火山(Volcano)的名词來自意大利的"Vulcano",原是意大利地中海內利巴里群岛(Lipari Islands)一个火山的名称, 后来成为火山代名词。而Vulcan 在古罗马文字中指『火神』。
火山爆发是一种十分复杂的自然现象,我们目前所知非常有限。这份报告里,我们仅就火山的分布、形成原因和一些火山现象作简略的描述,而火山喷发的机制,至今仍有待地质学者的努力。
火山形成成因
火山运动和地球內部熔融之流质,所帶动板块运动有密切关系。 板块运动 地球表面及浅处部分可分为若干个大板块。板块包括地壳和地函上部,相当于岩石圈,约100公里厚。
各板间在其板块边界做相对运动 :一是扩张(Divergence),一是隐没(Convergence);这就是板块运动。火山活动一般发生在板块交接的地方或其附近,主要分三部分: 板块扩张帶:太平洋脊帶、大西洋中洋脊帶及印度洋中洋脊帶的火山均属于此。 板块隐没帶:环太平洋帶及地中海帶的火山均发生在此附近。 热点:位于地函上部,在此可生成岩浆,当板块做水平移动时,经过热点上便有火山生成,这样连续发生会造成一系列的火山, 而火山生成离热点越远者越老。如夏威夷火山群岛。
而板块运动使得岩浆生成并上升,流出地面造成火山。 岩浆的生成和流出 火山活动是指地下深处的岩浆流至地面的现象。而我们所能看得到的火山活动,只是从岩浆流到地面上开始,到活动停止这一段期间的 各种现象而已。 在地下进行的活动必须使用其它方法来推测。以下是有关岩浆地下活动: 岩浆生成的场所:岩浆大部分产生于地壳下部至地函上部之间(大约20公里至200公里间),而多在地函上部中。
岩浆生成的条件:地球內部温度的分布,在地下200公里处的温度,据估计在1200℃至1600℃左右。在这种温度之下,该处的超基性矽酸盐矿物大部分不会熔融。因为若熔融,温度必须提高,不然矽酸盐矿物的熔点就要降低。因此岩浆生成的原因有:温度增高、含水量增多、压力減低等。
温度增高的方式有: 地函內的热对流,可使部分地函的温度升高;某种应力加強而使部分地函的溫度升高。地函內压力減少会使矽酸盐矿物熔融点降低,地函內水分增多也會使矽酸盐矿物的熔点降低等。 地球各地岩浆生成的原因并不相同,即各地岩浆生成机制不同。
海洋山脊下的岩浆、大陆边缘下的岩浆、岛弧下的岩浆及大陆下的岩浆,其生成机制都互有差异。 岩浆的上升与成分变化:岩浆內的压力若超过上蓋岩层的压力时,岩浆就沿裂缝上升至地面。岩浆在上升期间,隨温度及压力的降低,部分矿物开始结晶,而岩浆成分也开始变化。结果流至地面上时,就生成各种火成岩。
对于岩浆的上升机制和成分变化(分异作用)也有种种看法,如岩浆生成后直接上升至地表,上升期间,岩浆成分有的会发生变化,有的不会发生变化;岩浆(原始岩浆)生成后开始上升,但在半途停留一段时间(形成所谓岩浆库,Magma reservoir)后在上升至地表,在此情形下,岩浆成分在原始岩浆上升中、在岩浆库中或第二次上升中都可能发生变化。至于岩浆的停留次数?成分变化的场所可以做多种考虑。
火山的种类
睡火山 Dormant volcanoes 睡火山,即是在沉睡中的火山,离开了地壳移动地帶,暂时停止动,一旦再次进入地壳移动地帶,便会有再次爆发的机会。 火山: Newberry Volcano 最后一次爆发: 1300年前 Belknap Volcano 最后一次爆发: 1400年前
死火山 extinct volcanoes 死火山,即是已失去活动能力的火山,此火山因离开了地移动地帶有受到強烈的震動,令到火山不再爆发。 火山: Diamond Peak Volcano 最后一次爆发: 约100,000年前 Broken Top Volcano 最后一次爆发:约90,000年前
活火山 active volcanoes 活火山,活动中的火山,只要火山地底发生強烈震动,就有可能会发火山爆发,十分危险。 火山: Decade volcano 最近一次爆发 1974年 Mountetan Volcano 最近一次爆发 1972年
火山伴生现象
1、火山熔岩 火山喷发,许多炙热的碎片性物质隨之向外拋出,依其大小的不同,计有活山块(Blocks)、火山弹(Bombs)、火山岩烬(Scoriae)、火山砾(Lapilli)、火山灰(Volcanic ash)火山塵(Volcanic dust)等,这些炙热的碎片性物质并不是皆由硬岩碎裂所形成的,其中有许多是由熔化 凝固所成,炙热的碎片物沈淀于地表后,具有滲透性质易於透水,故其前缘可有泉水露出。火山喷出的熔岩依著地勢起伏而向下流动,隨流隨凝,其凝固的形式有两种:
I、绳状熔岩层(Pahoehoe or Dermolithic soildofocation):熔岩凝结時彼此绞扭成绳状,或依地勢坡度做挂毡状(Tapestry),表面有褶皺,尚未凝固前,含有大量气体向外扩散,故有人称它为活熔岩(Live lava)。
II、块状熔岩层(Aa or Clastolithic solidification):这种熔岩的表面多铁渣岩烬,表面成锯齿状,熔岩中的气体早已逸出,仅由空气填充其间。在火山熔岩流之上,还可生成一些小地形,可列述如下:
凸丘(Tumuli):熔岩下方有大量熔岩流向上冲撞,使熔岩外壳发生穹窿作用,熔岩流表面隆起,其生成形浆很像岩浆在水平地层下凝结的岩盘(Laccoli-ths)。
挤压丘(Squeeze-ups):有黏性熔岩自业经凝固的熔岩硬壳碎裂处喷出,形成小丘,叫做挤压丘。挤压丘体积较大者特名为压力脊(Pressure ridges)。由这些压力脊的橫切面可以看出來两侧都很陡峻,有若背斜层的切面,脊顶受到挤压可以破裂,压力脊常做线状排列,和熔岩流的流向平行,故这种挤压丘的形成 当系来自橫压力,这种侧部橫压力的来源尚未确知。
熔岩泡(Lavablisters):熔岩之中含有大量气体,喷发出来后熔岩隨即凝固,气体未能完全溢出,在熔岩层中隆起成一個大气泡。
熔岩穴及熔岩隧道(Lava tunnels):在玄武岩质的熔岩区,若在凝固的熔岩外壳之下,经常有水流过,可以被侵蚀成熔岩隧道,若所侵蚀之地未能贯穿,则所成不是隧道而是熔岩穴(Lava caves)。这种熔岩穴冬季积水可成冰块,至夏季外界天气暖热然而不易和熔岩穴中的冷空气相置换,故虽至夏季,穴冰仍然存在,特称冰穴(Ice caves)。
2、火山灰阵 由伏尔坎宁氏及皮连氏火山喷发出來的物质中有大量的火山灰,称为灰阵(Ash showers),灰阵体积较小,可以降落于距火山口较远的区域。火山灰阵于降落地面之后,将原來的地面掩盖,但原来起伏甚大的地形仍隐约可见;火山一般喷发物的凝结层多孔隙,易于透水,故不易在其上发育河流,不过火山灰阵物质细小,不易透水,在地表上可以形 成纤细的水系,经常其沖刷可成恶地形。
3、 火山泥流 火山喷发时常有泥流(Mud flow)伴生。火山泥流的发生,主要是因为:
火山喷发时火山灰降落在冰雪地面之上,促使冰雪溶化,其上的火山灰,伴同融水形成泥流。
在皮连的沈积物上发生大雨,沖刷可成泥流。 河水和皮连云的沈积物相混合,形成泥流。
火口湖干涸,底部有火山灰沈积,经水沖刷成泥流。
火山泥流中的物质有漂石及细土,混杂沈积,毫无层次,表面多隆起小丘,有类山崩堆积,泥流顺山坡流动可达数十公里,且可淹没村庄及小农田。
栓塞穹隆 火山喷发时若其中有许多安山岩质的酸性熔岩,具有甚大黏性,则当它向外喷发时不易外流,而在火山口做环状堆积,或使表层岩石隆起成穹隆,这种拱起地形叫做栓塞穹隆,或称火山栓(Plug domes)。若隆起的穹窿顶部有类菌状,称为积状穹窿(Cumulo-domes or tholoids)。而一般火口区多成园柱状。栓塞穹窿和火山头(Volcanic neck)不同,因为前者是由岩浆冲入火山口或是冲至火山口以上堆积凝结而成,故当它生成之初即成隆起,而火山头先在火山暗隙中垂直凝结而成,经过长期风化侵蚀之后,始行露出地表。
1、火山骨架 当火山停止活动以后,侵蚀作用接著即将进行,软弱的沈积物被蚀去,所剩下的尽是些坚硬的火成岩脉矗立地表,此火山地形称为火山骨架(Volcanic skeletons)。
火山形成后,首先被侵蚀者即为火山锥(Volcanic cones),锥中含有许多粗大的火山岩质,这些物质易于透水,反而可以 加強它的抗蚀力,火山锥上为辐射状水系,由于山锥坡度颇大,河流易于下切,可形成小峽谷。火山锥经过长期侵蚀之后,只有少数硬岩残余,这些残余地形以火山颈和岩墙峰(Dike ridges)最为常见,岩墙为火山熔岩在垂直岩层中凝结所成,若侵入的岩浆物质数量甚大,所成岩层也亦壮 大,岩墙一般抗蚀力较弱,故可形成岩墙山;但若岩墙山并非十分垂直且具有若干的倾斜,则在外观上颇似猪背崖(Hog backs),二者的区別主要从岩石的性质上著手,岩墙为火山岩所形成,猪背崖则是由一侧陡峻的沈积岩形成。岩墙并不是均可形成山峰,若岩墙的石质比周围的岩层弱,则易遭受风化侵蚀而成洼地。
2、火山低洼地形 火山的喷发及陷落,均可在火山口地区形成洼地,综合威廉士(Howel Williams)及查尔加(T.A. Jaggar)两氏的分类法,可将这些洼地分成三类:
(1)、火山口
a. 喷发火山口
b. 有边火山口
c.陷落火山口
(2)、火山臼
a.喷发火山臼
b.沈降火山臼
c.复式火山臼
(3)、火山构造洼地
火山口和火山臼都是火山喷发口,但二者的形状不同,故名称有异,它们的差別有: a.火山口面积小,直径往往小于一哩,火山臼的面积大,直径达数哩至数十哩。
b.火山口形状如碗,火口崖壁向中央缓降;火山臼如同铝锅,四周崖壁陡峻。分述如下:
火山口 火山口通常在山岭中央者,可称为主火口(Main crater),其在侧面所形成得火山口叫副火口(Pareasitic crater),因一地火山喷发的次数不一,每次喷出的地点亦不完全相同,故往往一个火山有数个火山口。在夏威夷的盾状火山上,有许多小洼池叫做火口穴(Volcanic sinks),此火山口主要是由地下岩浆柱低落坍塌所致,故属陷落火山口。 若一个火山口在另一个火山口內形成,叫做巢形火山口(Nested crater),此火山口的生成是先在一個以生成的火山口中喷发,使原來的火山口扩大,並在旧火山口內造成新的火山口及火山锥,隨后就又有部分坍陷下去,形成巢形。巢形火山和寄生火山不同,若 在一个火山体的侧旁亦即火山锥的斜坡上再有火山喷发,形成一个新的火山体,则這个新火山体就是寄生火山;例如台湾陽明山上的纱帽山就是大屯火山的寄生火山,而巢形火山是在火山口內重新喷发所形成的。
火山臼 过去对于火山臼的形成,一般认为是由于猛烈的火山喷发作用所形成的,但现在则认为陷落是其主因。威廉氏认为有些锅状火口是单独由爆发作用所形成,不过它说这种锅状火口甚少,所成的面积亦小。一个火山不论其形状如何,最初的生成都是由喷发作用开始,不过由于火山锥下方的 大量喷发后,导致下方空虛,因而引起锥顶陷落,迫使火山口范围扩大,因而许多火山臼都是先由喷发,后由陷落的双重作用所成,柯顿也认为威廉士和万本米兰(Vam Bemmelan)等人所主张的锅状火口陷落说,应叫做『爆发陷落说』(Explosion-collapse theory)少数火山臼? 可能纯由沈降作用而成,在沈降以前或同时,并未有喷发作用伴见。
大型的火山洼地如夏威夷群岛上的莫纳洛亚火山口及吉劳火山口,均是纯粹由于岩浆柱向下低降,引起上层陷落而成,因之火山口四周常有断层崖壁伴生,逐渐使火山火口穴壁扩大,形成大型的锅状火口。在沈降锅状火口中,有一种特殊形式,为锅形沈降(Cauldron subsidence)。 若有一块近圆形的岩块,沈陷于岩浆穴中,使岩浆受到挤压而沿垂直裂隙上升,造成环状岩墙,故在锅状火山口区可以发现有被蚀的環狀岩牆構造伴同存在。
火山构造洼地 一次火山喷发所喷出的浮石及熔岩物质,为量甚大,这些物质堆积于火山四周,增加对该地区地层的压力,而地层下方因大量岩浆喷出,经此压力遂更易城发生断层或褶皱陷落,造成洼地。印尼苏门答腊岛上有一洼地,威廉式认为是因为大量浮石喷出,引起地层大规模的陷落所成,其中一些洼地,积水形成土巴湖(Lake Toba)。在火山锥的斜坡上,常有许多深沟洼地,称为堑区(Sector Grabens),据进测乃是由于地下岩浆空虛,引起上方地块向下发生断层作用而成,若因断层作用向侧翼方面的移动较大,形成宽沟,則称为火山沟(Volcanic rents)。
3、火山高原及平原 火山喷发的区域若地势平坦可成熔岩平原(Lava plains),多数的熔岩高原及平原,都是由都是由基性熔岩组成,只有黃石高原和伊格尼布瑞高原富含酸性熔岩及火山凝灰岩。 若熔岩自一个中央火山口向外喷发流动,则所成者应为火山锥及谷状熔岩流,不易摊成一大片,因此这种熔岩外流应是很平靜的沿著许多裂缝漫溢出来,始能堆积成平原或高原。桑波瑞认为一个区域的火山喷发是否可以造成平原或高原,端视火山裂缝开阖的持久性而定,若岩层裂缝于张开未闭,则所成者为火山锥或火山穹窿;若旧缝关闭而新缝又开, 熔岩浆可以长期外流但不在同一地面堆积,则所成为熔岩高原或高原;大範圍的熔岩高原需要大量的裂縫始能形成,而盾狀火山(Shield volcano)的生成,则不需要這么多的火山口。
火山喷发形式
1908年克洛克斯(A.Lacroix)根据火山喷发的方式,将火山分成下列四类:
1、夏威夷式(Hawaiian phase) 此火山的喷发物为大量基性熔岩流,爆裂活动较少,熔岩自火山口流出,沿火山裂缝的斜坡向下慢流,形成火山岩烬。1942年夏威夷的末纳洛亚 (Mauna Loa)火山的爆发为此种火山范例。据麦克唐纳(G.A. Macdonald)的描述,该火山的喷发,分三阶段:
炽热熔岩喷出期:第一阶段,共持续数小時,熔岩流堆积形成薄层的熔岩流或低丘。
熔岩漫流期:本期火山口中仍陆续有熔岩流出,使熔岩层及低丘继续加厚。
喷气期:本期火山已成強弩之末,只有气体出现,数量亦锐減。
2、史冲包连式(Strombolian phase) 意大利西西里岛以北有黎八里群岛,史冲包力火(Strombo-li)为该岛群火山之一; 本式火山的喷发自有史以来一直未停,所喷出的基性熔岩流体较少,酸性碎片物质较较多,在空中形成黑烟状云,因经常有炽热火焰喷出,故此火山有海上灯塔之称。
3、伏尔坎宁式(Vulcanian phase) 伏尔坎诺亦为黎巴里群岛火山之一,但它喷发的方式又和史冲包力火山不同,所喷发的物质富含黏性,一旦接触空气,易凝结成固体,故在两次喷发之间,喷出的岩浆已凝结成硬壳,俟第二次喷发时又将凝成熔岩外壳冲裂成碎片,大量火山灰同大量气体向上冲出,在空中形成黑色花椰菜状云,这种乌云在黑夜易甚黑暗,表示云中物质并未白热化,故缺乏亮光。
4、皮连式(Neuees Ardentes) 本式火山的喷发较为猛烈,所喷出的乌云最为浓厚,喷发的物质黏性最大,一种极度灼热细灰和较粗的岩石碎片,混合著炽热的气体,合成一种乳汁状的物质,猛烈的向上冲去,形成白热光芒的云,此即著名的皮连云,亦叫做火山云。云中物质极不稳定,黏性亦大,等到积聚稍厚,上浮力继续支持它们在空中漂浮,加上重力的作用,乃以极大速度向下墜落,任何生物触及均将死亡。
世界火山的分布
世界上最主要的火山帶,系环绕太平洋的边缘分布,号称「火环」(Ring of Fire),计自南美洲安地斯山脉的智利起,向北经秘鲁、中美洲墨西哥、美国西部卡斯凯德山脉(Cascade range)、西北行至阿留申群岛、堪察加、千岛群岛、日本、琉球、台湾、菲律宾、西里伯斯、新几內亚、 所罗门群岛(Solomon Is.)、新喀里多尼(New Caledonia)、及纽西兰等。这一条火环大致和环太平洋的地震帶相一致,可称为地壳活动帶(Mobile Belt of Earth Crust)。
除这一条主要火山地帶外,尚有其它六区: 太平洋岛屿区:包括夏威夷群、及南美外海的加拉巴哥斯群岛(Galapagos Is.属厄瓜多尔)、侏恩费南迪诸小岛(Juan Fernandez Isles,属智利)。
南洋赤道区:包括帝文、爪哇、巴里及苏门达腊诸岛。 印度西侧:阿拉伯地区、马达加斯加岛及东非洲裂谷火山群。
地中海帶:由土耳其极东的阿拉雷特峰(Mt.Ararat)起,向西经意大利至大西洋上的亚速尔群岛、坎奈群岛(Canary Is.)等。 西印度群岛火山群。 冰岛及法罗群岛等零星地区。