地球的力量——火山

2008-09-05科学世界

走近科学 2008年9期

关键词：熔岩雪球火山

科学世界

我们的行星——地球，这是一个神奇的千变万化的世界，充满着各种自然奇观。但是地球本身还有比自然景观更奇特的东西。那就是大自然的力量:火山、大气、海洋......

火山，地球系统的一部分，它们一直在改变着地貌，在很大程度上决定了地球的生命起源。在地球面临最大危机的时候是火山拯救了地球，它们甚至和生命相互依存，给地球生物提供了适宜生存的环境。

非洲东部的埃塞俄比亚是地球上最偏僻最炎热的地方之一。火山在这里持续不断地喷发岩浆，这里的火山活动比地球上其他地方都要活跃得多。当地人称它为冒烟的山（图1）。全世界的科学家们都到这儿来研究这个火山,看看这里独一无二的景象。

（1）火山持续不断地喷发岩浆，被称为冒烟的山

克利弗（地质学家）:埃塞俄比亚的这个火山大概是地球上最具特点的火山之一。它是一个熔岩湖，地球上极为稀有。地球内部不断喷射熔岩补充，而形成一个永久的熔池。

在这里，科学家发现了一个揭示地球内部力量的窗口。

克利弗:对它的研究只是在最近40多年才开始的，在我的一生中我有幸看到了许多火山，但是我从没有见过在火山口能够形成一个永久的熔岩湖，为什么这个火山这么特别？要明白这个原因，我们需要下到火山口近距离地观看熔岩翻滚。

通过研究熔岩湖，科学家们想更多地了解地球内部热气的巨大力量。夜晚降临了，火山开始显露它的秘密。当熔岩湖开始加速运动的时候，一些有意思的事发生了：熔岩的运动遵循一种非常独特的模式。它从火山口的一边涌出来，当它冷却下来之后，便形成一层黑色的硬壳。然后，在湖面下岩浆运动的作用下，这个硬壳在熔岩湖的表面移动。最后，硬壳块又沉落下去。

克利弗:我们在这里看得见熔岩温度非常高，它提醒人们地球内部温度极高，正是这种炽热为地球内部的运动提供了能量（图2）。

（2）炽热的，不断涌动的熔岩

熔岩不断涌动的这个过程影响了地貌。但是地球的热气并不仅仅是为火山提供燃料。它持续不断地改变着这个星球的表面，并为地球上的复杂生命的产生创造条件。非常简单。在这个星球上，没有比它更有力量的了。

为了了解我们星球内部的巨大热源从何而来，我们必须回到45亿年前。那是地球诞生的时刻：体积差不多大的巨石在围绕太阳转动的同时不断发生碰撞。这种碰撞产生巨大的热量，这些岩石也给地球带来了大量的放射性元素（图3）。

（3）地球形成早期:巨石碰撞产生巨大热量。当地球外层冷却下来，强大的热源被包裹到炽热的地核中

最终，当星球的外层冷却下来，这些强大的热源被包裹到炽热的地核中。地球的中心大约有4500℃，和太阳表面一样热。这就是地球巨大热量的来源。捕获在地球内部的巨大的热量至今仍然使火山不断喷发，仍然不断地释放着令人无法想象的巨大热量。

在经历过45亿年后，这种热量还大量存在。地球内部的热能使地表处于不断运动状态，创造了不断变化的自然景观。不像太阳系的其他行星，地球是一个不断毁灭又不断重生的世界。

地壳表面分成7大板块，剥离掉大西洋你会看到两个板块间，长长的分界线沿着海底一直延伸到海岸上，穿过冰岛。岩层曾经是连在一起的，但是由于地壳运动被撕裂开形成了一个巨大裂缝。只有地球内部的热能有这种力量分裂大陆。

地球内部的热量加热熔岩使它往上升，熔岩在靠近地表的地方朝两个方向散开，各自往一侧涌动，这时它的热量开始散失。最终，温度稍低的熔岩沉下去了。通过这种扩散过程使地壳慢慢地被牵引开来，使陆地开始移动。

2.25亿年前，我们的地球看起来和现在是很不一样的，那时所有的大陆是连在一起的，是一整块的巨大陆地，也叫作盘古大陆。当大陆漂移时这块巨大的板块破裂开来，新的海洋形成了。这样就形成了我们今天的世界。但是大陆板块从来就没有停止漂移，在遥远的将来大陆板块将会重新结合成一个新的巨大的板块。

我们已经看到了板块分裂时发生了什么，但是当它们互相碰撞的时候，给人的印象会更加深刻，地球板块互相碰撞形成了雄伟壮丽的山脉。

当新西兰还是散落的小岛的时候发生了什么呢？太平洋板块和澳大利亚板块互相碰撞使这些小岛被连在一起，形成了我们今天熟知的新西兰版图（图4）。在碰撞地带大地变得崎岖不平形成了一座山脉。

（4）太平洋板块与澳大利亚板块碰撞后，使散落的小岛连在了一起

世界上所有的雄伟的山脉都是像这样在板块碰撞时形成的，当你从太空中往下看时，你会发现地球表面是皱皱巴巴的，有欧洲的阿尔卑斯山脉、南美的安第斯山脉以及中亚的喜马拉雅山脉（图5）。

（5）从太空中看到地球表面皱皱巴巴的

它们相对来说比较年轻，是在最近的板块碰撞中形成的。

地震具有让人毛骨悚然的破坏力，整个城市会在瞬间被摧毁，地球板块在创造雄伟的山脉时就会发生地震。

这一过程重复了上千万年，使喜马拉雅山脉变成了地球上最雄伟的山脉，而地球内部的热能还在推动着山脉不断地增高。

这些巨大的山脉处于持续不断的被攻击中，时间一长一种力量也许可以把它们完全摧毁，那种力量是水，听起来这似乎不太可能。

水的力量是惊人的，只有当你在和激流做斗争的时候你才会明白河流的力量会有多大，河流把峡谷切开了，并且无情地侵蚀着岩石，峡谷在进一步变深。河流不仅仅侵蚀着岩石，它们还把山上的碎石运到大海里。它们的运送量是巨大的。

在南美洲，亚马孙河每年从安第斯山脉带走的碎石多达20亿吨，然后把它们沉积在大西洋。

在印度次大陆上，恒河从喜马拉雅山起源，每年大约要侵蚀掉10亿吨岩石，顺着河床往下移动3千公里沉积在印度洋里。

如果不是板块运动建造着山脉，水也许最终会把地球上的陆地都侵蚀磨平。世界因为这两种永恒的运动在不断地变化着。

地球内部热能还以另外一种方式使地球发生着巨大的变化。

在地球形成早期，它看起来是很不一样的。土地是热的，火山运动永远地活跃着。地底的泥土带来许多化学物质，有毒气体从热气腾腾的池子里面冒出来。对我们来说早期的地球像炼狱一般。

但也正是火山运动创造了适宜的环境，有了这样的环境，地球历史上许多重要的变化才发生了。

火山给年轻的地球表层提供了热量、水以及丰富的化学物质。正是这些结合在一起，为地球发生惊人的变化创造了条件。没有人确切地知道这是怎么发生的，大约40亿年前地球成为了生命的摇篮。

布鲁斯·毛顿（专家）:没有时光机器能让我们回到从前，我们唯一能做的就是看看那些我们认为和以前相似的东西，这些温泉和地球早期存在的物质非常非常地接近，水温达到70℃，如果你把手指放进去的话，你一定会烧伤手的。温泉里充斥着有毒的硫化氢气体和少量的砷。

这里面有成千上万的有机物，它们形成了橙红色的纤维质。对于橙红纤维质里面的微生物来说，含毒性化学物质的水是极富营养的汤。

在地球早期这样的池子非常普遍，火山运动为生命的出现提供了必须的化学物质。在地底深处有着炽热的岩浆体，岩浆本身也在释放气体。比如二氧化碳和二氧化硫，这些都为细菌提供了食物，所以火山像是一个供应链，提供了所有原料，它们为整个进程提供了动力。

还有一个理论认为火山创造了另外一个地方，生命有可能在那里开始。比如说热液出口，这些热液出口也是火山运动的结果，但是它们是在海底深处发现的（图6）。这个理论支持了生命多样性的观点。但是人们认为在10多亿年前，热液出口产生的化学物和高温相结合刺激了生命的产生。

（6）海底深处的热液出口也是火山运动的结果

但是火山远远不只是刺激了生命的产生，它们在孕育和保护生命方面起了至关重要的作用。

在地球的幼年，太阳不像今天这样温暖，实际上要比现在冷30%。照耀着这个行星的是比较弱的阳光，地球处在冰冻的危险中，是火山温暖了年轻的地球。但也并不是你想象的那样，喷出的熔岩并没有使地球全部地方变暖，是火山喷出的二氧化碳使地球变暖了。

今天我们认为二氧化碳是一种危险的气体，是温室效应的罪魁祸首。实际上二氧化碳对地球来说是至关重要的，它能使热量保留在大气层而不散失到太空中。二氧化碳是个双刃剑。

再看看我们的邻居火星。火星就是一个冰冻的荒地，平均温度只有-60℃，就是因为火星大气层没有足够的二氧化碳来保持温暖。另外一个极端就是金星,它表面的温度热得足以融化铅，不仅仅是因为离太阳近，而是因为金星的大气层中的二氧化碳含量比地球大上几千倍。

早年的地球火山喷发现象比现在要多得多，因为地心太热了，火山运动提供了足够的二氧化碳弥补了阳光的不足，使年轻的地球没有被冰冻起来，因而使早期的生命幸免于难。

但这还不是火山为地球所做的全部，大概6亿年前火山运动还推动了地球历史上生物进化的飞跃。

澳大利亚的鲨鱼湾是地球上最古老的生命的发源地。这些奇怪的圆拱形物是由一层层细菌组成的，叫作叠层石。在地球历史很长一段时间里它们是地球上最高级的生物（图7）。

（7）澳大利亚鲨鱼湾的这些奇怪的圆拱形物是由一层层细菌组成的，叫作叠层石。在地球历史很长一段时间里它们是地球上最高级的生物

大约7亿年前地球开始变冷，冰河时代开始了。地球即将进入漫长的冬季。这一时期被称为雪球地球，因为整个地球就像冰雪覆盖的大雪球一样。

到木星去看看你就会明白那时的地球看起来是什么样的（图8）。

（8）被冰雪覆盖的木星就如同雪球地球时期的地球

那时的海洋曾经被数百米厚的冰层覆盖，有的地方的厚度甚至有1公里左右。即使在最温暖的地区，气温也不过才－20℃～-25℃，到处冰天雪地。

在雪球地球时期，最可怕的事情是地球将永远被困在大冰窖中，一旦冰雪完全覆盖地球，阳光的热量就会被折射到太空中，那么地球将不会再变暖了。

拯救了地球的是火山，即使冰雪覆盖了整个地球,火山还是会继续喷发（图9）。

（9）火山冲破冰雪的覆盖

随着火山的不断喷发，大气层里面的二氧化碳含量不断增多。

直到大约6.3亿年前，二氧化碳层开始变得很厚能够捕获足够的热量，把地球从冰雪天地里解救出来。

开始解冻了。地球上刮起了猛烈的暴风雪，几百年中地球经历了历史上最极端的气候变化，冰房子变成了热房子，温度从－50℃变到了50℃。

幸运的是随着地球气候的逐渐稳定，地球开始变得正常，一些袖珍型生物幸免于难。经历过漫长的雪球地球时期存活下来了。

在雪球地球时期结束后很短的时间里，生命的历史发生了变革，大约5千万年前埃迪卡拉生物群生活在海洋里，它们不用争夺食物。慢慢地它们进化成更复杂的动物。这些动物现在有坚硬的骨架和外壳，有大爪子和保护盔甲。地球从一个柔软和平的伊甸园变成了野蛮的你争我抢的世界，激烈的战争使得进化的速度越来越快。

埃迪卡拉生物群是进化史上一个重大的飞跃。

在20多亿年前，微生物占统治地位。现在，复杂的多细胞生物衍变成了纷繁复杂的新物种（图10）。这些动物和植物从占领海洋开始抢占陆地和天空。

（10）图组:雪球地球时期结束后，生命的进化有了重大的飞跃：复杂的多细胞生物衍变成了纷繁复杂的新物种

火山结束了恐怖的雪球地球时期，这之后导致了一场进化大飞跃。但是在地球生命史上力量无穷的火山还有一个更重要的角色要扮演。这个角色对地球仍然是至关重要的，那就是为了使地球上的生物存活下来。火山和生物之间结成了一个不可思议的共同体，它们共同调节了地球的温度。意大利埃特纳这样的破坏性的火山，实际上它可以通过控制大气中的二氧化碳含量来调节地球的温度。这个过程开始于一个大家意想不到的地方。

海洋中有很多被称作浮游动物的微小生物，用显微镜才可以看到它们的个体，但是当它们聚集在一起时数量很大

可以看到每年它们都大量地繁殖，所以海洋呈现出绿色。正是由于浮游生物如此之多，它们可以帮助改善地球的气候。海洋从大气中吸收二氧化碳，浮游生物依靠二氧化碳来生存。当这些浮游生物死了以后它们沉到海底，并在这儿待上上千年，慢慢地它们就变成了石头（图11）。这样大量的二氧化碳，这种让我们的星球保持温暖的气体从大气中脱离出来，保留在海底。