海底火山是如何喷发的？

Daphane

来源：科学媒介中心


斯特隆博利岛（图源：popsci.com）


海底火山（Submarine Volcano）是指在浅海或大洋底部形成的火山。海底火山隐没于水下，随着火山不断的喷发，熔岩逐渐向上堆积，火山也缓慢地向上生长，水下就会形成山丘、石柱。　　历经数千年甚至数万年后，当隐藏在水下的火山露出海面时，就形成了火山岛，例如意大利的斯特隆博利岛（Stromboli）或加那利群岛的一些岛屿。
　　最大的盾状火山
　　地质学家一直认为，夏威夷群岛上最具文化意义且活跃的冒纳罗亚火山（Mauna Loa），是世界上最大的盾状火山。然而，夏威夷大学马诺阿分校海洋与地球科学技术学院的迈克尔·加西亚（Michael Garcia）团队通过建模和综合测量，得出了新的结论：Pūhāhonu是地球上最大、最热的盾状火山。
　　Pūhāhonu位于夏威夷檀香山西北952公里处，能看到的只有浮出海面的加德纳峰（Gardner Pinnacles）。这座看起来贫瘠的山峰，最高点海拔约为52米，海面以下便是火山喷发的熔岩经过长期堆积形成的山峰。



露出海面的加德纳峰（图源：NOAA）

2020年5月8日，迈克尔团队在《地球与行星科学通讯》发表文章称，Pūhāhonu火山的镁橄榄石（Fo）含量是夏威夷熔岩中含量最高的，约为91.8%。要知道，镁橄榄石含量越高，熔岩的熔点就越高。　　在这项研究中，研究人员利用声纳和重力探测器测量了Pūhāhonu火山的整个地形。研究发现，Pūhāhonu火山的体积约为150000立方千米，是冒纳罗亚火山体积的两倍多。露出海面的加德纳峰只占整个Pūhāhonu火山的30%，而且自1400万年前火山形成以来，Pūhāhonu已经使其下方的地壳下沉了数百英里。
　　夏威夷大学在1972年和1976年分别对这座火山进行了挖掘，美国矿产管理局在1984年又进行了两次挖掘。研究人员对岩石的主要成分和微量元素进行分析，发现Pūhāhonu的熔岩是碱性玄武岩和拉斑玄武岩（即亚碱性玄武岩）。



Pūhāhonu和西Pūhāhonu的等深线图，四个玫红色标记是1972年、1976年和1984年在Pūhāhonu进行挖掘的位置。（图源：sciencedirect.com）


此外，研究人员还检测了从火山不同部位收集的橄榄石样本（岩浆冷却并结晶时形成的一种矿物），并根据橄榄石的成分推断出火山岩浆结晶前的温度。Pūhāhonu岩浆初次流动时的温度约为1700℃，是地球上有记录以来最热的岩浆。　　海底火山的喷发机制
　　大多数火山喷发都发生在海洋底部，直接观测和采样的数量有限。但近年来的研究表明，海底火山活动不仅会沉积熔岩，而且会喷射出大量的火山灰。
　　德国巴伐利亚州朱利安·马克西米利安大学（JMU）物理火山实验室主任Bernd Zimanowski教授说：“海底火山喷发被认为是不可能发生的，因为水层会产生巨大的压力，从而阻止有效地排气。但我们认为，即使是在几千米深的水层之下，也一定存在某种导致岩浆‘爆炸’解体的机制。”
　　2020年6月29日，由James White（新西兰）、Pierfrancesco Dellino（意大利）和Bernd Zimanowski（JMU）率领的国际研究小组首次解释了这种机制，研究结果发表在《自然地球科学》杂志。


（图源：nature）


研究人员对位于新西兰西北部海平面以下约1000米深处的Havre Seamount海底火山进行了研究，研究发现Havre火山喷发、岩浆发生爆炸是由于滚烫的岩浆和冷水之间的相互作用（即诱导燃料和冷却剂之间的相互作用）导致的。　　Havre火山喷发形成了浮石状的“浮毯”，其面积扩大到约400平方千米。研究人员利用潜水机器人检查了海床上的火山灰沉积物并采集了样本，发现了超过1亿立方米的火山灰。
　　随后，研究人员在JMU物理火山实验室进行了海底火山喷发的模拟实验。研究人员将熔融材料置于坩埚（直径为10厘米）的水层下面，使其发生变形，并且变形强度与岩浆从海底涌出时的强度相同。
　　当裂缝形成后，水会突然喷射到真空中，发生爆炸性膨胀，颗粒和水均被爆炸性喷出。随后，研究人员利用U形管，将喷出的颗粒和水导入到水池中，来模拟水下的冷却状况。
　　研究人员将实验产生的“人造火山灰”颗粒与采集的样本进行比较，发现“人造火山灰”在形状、大小和成分上都与天然火山灰相符。
　　实验表明，岩浆冷却的过程中，形成的裂缝引起了水和岩浆之间的相互作用，冷却剂（水）可以渗透到这些裂缝中，从而引发爆炸。
　　研究人员表示，无论压强多大，无论在地表还是深海中，诱导燃料和冷却剂之间的相互作用可以发生在一系列潮湿的环境中，并且适用于岩浆和水以外的其他物质。