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      为何海底火山不会被海水浇灭?海底火山从哪来?

      2022-12-25 来源:科普中国

        我们在灾难题材的影视作品中常常会看到这样的场景:海底的火山剧烈喷发,翻搅出可怕的涡流和巨浪……

        面对这个画面,很多人的脑海中都曾闪过这样的一个问题:

        为什么海底的火山不会被海水浇灭呢?

        01火山≠喷火的山

        在理解这个问题之前,需要先纠正部分人的错误印象。

        很多人在想起火山时,第一反应可能是一座高耸的锥形山,正在喷出粗大的烟柱——看上去就好像是一座正在喷火的山。

        而在火山喷发之后,大面积飘落的大量白色火山灰,也与我们常见的烟灰极为类似,都是细颗粒的灰尘,都是灰白色。

        所以很多人下意识认为火山=喷火的山。

        但如果我们拉近视角,近距离观察火山就会发现完全不是这样的。

        因为火山喷发出来的熔岩实际上是一种高温流体,在本质上与水并无差别,反而与火是截然不同的物质。

        许多熔岩的近距离照片都可以明显看出它们很多时候与液体无异。

        我们从小学习物理的时候就知道物质存在三种相态的变化:气体、液体、固体。与相态变化相关的则是熔点和沸点。

        以水为例,水的熔点是0℃,沸点是100℃,当温度低于0℃时,我们见到的固态水——冰;

        当温度处于0℃—100℃之间时,我们见到的是液态水;

        而当温度高于100℃时,我们见到的则是气态水——水蒸气。

        基本上所有物质都是这样,有熔点和沸点,并会随着温度而改变相态。

        岩浆则是熔融的岩石——由于岩石成分非常复杂,其内部不同成分的熔点和沸点均不一致,所以其实大部分岩浆是固液气混合物。

        而与之相比,火焰则是可燃物在燃烧过程中释放光和热以及各种化学产物的过程。

        在火焰中,主要物质成分是二氧化碳、水蒸气、氧气、氮气等气体。

        理解了火山喷出的是岩浆,而岩浆是高温熔融体而不是火这一点之后,我们应该就能理解:当海底火山喷发的时候,岩浆进入海水中其实就好像在冷水槽中通入热水一样,而不是从海底喷出的大火。

        冷水会让热水降温,但却无法像扑灭火焰一样,让热水消失,除非我们手动关闭热水水龙头。

        02海底火山从哪里来?

        所以问题到了这里就变成,既然海底火山如同一个不断喷出热水的水龙头,而海水又会让岩浆降温变成岩石。

        那么巨量的海水无疑能让喷出来的岩浆都凝固,从而堵塞火山口,让海底火山再也无法喷发吧?

        答案是不能。

        因为火山实际上是行星级别的热量和物质循环的产物,地球不死,火山就不会停止活动。

        整个地球其实是遵循着基本的物理和化学规律在运转的,这些规律并不深奥。

        比如火山的形成和活动,就可以用热力学第二定律来解释——听起来很专业,但它的其中一种表述(克劳修斯表述)却很贴近我们的生活:热量总是自发地从高温热源流向低温热源,而不是相反。

        如果追溯地球46亿年的演化历史就会发现这一规律的作用:

        大约46亿年前,地球在无数星子的碰撞中逐渐诞生,碰撞的能量转换为热量。

        因此,当时的地球是一个巨大的岩浆球(整个或大部分地表都是岩浆),其表面温度高达数千摄氏度。

        无数小行星的撞击下地球就是一个红彤彤的岩浆球,图片中的环状就是撞击产生的。

        随后,由于岩浆是可流动的,因此重的物质下沉,轻的物质上浮(看,这里又是一条物理规则)。

        重的物质下沉时,重力势能会转化为热能;同时,原本分散在星子中的放射性元素也因此而聚集在一起,不断进行衰变,同时释放出能量。

        这些能量让地球内部的岩浆一直处于加热状态。

        但与此同时,由于宇宙背景温度很低,平均为-270℃,所以地球以热辐射的方式不断向外传递热量(热量传递三种方式:

        热传导、热对流、热辐射,但宇宙中为真空,没有介质,所以地球只能以热辐射形式向外传递热量)。

        既然传递了热量,那么地球肯定要降温——地表最先降温,于是这里的岩浆就会先冷却下来形成岩石,这就是最初的地壳了。

        到了现在,地球已经演化出地壳、地幔、地核三层结构,其温度也是从地壳到地核越来越高。

        同时,因为重的物质不断下沉,导致其密度也是越来越高的——地壳平均密度2.8g/cm3,地幔平均密度4.59 g/cm3,地核平均密度11 g/cm3。

        所以我们也可以认为地壳就是“漂浮”在地幔之上的——就跟木板漂在水上一样。

        到了这时候,我们就可以把地球想象成一个火锅——

        地核是火炉,能量来源于重力势能以及放射热能;

        地幔是火锅汤底,因为火炉的炙烤不断升温;

        地壳则是漂浮在最上层的白菜帮子。

        在地核加热下,地幔不断产生热对流——热的地幔从地核处往上运动,冷的地幔物质从地壳之下往下层钻。

        而地壳部分相对于地幔和地核非常薄,地壳平均厚度只有17千米(大陆地壳33千米,海洋地壳10千米),就算加上上地幔顶部部分固态岩石后组成的岩石圈,其厚度也只有100千米左右。

        与之相比,地幔厚度则高达2850千米,因此,在地幔运动的带动下,这些薄薄的固态岩层必然会被撕裂开来,并随着地幔而运动——

        就好像火锅上的白菜帮子会因为火锅汤底的翻腾而运动不休一样。

        被撕裂的地壳的各个部分就变成了板块,而随着地壳的运动,板块之间也会运动起来,有些板块之间相互碰撞,有些板块之间相互分离。

        从常识就能知道,这些相互分离的板块边界处又薄又脆弱,其下的地幔物质也很容易突破岩层的封锁,喷出地表——

        这样就会沿着板块边界形成一长溜火山带。

        而随着板块之间分开的越来越远,板块边界处火山喷发后的岩浆冷却,就形成了薄薄的地层,也就是洋壳。

        由于这里相对于板块内部地层薄很多,因此自然就是低洼地带,所以就会积水形成海洋。

        事实上海洋也就是这么形成的,而海洋的形成也与板块运动息息相关。

        我们在目前的地球上就能找到各个生长阶段的海洋:

        裂谷-小洋盆-成熟的洋盆-消亡阶段的洋盆-死亡即将闭合的洋盆-完全闭合的洋盆。这在地质学中被称为威尔逊循环。

        所以,海底火山实际上就是板块运动的结果,其中绝大部分海底火山都位于板块分离的边界。

        从二战以后,随着人类对海洋探索的深入,我们已经发现了漫长的海底火山带,它们大多位于海洋中间的位置,被称为洋中脊。

        它们是世界上最长的山脉,总长度约有8万千米。

        当然,还有另外一些海底火山。它们的形成与地幔热柱的活动有关系。

        在地幔处并不是处处均匀受热的,其中部分地幔物质要比其他地方热很多,热了就会向上跑,于是它们就会形成直达地壳之下的地幔热柱。

        地幔热柱顶端可能还会分出不少分支小热柱来,它们的活动也会顶破薄薄的洋壳的束缚,成为不断喷涌的海底火山。夏威夷岛链的形成就与此有关。

        但无论是板块边缘,还是地幔热柱,火山的形成都是地球内部热量循环的结果,仅靠地表这薄薄的一层海水是无法让地球内部停止活动的。

        所以说,大家就不必为海底的火山而担心啦!

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      责任编辑:栗子
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