。喷出物有气体,固体,液体三类。

火山活动

自古以来,人们就注意火山活动的现象。黑龙江省德都县五大连池共有14 座火山,其中有两座火山——火烧山和老黑山,曾于康熙五十八年和五十九年(1719 年和1720 年)有过喷发活动,其事分别记载于《黑龙江外记》和《宁古塔记略》中。书中说:“一日地中忽出火,石块飞腾,声振四野。”“烟火冲天,其声如雷,昼夜不绝,声闻五六十里,⋯热气逼人三十余里。”由于这次喷发,熔岩堵塞了附近的白河河道,形成了五个湖泊,故称为五大连池。

五大连池地区已划为国家自然保护区,有“火山博物馆”之称。1951 年5 月27 日,在新疆于田东苏巴什以南的昆仑山克里雅河附近曾有一次火山喷发活动。1980 年7 月7 日,台湾屏东县鲤鱼山火山曾经爆发。根据火山活动情况一般分为:

活火山——尚在活动或周期性不断活动的火山;休眠火山——有史以来曾经活动,但长期以来处于静止状态的火山;

死火山——史前曾经喷发,但有史以来未活动的火山。这种分法是相对的,而不是绝对的。例如,意大利维苏威火山是世界有名的火山,过去曾被认为是一座不活动的火山,但于公元79 年8 月24 日突然强烈喷发,造成极大灾害。还有些从来没有过火山活动的地方,也会产生新的火山。如1943 年2 月20 日,在墨西哥城西方300km 多的一片玉米地里,忽然出现裂缝冒烟,继而强烈喷发,到1944 年1 月已形成一座高450m 的火山,这就是有名的帕里库廷火山。在大洋底也经常形成新火山。

由此可见,过去、现在和将来,火山活动都是地壳运动的一种形式。但火山活动的规模、强度和类型往往发生变化,随着地球的演化和地壳的加厚,火山活动有逐渐减弱的趋势。

火山构造

火山构造或称火山机构,包括火山通道、火山锥、火山口等。

火山通道

是岩浆由地下上升的通道。这种通道既可以是许多条断裂,在地质历史早期,岩浆往往以这些裂隙为通道,称裂隙式喷发;这种通道也可以是由若干条断裂交会而成的管状通道,称为火山管,岩浆沿着火山管向上喷发,称为中心式喷发,现代火山大部分属这种类型。火山通道在火山喷发以后往往被熔岩或碎屑堵塞起来,如果地表遭受风化,填充火山管的物质可以凸起形成峻拔山峰,也可相对凹下(视其岩性软硬而定),这种填充和形成于火山管的岩石称为岩颈。

火山锥

火山喷出物大部分在火山口周围堆积下来,一般呈圆锥形。典型的火山锥,其上半部坡度较陡,可达30—40°,下部则逐渐平缓。由于火山锥由多次喷发形成,故往往是火山碎屑物与熔岩交互成层。这种火山锥称为层状火山锥。其中碎屑物的粒度常随距火山口的远近而变化,大块碎屑堆在火山口周围,细粒碎屑则堆在较远的地方。围绕火山口还常常因火山喷发形成环状或放射状裂隙,随后裂隙中被熔岩所填充,形成环状或放射状岩墙群。有的火山锥是主要由熔岩构成的,坡度很缓,如同盾状,称为盾状火山。

一个火山锥形成以后,由于不断发生火山活动,往往在原来的火山口上形成较小的火山锥,或者在火山锥的山坡上出现许多小火山锥,后者称为寄生火山锥。如意大利西西里岛上的埃特纳火山(3700m)共有300 多个寄生火山锥。

火山口

位于火山锥顶部或其旁侧的漏斗形喷口,称为火山口。火山经过多次爆发,火山口不断碎裂扩大,或由地下岩浆冷却收缩,不断塌陷,可以形成巨大的火山口,称为破火口。如日本阿苏山破火口南北长23km,东西长16km,好象一个小盆地或小平原,称为火口原。火口原上还往往分布着若干村落。火山口中积水成湖叫火口湖,如长白山主峰白头山顶上的天池(周围11.3km,深313m)、广东湛江的游览胜地湖光岩,都是有名的火口湖。

火山喷发物

火山爆发时,最初常在火山口或在山坡冲开一个出口,喷出黑色气体烟柱;接着大量岩石碎屑及熔岩物质被喷上天空,然后纷纷降落于火山周围地区;最后从火山口流出灼热的熔浆,沿山坡向下流动;火山喷发停止后还常常沿着喷气孔喷发气体或形成温泉。这是火山爆发过程中火山喷发物的一般顺序。但火山喷发物的性质、内容和过程,往往因不同火山或虽同一火山而喷发时间不同而有很大变化,不可一概而论。现将火山喷发物概述如下:

气体喷发物(火山气体)

火山气体成分中以水汽为最多,一般占气体总体积的60—90%,此外还有H2S,SO2,CO2,HF,HCl,NaCl,NH4Cl 等。早期高温阶段,HCl 等气体较多;晚期则富含SO2、CO2 等成分,这种规律可以作为火山预测的一种依据。

火山气体主要是从岩浆中分异出来的。当岩浆处于地下高压条件下时,气体能够溶解在岩浆之中;当岩浆上升、压力越来越小,则其中所含气体就会逐渐析离出来,而且越积累越多,蒸汽压越来越大,当其超过上覆岩层的压力时,就会轰然爆炸,破口喷射,形成灼热烟柱或气团。

火山喷气可以升华出硫黄、钠盐、钾盐等矿产。

固体喷发物(火山碎屑物质)

随着气体爆炸由火山口喷射到空中的大小岩石碎块和由熔浆凝固而成的碎块,总称为火山碎屑物质。火山碎屑物的喷发量往往很大,如1883 年印尼的克拉卡托火山爆发,火山碎屑量约有2.5km3,并将之喷到27km 的高空。火山碎屑物按其大小和形状等可以分为以下几种:

1.火山灰

包括火山爆发时被崩碎的细小岩屑和凝固熔浆的细小浆屑,其直径一般小于0.01mm;比之更细的叫火山尘;比之稍粗但不大于2mm的叫火山砂。火山灰很轻,可以升到高空进入平流层,在更大范围扩散,长期不落。

2.火山砾

粒径为2—100mm 的火山碎屑叫火山砾;大于100mm 者叫火山块。

3.火山渣

一般指火山喷发时由被抛到空中去的熔浆凝固而成的熔渣,多具气孔及尖锐棱角,从砂粒到核桃般大小或更大。

4.火山弹

是由熔浆以高速喷向空中发生旋转、扭曲而形成的具有一定形状的块体,大小可从数cm 到数m,形状多为纺锤形、梨形、扭曲形以及扁平状(落地时尚未完全凝固时可摔成扁平状)。有的里面具气孔,外皮有龟裂,称面包状火山弹。火山弹常和其它火山碎屑混在一起堆积在距火山口较近的地方。

上述各类火山碎屑物质经胶结、压固等作用可形成各种火山碎屑岩

液体喷发物(熔浆)

喷出地表的岩浆,其中挥发成分大量逸出,称为熔浆。熔浆冷凝后称为熔岩。熔浆的流速决定于它的粘度、温度及地面的坡度,大约2—8m/s。一般是基性熔浆因粘性小,温度高,故流速大;酸性熔浆因粘性大,温度低,故流速小。如果熔浆成分相同,则其流速决定于地面坡度。熔浆在流动过程中,温度逐渐降低,粘性加大,流速越来越小,最后凝固成为火山岩(喷出岩)。

熔浆冷却速度与熔浆的成分有关。较酸性的熔浆,凝固较快,首先是其表层很快凝成一层厚壳,而其下面熔浆却仍在流动,常使上层厚壳分裂成大大小小的岩块,这种熔岩称为块状熔岩。较基性的熔浆凝固较慢,其表面往往先凝成一层塑性薄壳,而其下部熔浆尚在流动,常使表皮形成波浪起伏状,这种熔岩称为波状熔岩。有时载运波状皮壳的熔浆,因流经的地形陡缓不同,各部位的流速不一致,常使尚未完全凝固的波状皮壳向前翻卷,将皱纹拧成绳索状,这种熔岩称为绳状熔岩。海底喷发的炽热基性熔浆,因与海水接触,使蒸汽压剧增,导致熔浆分裂成大小不等的块体,并在蒸汽包围中向前滚动,形成椭球状或枕状块体,这种熔岩称为枕状熔岩。其表层因迅速冷却,多为玻璃质,气孔较多,而内部冷却较慢,结晶程度较好。在地质时代和大洋中脊地带,都有这种枕状熔岩发育。

熔浆流动过程中,在地形变化的地方急剧下流,冷却后形成熔岩瀑布。熔浆流出地面,因熔浆成分不同,地形条件不一样,可形成不同形状不同规模的岩体。酸性熔浆流不甚远,常形成短厚的熔岩锥(或叫熔岩穹);基性熔岩往往沿着山坡或沟谷流动,呈狭长带状,前端散开或扩大,有如舌状,长可达数十公里,称为熔岩流。如果基性熔岩沿地壳裂隙喷出,而地形又比较平缓,常四处漫溢,覆盖较大的面积,称为熔岩被。当喷发次数多,喷发量大,可以由熔岩构成表面较平缓的台地,称为熔岩台地。如东北长白山区新生代的玄武岩台地,分布面积约5000 多km2。印度德干高原为有名的玄武岩台地,面积达50 多万km2,厚度可达1800m。在岩浆活动过程中,从岩浆中不断析出水蒸汽,并沿裂隙升出地面,可以形成喷气泉或温泉。凡是水温高于当地年平均气温的泉水,都可称为温泉。但并不是所有温泉都直接与岩浆活动有关,例如地下水下渗,受地热或岩浆热影响,使水温增高,然后涌出地面,也可形成温泉。有一种周期性喷发的温泉,称间歇泉。间歇泉一般有一个漏斗形喷出口,其下有一个细长弯曲或分叉的地下水通道,或者在细长通道之下有若干个储水溶洞;地下水受到地热影响或岩浆烘烤,水温逐渐增加,但上部细长水柱形成很大的压力,水在其中不易上下对流,因此使下部水可以达到超过100℃的过热状态,造成很大的上下水温差;下部水温继续增加便开始沸腾(蒸汽有时集中于空洞的上部),当蒸汽压超过上部水柱压力时,就会冲开水柱,喷向高空;然后地下水又重新聚集,如此周而复始,形成间歇喷发现象。冰岛和美国的间歇泉都很有名。我国西藏也发现了很多间歇泉

喷发类型

火山喷发可以分为两个基本类型:裂隙式喷发和中心式喷发,后者又有爆烈、宁静等之分。火山喷发类型决定于多种因素,例如,地壳的厚薄、岩浆的成分(包括酸性与基性、水汽及挥发成分含量、粘度、温度等)、地下岩浆库内的压力、火山通道的形状以及海底喷发和大陆喷发条件等。

裂隙式喷发

岩浆通过地壳中狭长线状深断裂溢出地表,一般没有爆炸现象,流出的主要为基性玄武岩熔浆,冷凝后形成厚度相当稳定、覆盖面积很大的熔岩被,火山碎屑物较少。在地质历史时期,由于大陆壳较薄或比较活动,曾有过多次裂隙喷发活动,如印度德干高原是世界最大的玄武岩熔岩被。在二叠纪时我国西南云、贵、川交界地带也喷发了面积广泛的玄武岩,名为峨嵋玄武岩。这种喷发形式在大陆上已不多见,但在大洋中脊却非常普遍。整个大洋壳的玄武岩是在2 亿年间由大洋中脊裂谷中多次喷发并逐渐向外推移而成的,其喷发量之大是十分惊人的。冰岛正好位于大西洋中脊之上,所以在冰岛当前还能看到裂隙式喷发活动,因此这种喷发类型又称为冰岛式喷发类型。

中心式喷发

岩浆沿着一定的管形通道喷出地表,熔岩覆盖面积较小。这是现代火山活动最主要的类型。按照喷发的剧烈程度又可略分为宁静式、斯特龙博利式和爆烈式等几种。

1.宁静式喷发型

以基性熔浆(玄武岩)喷发为主,熔浆温度较高,气体较少,不爆炸,因此少有固体喷发物,常常形成底座很大、坡度平缓的盾形火山锥,以夏威夷诸火山为代表,故又称夏威夷式喷发类型。

2.斯特龙博利式喷发型

属于宁静式与爆烈式之间的喷发型,以中、基性熔浆喷发为主,并有一定的爆炸力。当火山爆发时可以把未凝固的熔岩抛上空中,并旋转形成纺锤形或螺旋形火山弹,但因爆炸力小,一般没有火山灰。这种喷发以斯特龙博利火山为代表。斯特龙博利火山(926m)位于意大利西西里岛北部利帕里群岛中,火山锥较陡。熔岩偏基性,一次喷发完了,堵塞在火山管中的熔岩还未凝固,下面又聚集了大量气体,冲开火山管中的熔岩,再次爆发,大约每隔2—3 分钟即喷发一次。夜间在150km 外可见到闪闪红光,故有“地中海的灯塔”之称。

3.爆烈式喷发型

大都以中酸性熔浆喷发为主,含气体多,爆炸力强,经常形成大量的火山碎屑特别是火山灰。属于这种喷发的火山很多,如意大利维苏威火山、印度尼西亚喀拉喀托火山、西印度群岛培雷火山,以及美国圣海伦斯St.Helens 火山等。维苏威火山是世界有名的火山。公元79 年发生强烈的喷发。开始时喷出大量气体,烟柱高达13km;接着气体夹杂着大量火山灰、火山渣等一齐冲上高空;最后大量熔浆喷出地面形成块状熔岩。灼热的火山灰掩埋了旁贝等三个城市。后来把旁贝城挖掘出来,成为意大利有名的游览胜地之一。

喀拉喀托火山位于印度尼西亚爪哇岛与苏门答腊之间的巽他海峡,1883年5 月20 日发生近世以来最猛烈的爆发。喷发大量气体和火山灰,烟柱上升27km;微小的火山灰进入80km 高空的平流层,环绕全球;火山灰总量达18km3。原为75km2 的海岛崩毁三分之二。1935 年又爆发一次。圣海伦斯火山(2949.5m)位于美国西部喀斯喀特山脉中,在沉睡123年之后,于1980 年3 月27 日、5 月18 日和25 日、6 月12 日、7 月22 日突然连续爆发,蒸汽及火山灰直升18000m 余,喷发火山灰约3.8×1010km3。1983年又不时活动,2 月2 日至3 日喷发的火山灰高达6km。

皮纳图博火山(1758m)位于菲律宾西北部约80km 处,在沉睡600 多年之后,于1991 年6 月9 日和15 日猛烈喷发,是近百年来最大的火山喷发。火山爆发产生的SO2、其他气体、火山灰等微粒子进入20—25km 的同温层,形成包围地球的“太阳伞”,减弱了到达地面的太阳光线,产生“太阳伞效应”,引起全球气温变化。喷发形成的火山灰多达8km3。此次喷发使4.2 万间房屋被毁,4 万多公顷土地蒙尘,大约900 人丧生,经济损失达数十亿美元。由于在山下和山腰设有火山监测装置,同时利用飞机上对火山逸出气体进行分析的装置提前做出火山活动预测,及早进行了居民撤离工作,使损失减少到最低限度。当年5 月底,经检测火山气体中SO2 的含量骤增10 倍,显示出岩浆活动正在上升地表的危险信号,果然于6 月中旬产生猛烈爆发。关于火山活动的形式可以总结如下几点:

首先,火山喷发强度主要决定于内因,即岩浆成分,基性岩浆以宁静式喷发为主,酸性岩浆以爆烈式喷发为主。但由于地下岩浆以及外界条件随着时间发展而变化,任何火山的喷发型式都不是永远不变的,喷发规模和强度也经常变化。

其次,火山碎屑物的有无和多少是判断火山活动(包括地质时代的)类型的重要依据。一般把火山碎屑物数量与全部火山喷出物数量之比,叫做爆炸指数(E)。E 值越大,表示爆炸性越高;反之,则越低。因此,凡是有大量火山碎屑物特别是火山灰的火山,都是爆烈式火山;相反,只有熔岩流而根本没有或只有少量火山碎屑物者,大多是宁静式火山。火山活动是极重要和引人瞩目的地质现象,自古以来,它给人类带来严重灾害,但也赋于人类以矿产、肥沃土壤和有待开发的热源。由于人们对火山活动的机制还只是间接推测,既使是位于地面的活火山的火山口,人们也很难接近取得有关数据。所以迄今还不能掌握火山活动的全部规律。但当今已开始利用机器人深入火山口直接测试各种数据,如1994 年美国航天局利用机器人,深入阿拉斯加斯珀(活火山,1993 年曾两次喷发)火山口198m深处,随身携带3 个传感器采集气体样品,并摄下了有关图像,传回有价值的科学信息。相信人类迟早会进一步揭开火山活动的奥秘。

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