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作者：liweiran

編輯：Yuki

一提到火山噴發(fā)，人們想到的第一個(gè)詞語也許是“危險(xiǎn)”，但是，2019年7月19日晚，位于 意大利西西里島的埃特納火山 的一次噴發(fā)，更稱得上是美麗的 —— 從火山腳下的卡塔尼亞城遠(yuǎn)眺，火焰般的巖漿沿山坡流淌，仿佛鳳凰降臨人間。

（7月19日西西里島埃特納火山噴發(fā)的巖漿流下山坡 | U / Porodicnostablo）

火山噴發(fā)常常造成各種各樣的災(zāi)害，而這次埃特納火山的噴發(fā)，雖然沒有危及附近居民的生命安全，但噴發(fā)形成的火山灰導(dǎo)致卡塔尼亞城的兩座機(jī)場(chǎng)關(guān)閉了一夜。

(埃特納火山7月19日噴發(fā)形成的火山灰 | thelocal.it)

不過，這與2010年冰島艾雅法拉火山的那次噴發(fā)相比，明顯溫柔了太多。那次發(fā)生在冰島的噴發(fā)產(chǎn)生約9公里高的火山灰氣柱，噴發(fā)的爆發(fā)指數(shù) （VEI） 達(dá)到了4級(jí)（公元79年覆滅龐貝古城的維蘇威火山噴發(fā)指數(shù)為5級(jí)）。火山灰導(dǎo)致約20個(gè)國家的機(jī)場(chǎng)被迫關(guān)閉一周，約一千萬乘客的出行受到影響 [1] 。

(從直升飛機(jī)上看2010年冰島艾雅法拉火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰氣柱 | wired)

那么，為什么埃特納火山噴發(fā)產(chǎn)生的災(zāi)害較冰島的火山噴發(fā)來說，要小得多呢？ 原因就藏在不同火山所處的不同地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，以及它們不同的噴發(fā)形式之中。

“溫柔”的溢流式火山

埃特納（Etna）是一座海拔約3300米的 復(fù)合型火山 （stratovolcano），也是歐洲境內(nèi)最高、活動(dòng)最頻繁的火山。它坐落于西西里島東部，東南側(cè)山腳是擁有大約三十萬人口的西西里島第二大城市卡塔尼亞（Catania），東北側(cè)山腳距離電影《教父》的取景地薩沃卡（Savoca）小鎮(zhèn)不過30公里路程。

(西西里島上的埃特納火山，以及教父的拍攝地薩沃卡小鎮(zhèn)（圖中紅色圓點(diǎn)所示）| 谷歌地圖)

作為歐洲噴發(fā)最頻繁的火山，埃特納火山在過去的四十年中平均每?jī)赡陣姲l(fā)一次。關(guān)于它的噴發(fā)的歷史記載，甚至可追溯至距今約3500年前。而埃特納火山之所以如此活躍，是因?yàn)樗幵诜侵薨鍓K與歐亞板塊的交界處的俯沖帶上。除此之外，埃特納火山的東側(cè)還有一個(gè)叫做Malta escarpment的大型 走滑斷層 [2] 。這個(gè)斷層加劇了 軟流圈 的上涌，更促進(jìn)了巖漿向地表移動(dòng)，使得埃特納的噴發(fā)活動(dòng)不斷。

(埃特納火山的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造示意圖 | 參考文獻(xiàn)[2])

與埃特納火山類似的俯沖帶成因的火山，還遍布于太平洋沿岸的很多國家，比如日本，菲律賓，印度尼西亞，新西蘭，美國。這些位于太平洋板塊邊緣的火山共同組成了著名的“環(huán)太平洋火山帶”（Ring of fire）。

(環(huán)太平洋火山帶“Ring of Fire”（圖中紅點(diǎn)為火山）| USGS)

雖然埃特納火山的噴發(fā)活動(dòng)頻繁，但它還算是一座比較“溫柔”的火山：和脾氣火爆的“同胞”維蘇威火山曾經(jīng)覆滅整座龐貝古城的普林尼式（Plinian eruption）噴發(fā)不同， 埃特納火山通常是像擠牙膏一樣，把巖漿從火山口或山坡的裂隙中“擠”出，形成典型的“溢流式噴發(fā)” 。這些流出的巖漿二氧化硅含量較低，成分以 玄武巖 （basalt）為主，因此黏度比較小，和快餐店的番茄醬差不多。這些巖漿通常以熔巖流（lava flow）的形式沿山坡流下。

(埃特納火山噴發(fā)后巖漿從冰雪覆蓋的山體上流下| https://ounews.co/science-mct/volcano/)

這種黏度類似于番茄醬的玄武質(zhì)巖漿，還常見于夏威夷的火山噴發(fā)中。皮克斯動(dòng)畫工作室曾以夏威夷的火山噴發(fā)為背景，制作了一部有趣的動(dòng)畫短片“I lava you” [3] 。

山也包不住火？

山坡上流出的巖漿

大部分復(fù)合式火山的噴發(fā)都發(fā)生于位于山頂?shù)幕鹕娇冢Ｌ丶{火山的獨(dú)特之處就在于，巖漿不僅可以從它“頭頂”的四個(gè)火山口涌出，還能從山坡上的裂隙中鉆出地面，這樣的噴發(fā)被稱為“裂隙式噴發(fā)”，每次噴發(fā)可持續(xù)數(shù)小時(shí)，甚至超過一年的時(shí)間。

(衛(wèi)星圖像顯示2018年12月發(fā)生于埃特納火山東南側(cè)山坡噴發(fā)形成的巖漿 | NASA)

這種特殊的發(fā)生于山坡上的“裂隙式噴發(fā)”，與埃特納火山所處的地質(zhì)區(qū)域內(nèi)存在很多活動(dòng)斷層和裂隙有關(guān)。等待噴發(fā)的巖漿就像機(jī)場(chǎng)等待安檢的旅客一樣，如果通往火山口的路途比較擁堵（可能堵塞著以往噴發(fā)遺留下來的巖石），而位于山坡上的裂隙（“VIP通道”）暢通無阻的話，那么巖漿就會(huì)“偷懶”選擇VIP通道。對(duì)埃特納火山來說，這些“VIP 通道”大部分處于火山的東面和南面，因此，在過去的二十年中，發(fā)生于山坡上的裂隙式噴發(fā)大多數(shù)發(fā)生在這些地帶。由于這樣的“VIP通道”不止一條，巖漿便可以“任性”地選擇從不同的通道經(jīng)過。

(埃特納火山所處地區(qū)的主要斷層（fault）和裂隙(fissure) 分布圖 | 參考文獻(xiàn)[4])

堤壩反擊戰(zhàn)

在火山噴發(fā)的巨大能量面前，最容易的自保方式自然是逃跑。然而，雖然人可以逃跑，但是家園卻很可能被經(jīng)過的溫度達(dá)到數(shù)百甚至上千攝氏度的巖漿毀滅。與其他“脾氣火爆”的火山不同，“溫柔”的埃特納火山曾經(jīng)給予了人類除逃跑之外的另一種防御形式——修建堤壩，阻隔巖漿。

由于埃特納火山是著名的觀光景點(diǎn)，它的南坡上有很多為服務(wù)游客而修建的房屋及設(shè)施，每一次南坡噴發(fā)都可能摧毀這些設(shè)施，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，當(dāng)?shù)卣?983年，1991-1992年和2001年， 根據(jù)每次噴發(fā)開始后巖漿的走勢(shì)，預(yù)測(cè)它們的去路，在巖漿抵達(dá)房屋之前，利用周圍的碎石和以往噴發(fā)形成的火山礫，修建起幾米至十幾米高，數(shù)十米寬，幾百米長的人工堤壩，意在阻擋巖漿的繼續(xù)肆虐。

然而，由于噴發(fā)剛開始時(shí)，熔巖流涌動(dòng)的速度較快，離噴發(fā)位置比較近的堤壩大多失敗了——巖漿通常能越過堤壩，繼續(xù)前進(jìn)。然而， 隨著火山活動(dòng)逐漸減弱，熔巖流由于長度跋涉，前進(jìn)的勢(shì)頭也逐漸減弱，速度減慢，這些人工堤壩便開始發(fā)揮作用 。

最成功的一次利用人工堤壩阻擋巖漿的事例就發(fā)生在2001年7~8月埃特納火山的噴發(fā)期間。從當(dāng)年的7月17日開始，巖漿從火山口南側(cè)海拔約3000米到2100米的六處裂隙中相繼涌出地面。海拔較低的幾次噴發(fā)由于離人類活動(dòng)區(qū)更近，對(duì)附近的房屋設(shè)施產(chǎn)生了很大威脅。因此，從噴發(fā)的第五天起，當(dāng)?shù)卣o急決定展開堤壩反擊戰(zhàn)，在巖漿最可能的去路上，陸續(xù)修建了 13個(gè)最長約400米的人工堤壩。

(2001年7月埃特納噴發(fā)期間，人們使用附近的碎石和火山礫建造堤壩來阻止巖漿侵襲 | 參考文獻(xiàn)[5])

在這次噴發(fā)期間，雖然最初修建的幾個(gè)堤壩沒能阻止巖漿前進(jìn)，后期修建的幾個(gè)堤壩卻成功地阻止了巖漿的繼續(xù)肆虐，保住了游客中心的所有建筑。更幸運(yùn)的是，七月底開始，火山的噴發(fā)勢(shì)頭減弱，巖漿流動(dòng)速度變慢，在抵達(dá)兩個(gè)村子前就停下了腳步，本已計(jì)劃好的離火山距離更遠(yuǎn)的幾處堤壩也就不用再修建了。由于修建這些堤壩是就地取材，其成本仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于重建游客中心需要的費(fèi)用，埃特納的“堤壩反擊戰(zhàn)”也變成了少見的人類對(duì)抗火山噴發(fā)災(zāi)害的成功案例。

(2001年噴發(fā)期間修建于埃特納火山南坡的幾個(gè)人工堤壩。其中三個(gè)堤壩（B3，B4，B5）幾乎完全被熔巖流覆蓋，而另外三個(gè)堤壩（C2，C3，C4）則成功地阻止了巖漿抵達(dá)游客中心 | 參考文獻(xiàn)[5])

火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)體系

埃特納火山地處地震頻發(fā)地帶，地震也可能促成火山的噴發(fā)，甚至引起山體滑坡，威脅到周圍居民的安全。這些潛在的災(zāi)害使得火山學(xué)家們必須24小時(shí)關(guān)注埃特納火山的活動(dòng)情況。所幸， 設(shè)置在埃特納火山的監(jiān)測(cè)體系稱得上是世界范圍內(nèi)最完善的監(jiān)測(cè)體系之一 。意大利國家地球物理與火山學(xué)研究所（簡(jiǎn)稱INGV）的科學(xué)家們?cè)诎Ｌ丶{的火山口、山坡、以及周圍地區(qū)，設(shè)置了一系列地震儀，測(cè)斜儀，GPS，氣體測(cè)試裝置，以及各類影像設(shè)備，用來時(shí)刻監(jiān)測(cè)火山活動(dòng)。在這一系列監(jiān)測(cè)手段之中，火山口釋放的氣體的化學(xué)成分可以說是最能顯示巖漿活動(dòng)的指標(biāo)了。火山學(xué)家們利用這些氣體中二氧化碳和二氧化硫含量的比例，可以推算出地下巖漿釋放氣體時(shí)的大概深度 [6] ，從而估算出巖漿可能到達(dá)地表的時(shí)間點(diǎn)，為噴發(fā)的到來做好準(zhǔn)備，并且在必要的時(shí)候做出噴發(fā)預(yù)警。

(采集火山噴發(fā)前釋放氣體的成分的幾種測(cè)試儀器 | flickr)

當(dāng)然，僅僅依靠火山噴發(fā)前釋放的氣體成分，還不足以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)噴發(fā)，火山學(xué)家們通常還會(huì)綜合其他監(jiān)測(cè)儀器（比如地震儀，GPS）采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并且對(duì)比以往噴發(fā)前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來做出更準(zhǔn)確的判斷。為了給火山的偶爾“淘氣”買單，科學(xué)家們?nèi)匀辉谂﹂_發(fā)新技術(shù)，相信在未來某日，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)火山噴發(fā)終會(huì)實(shí)現(xiàn)，人類也許會(huì)擁有足夠的智慧，找到與地球長久相處的方式。

作者名片

排版：陳小磚

參考文獻(xiàn)：

[1] 《冰島七火山： 地質(zhì)版“冰與火之歌”》原文鏈接： https://www.guokr.com/article/441725/

[2] Kahl, M., S. Chakraborty, M. Pompilio, and F. Costa (2015), Constraints on the nature and evolution of the magma plumbing system of Mt. Etna volcano (1991–2008) from a combined thermodynamic and kinetic modelling of the compositional record of minerals, J. Petrol 56, 2025–2068.

[3] “I lava you”背后的科學(xué)故事請(qǐng)閱讀 https://www.guokr.com/article/441382/

[4] Patanè, D., M. Aliotta, A. Cannata, C. Cassisi, M. Coltelli, G. Di Grazia,P. Montalto, and L. Zuccarello (2011), Interplay between tectonics and Mount Etna’s volcanism: Insights into the geometry of the plumbing system, in New Frontiers in Tectonic Research—At the Midstof Plate Convergence, edited by U. Schattner, pp. 73–104, In Tech, Croatia.

[5] Barberi F, Brondi F, Carapezza ML, Cavarra L, Murgia C (2003) Earthen barriers to control lava flows in the 2001 eruption of Mt. Etna. J Volcanol Geotherm Res 123:231–243.

[6] Aiuppa, A., Moretti, R., Federico, C., Giudice, G., Gurrieri, S., Liuzzo, M., Papale, P., Shinohara, H., Valenza, M., 2007. Forecasting Etna eruption by real time evaluation of volcanic gas composition. Geology 35 (12), 1115–1118.