地球的灵魂-火山 （课件）.pdf

刘 嘉 麒 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地质与地球物理研究所 liujq 地球的灵魂地球的灵魂火山火山 西方以罗马神话中火神武尔卡（Vulcan）的名字称呼这地下冒火的现象 （ The Roman’s god of fire, vulcano, lived in vulcano in the Lipari Islands ）。在中国 山海经 有“炎火之山”之说；魏 书西域列传中记有“般悦国火山”；顾祖禹 的读史方与纪要 中，在河曲县下专列“火山”一节，记述为“火山，在县西五里，黄河 东岸，山上有孔，以草投孔中，烟焰上发， 西方以罗马神话中火神武尔卡（Vulcan）的名字称呼这地下冒火的现象 （ The Roman’s god of fire, vulcano, lived in vulcano in the Lipari Islands ）。在中国 山海经 有“炎火之山”之说；魏 书西域列传中记有“般悦国火山”；顾祖禹 的读史方与纪要 中，在河曲县下专列“火山”一节，记述为“火山，在县西五里，黄河 东岸，山上有孔，以草投孔中，烟焰上发，可熟食。”可熟食。” 一、火山一、火山 19世纪西方著名的火山学家乔治斯克洛珀说过，假如卖 牛奶的小女孩相信月亮是一个大奶酪，那么天文学家会想像我 们的地球是个凝缩的星云，化学家猜测它是个由铝和钾化合的 球，矿物学家说它是个巨大的晶体，而动物学家则认为它是个 巨大动物一个有生命和热的物体，火山是它的鼻孔，岩浆 是它的血液，地震是它的脉搏。 19世纪西方著名的火山学家乔治斯克洛珀说过，假如卖 牛奶的小女孩相信月亮是一个大奶酪，那么天文学家会想像我 们的地球是个凝缩的星云，化学家猜测它是个由铝和钾化合的 球，矿物学家说它是个巨大的晶体，而动物学家则认为它是个 巨大动物一个有生命和热的物体，火山是它的鼻孔，岩浆 是它的血液，地震是它的脉搏。 火山是地下岩浆喷 出地表形成的锥 状、盾状及其它形 状的山丘。既包括 了火山的形态与特 征，也包括岩浆的 成因与运移，以及 喷发的形式及产 物，是一个完整的 地质过程，一种重 要的地质作用。 火山是地下岩浆喷 出地表形成的锥 状、盾状及其它形 状的山丘。既包括 了火山的形态与特 征，也包括岩浆的 成因与运移，以及 喷发的形式及产 物，是一个完整的 地质过程，一种重 要的地质作用。 二、 火山活动是地球富有生命力的象征二、 火山活动是地球富有生命力的象征 在太阳系的八大行星中，除了木卫在太阳系的八大行星中，除了木卫 I0以外，只有地球有频繁的 火山喷发，表明 以外，只有地球有频繁的 火山喷发，表明火山活动是星球富有生命力的象征，是地球的 灵魂 ； 火山活动是星球富有生命力的象征，是地球的 灵魂 ；地球可能是行星系中最年轻地球可能是行星系中最年轻, 最富有生命力的。最富有生命力的。 木卫木卫Io的直径约的直径约3600公里公里,离木星离木星42.2万公里万公里,表面光滑且干燥，有广阔的 平原和山脉，山脉高达 表面光滑且干燥，有广阔的 平原和山脉，山脉高达20公里。公里。1979年年3月，月，“旅行者旅行者”1号空间探测器发 现至少有 号空间探测器发 现至少有6座活火山，以每小时座活火山，以每小时1600公里的速度喷发着气体和固体物 质，喷出物高度可达 公里的速度喷发着气体和固体物 质，喷出物高度可达450公里公里, 火山活动区的直径有的达火山活动区的直径有的达200公里公里,喷发的 强度比地球上大得多；火山口部分的温度在 喷发的 强度比地球上大得多；火山口部分的温度在38至至93 0C，而周围地区温度 为零下 ，而周围地区温度 为零下162 0C。 。 木卫一上的火山迹象木卫一上的火山迹象 火星上火山火星上火山 Olympus火山 是迄今 为止所发现的太阳系 中最大的火山。 高 达 火山 是迄今 为止所发现的太阳系 中最大的火山。 高 达24Km，底部直径 约 ，底部直径 约600Km，火山口直 径约 ，火山口直 径约60Km。。 其它星球上的火山 Moon Venus Saturn Pluto Mercury UranusNeptune 全球板块与火山分布格局全球板块与火山分布格局 东非裂谷火山东非裂谷火山 非洲主峰非洲主峰乞力马扎罗火山乞力马扎罗火山 中国的火山多分布在亚洲板块的边缘和青藏高原，这与 大洋板快向大陆板块俯冲，大陆边缘出现东亚大陆裂谷 带，印度板快与欧亚板快碰撞有直接关系。 中国的火山多分布在亚洲板块的边缘和青藏高原，这与 大洋板快向大陆板块俯冲，大陆边缘出现东亚大陆裂谷 带，印度板快与欧亚板快碰撞有直接关系。 中国的活火山 西昆仑 腾冲 海南 大屯 长白山龙岗 镜泊湖 五大连池 阿尔山 西昆仑 腾冲 海南 大屯 长白山龙岗 镜泊湖 五大连池 阿尔山 西昆仑阿什火山台湾大屯 中心式爆发中心式爆发 裂隙式喷发 裂隙式喷发裂隙式喷发 中心式与裂隙式相结合中心式与裂隙式相结合 冰岛式火山喷发冰岛式火山喷发 玄武岩质岩浆宁静溢流， 形成平旦的熔岩台地。 斯特朗博利式火山喷发斯特朗博利式火山喷发 以白色气体、水汽和火 山碎屑物为主的中等强 度的火山喷发。 全球 有许多典型的火山喷发， 就以这些典型的火山喷发命名 为所代表的喷发类型。 全球 有许多典型的火山喷发， 就以这些典型的火山喷发命名 为所代表的喷发类型。 例如， 普里尼式火山喷发代表 极其猛烈的火山喷发，喷发时 有巨响，喷出的火山灰可高达 几十公里，进入平流层；公元 例如， 普里尼式火山喷发代表 极其猛烈的火山喷发，喷发时 有巨响，喷出的火山灰可高达 几十公里，进入平流层；公元 79年，维苏威火山喷发是这种 类型的代表。由于那次火山喷 发喷出大量有害气体，使在现 场观测的火山学家 年，维苏威火山喷发是这种 类型的代表。由于那次火山喷 发喷出大量有害气体，使在现 场观测的火山学家Pliny中毒身 亡，为纪念这位火山研究的先 躯，而把这种类型的火山喷发 称为普里尼式。 中毒身 亡，为纪念这位火山研究的先 躯，而把这种类型的火山喷发 称为普里尼式。1980年美国的 圣海伦斯火山喷发和 年美国的 圣海伦斯火山喷发和1991年菲 律宾的皮纳图博火山喷发也属 于普里尼式。 年菲 律宾的皮纳图博火山喷发也属 于普里尼式。 普里尼式火山喷发普里尼式火山喷发 三、火山作用在地球形成演化中发挥重要作用， 在火成论与水成论的论争中扮演重要角色 外核 中心 内核 外核 中心 内核 6378km 2900km 6100km 地壳 地幔 地壳 地幔 整个地壳整个地壳,从铁镁层到硅铝层主 要由岩浆岩组成。尽管地壳表 层的 从铁镁层到硅铝层主 要由岩浆岩组成。尽管地壳表 层的70为沉积岩覆盖，但平 均厚度只有 为沉积岩覆盖，但平 均厚度只有735m , 是地球半径 的万分之一；且沉积岩的物质 来源于岩浆岩和变质岩，而变 质岩的母岩也是岩浆岩及沉积 岩，因此，从本质上讲，沉积 岩和变质岩都来自岩浆岩，其 中很大一部分为火山岩； 是地球半径 的万分之一；且沉积岩的物质 来源于岩浆岩和变质岩，而变 质岩的母岩也是岩浆岩及沉积 岩，因此，从本质上讲，沉积 岩和变质岩都来自岩浆岩，其 中很大一部分为火山岩；火山 岩或火山产物是地球的重要组 成部分， 地圈主要由火山作用 筑成 火山 岩或火山产物是地球的重要组 成部分， 地圈主要由火山作用 筑成, 支持了火成论。支持了火成论。 四、火山作用贯穿地球的整个时空 火山喷发是壮观的自然现象，火山作用是重要的地质作用。 从地球形成的早期到现在都有火山作用发生， 它贯穿影响着 地圈、水圈、生物圈、人类圈、大气圈等各个圈层， 火山喷发是壮观的自然现象，火山作用是重要的地质作用。 从地球形成的早期到现在都有火山作用发生， 它贯穿影响着 地圈、水圈、生物圈、人类圈、大气圈等各个圈层，是联系 地球系统的重要纽带，促使地球系统科学的建立与发展 是联系 地球系统的重要纽带，促使地球系统科学的建立与发展。。 火山作用是板快运动 的动力与象征 板块运动的几个重要问题板块运动的几个重要问题洋底 扩张、板块俯冲、裂谷作用等都与 火山作用密切相关，全球火山绝大 部分分布在板块边缘的俯冲带和裂 谷带，以及大洋中脊。 洋底 扩张、板块俯冲、裂谷作用等都与 火山作用密切相关，全球火山绝大 部分分布在板块边缘的俯冲带和裂 谷带，以及大洋中脊。火山作用既 是板快运动的动力也是它的象征 火山作用既 是板快运动的动力也是它的象征 ,它 导演了岩石圈的形成和演化 它 导演了岩石圈的形成和演化。。 火山作用可能与生命起源有关，对生物演 替产生重要影响 关于生命起源有多种假说，其中也 有火山成因说。生命是蛋白质的表 现形式，蛋白质主要由氨基酸构 成，氨基酸由甲烷、氨、醛和水合 成，而甲烷、氨、醛和水又是由 关于生命起源有多种假说，其中也 有火山成因说。生命是蛋白质的表 现形式，蛋白质主要由氨基酸构 成，氨基酸由甲烷、氨、醛和水合 成，而甲烷、氨、醛和水又是由C、、 H、、O、、N四大元素化合而成，它们 化合合成所需的高温条件，在自然 界可由火山喷发提供。美籍俄裔科 学家佐洛托夫认为，火山口内气体 温度高达 四大元素化合而成，它们 化合合成所需的高温条件，在自然 界可由火山喷发提供。美籍俄裔科 学家佐洛托夫认为，火山口内气体 温度高达12000C, 当这些气体进入火 山口上空的蘑菇云时，气体的温度 将降至 当这些气体进入火 山口上空的蘑菇云时，气体的温度 将降至300150 0C，这一过程（催 化剂存在）有利于蘑菇云中 ，这一过程（催 化剂存在）有利于蘑菇云中C、、H、、 O、、N等元素化合成简单的有机物， 进而合成氨基酸乃至有自我复制能 力的核糖核酸。 等元素化合成简单的有机物， 进而合成氨基酸乃至有自我复制能 力的核糖核酸。 海底火山喷发环境有利于有机物生成 最近美国加州斯克里普斯海洋研究所的休伯特 施陶迪格尔 等在南非巴柏顿 最近美国加州斯克里普斯海洋研究所的休伯特 施陶迪格尔 等在南非巴柏顿35亿年前的枕状熔岩中发现有细菌一样的 原始微生物造成的管道，这是迄今发现的最早的生命踪迹 之一。海底 亿年前的枕状熔岩中发现有细菌一样的 原始微生物造成的管道，这是迄今发现的最早的生命踪迹 之一。海底“黑烟筒黑烟筒”也可能是有机物的发生地。也可能是有机物的发生地。 火山作用是生物演替的一个重要因素 在生物进化的过程中有过多次大的兴盛和灭绝，如三叠 纪早期的多种生物，侏罗纪-白垩纪恐龙；白垩纪中国辽西以 鸟、龙、鱼等生物群都曾经历了几次集中性的繁盛和衰 亡 在生物进化的过程中有过多次大的兴盛和灭绝，如三叠 纪早期的多种生物，侏罗纪-白垩纪恐龙；白垩纪中国辽西以 鸟、龙、鱼等生物群都曾经历了几次集中性的繁盛和衰 亡是什么原因造成的说法很多，其中火山喷发是一个 重要原因。 是什么原因造成的说法很多，其中火山喷发是一个 重要原因。 大火山岩省对生物的灭绝有着重要影响 全球大火山岩省的分布全球大火山岩省的分布 火山作用对全球变化产生重大影响 火山作用来自地球深部，作用于地球各个层圈，对全球变 化产生巨大影 火山作用来自地球深部，作用于地球各个层圈，对全球变 化产生巨大影 ‣ 火山灰、火山气体 → 气溶胶 → 阳伞作用 → 天气降温多 雨 （短时间） ‣ 火山喷出的大量CO 火山灰、火山气体 → 气溶胶 → 阳伞作用 → 天气降温多 雨 （短时间） ‣ 火山喷出的大量CO2 2和其它温室气体→ 温室效应 → 增温 ‣ 有害气体硫及卤族元素与臭氧化合 → 破坏臭氧层，产生 臭氧洞 和其它温室气体→ 温室效应 → 增温 ‣ 有害气体硫及卤族元素与臭氧化合 → 破坏臭氧层，产生 臭氧洞 ‣ 冰期、间冰期与火山活动的关系‣ 冰期、间冰期与火山活动的关系 → 火山活动与气候变化 周期有一定的相关性。从长时间尺度衡量，火山活动多发生 在间冰期而在冰期比较消沉。不过是火山活动促使气候变化 还是气候变化影响火山活动也需进一步研究。 火山活动与气候变化 周期有一定的相关性。从长时间尺度衡量，火山活动多发生 在间冰期而在冰期比较消沉。不过是火山活动促使气候变化 还是气候变化影响火山活动也需进一步研究。 SO2 1012 g/yr H2S 1012 g/yr HCl 1012 g/yr HF 1012 g/yr HBr 109 g/yr OCS 1071011 g/yr CS2 1071011 g/yr Atmosphere 15.0 21.0 1.537.1 1.2170 0.78.6 2.643.2 9.43.1 1.34.4 Stratosphere 2.4 4.0 0.15.0 0.112 0.030.4 0.040.07 9.43.1 1.34.4 Stratosphere 2.1 3.2 0.013.8 0.112 10 －－3 0.030.4 10 －－3 0.040.07 10 －－3 9.43.1 1.34.4 washout eect V25 V25 V99.99 V99.99 V99.99 从从1972年到年到2000年每年全球火山向大气排放的气体情况年每年全球火山向大气排放的气体情况 1900-2000年间，火山喷发产生（不包括静态排气）硫情况年间，火山喷发产生（不包括静态排气）硫情况 Positive forcing increasing temperature caused by greenhouse effect and negative forcing decreasing temperature between 1991 and 1993 due to the ation of aerosol layer in the stratosphere following the eruption of Pinatubo volcano. １９９１年菲律宾 皮纳图博火山喷发 后一方面因温室效 应使气温升高；另 一方面因阳伞作用 使气温降低。 １９９１年菲律宾 皮纳图博火山喷发 后一方面因温室效 应使气温升高；另 一方面因阳伞作用 使气温降低。 Observed surface temperatures until 2000 black line and a simulation including both anthropogenic greenhouse gases ,sulfate aerosols and stratospheric ozone and natural solar and volcanic forcings yellow .Also shown are simulations for four different scenarios A1-B2,blue,green and red lines and the combined total uncertainty for all scenarios corresponding colored fields Up to about 2030, the simulations overlap considerably and indicate that 5 to 95 of forecast temperature distributions are 0.9 to 1.9 k relative to the preindustrial climate. After 2050 ,the different models diverge more strongly. 臭氧洞 火山喷发破坏臭氧层，产生臭氧洞火山喷发破坏臭氧层，产生臭氧洞 玛珥湖沉积物高分辨率记录气候环境 051015202530354045505560 -44 -42 -40 -38 -36 -34 -32 0.8 0.6 0.4 0.2 -28 -24 -20 -16 051015202530354045505560 0.7 0.8 0.9 8 7 6 1 10 100 1000 年龄年龄 cal. ka BP δ13CorgPDB, ‰ 磁化率 10-8m3/kg 干密度 g/cm3 中值粒径 Φ 白光/蓝光反射率比值 GISP2 δ18O ‰ 湖湖光光岩岩沉积物记录沉积物记录。沉积 物的色度 b、粒度 c、 干密度 d、磁化率 e和 有机碳同位素 f 等高分辨 率的气候环境替代指标的 变化，记录了年我国南方 最近6万来的气候和环境的 变迁，其中最显著的特征 为，千年尺度较大幅度的 气候变化主要出现在冰后 期、全新世和约3.6万年以 前的间冰段，而冰期极盛 期则相对稳定（图中浅灰 色阴影部分）。这与GISP2 δ18O 记录 a 的北半球高 纬地区气候变化形成了鲜 明的对照，可能反映了热 带风暴以及ENSO等强烈活 动主要发生在间冰期。 b c d e f a Age cal. a BP Dry density g/cm3 2930 a filter1140 a filter490 a filter250 a filter220 a filter Relative deviation 10-1 Number of spectrum 全新世以来湖光岩玛珥湖沉积物 干密度高分辨率时间序列的能谱分 析 全新世以来湖光岩玛珥湖沉积物 干密度高分辨率时间序列的能谱分 析 图图a 和滤波分析和滤波分析 图图b 。。由此 获得 1 气候变化存在明显的2930， 1140，490，250和220 a的主周期; 2 2930 a周期所对应的3次降温 期，其峰值分别发生在7300，4250 和1200 cal.a BP左右； 3 1140 a主周期变化在全新世 早期波动幅度最大，到中、晚全新 世其幅度逐渐减小，所对应的明显 的降温期有7-8次变化。 全新世千年尺度的气候变化， 有可能是通过岁差周期 23 ka 的 谐波周期对全球水循环的影响，驱 动温盐环流强度的变化，从而进一 步影响了全球气候变化。 a b 五、火山资源 火山作用雕塑了大自然，创造了丰富财富火山作用雕塑了大自然，创造了丰富财富 ﹡土地资源，岛屿和陆地 ﹡矿产资源，金属、非金属、宝石 ﹡新型材料 ﹡矿泉与温泉 ﹡地热资源 ﹡风景文化资源 ﹡土地资源，岛屿和陆地 ﹡矿产资源，金属、非金属、宝石 ﹡新型材料 ﹡矿泉与温泉 ﹡地热资源 ﹡风景文化资源 火山岩成为寻找油气藏的重要方向 徐家围子断陷深层勘探成果图徐家围子断陷深层勘探成果图 徐深1徐深1 汪家屯气田汪家屯气田 升平气田升平气田 昌德气田昌德气田 过去主要针对断陷周围的 斜坡进行勘探， 单井产 量较低，长期没有重要进 展。 过去主要针对断陷周围的 斜坡进行勘探， 单井产 量较低，长期没有重要进 展。2002年以来，转变勘 探思路，对断陷内部的火 山岩目标进行钻探，获重 大突破，首钻徐深 年以来，转变勘 探思路，对断陷内部的火 山岩目标进行钻探，获重 大突破，首钻徐深1井， 获得高产气流，进一步工 作，使徐家围子成为千亿 方大气田。 井， 获得高产气流，进一步工 作，使徐家围子成为千亿 方大气田。（引自中石油 研究院） （引自中石油 研究院） 新型材料连续玄武岩纤维 （Continuous Basalt Fibre简称CBF 连续玄武岩纤维是以天然的火山岩为原料，将其破 碎后加入熔窑中，在 连续玄武岩纤维是以天然的火山岩为原料，将其破 碎后加入熔窑中，在1450～～1500 ℃熔融，通过铂铑 合金拉丝漏板制成的连续纤维。它的综合性能好， 其它纤维难以比拟，被广泛应用于消防、环保、航 空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等 领域，堪称是 ℃熔融，通过铂铑 合金拉丝漏板制成的连续纤维。它的综合性能好， 其它纤维难以比拟，被广泛应用于消防、环保、航 空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料、建筑等 领域，堪称是21世纪无污染的世纪无污染的“绿色工业材料和新 材料 绿色工业材料和新 材料”。 长白山温泉 五大连池火山泥疗 温泉矿泉地热温泉矿泉地热 长白山火山天池、瀑布长白山火山天池、瀑布 旅游资源 中国腾冲火山区中国腾冲火山区 五大连池火山地貌五大连池火山地貌 日本富士山日本富士山 火山区山川壮丽，景色秀 美，是人类观光旅游修养生 息的好地方，世界许多旅游 胜地是火山区，如美国的黄 石公园、日本的富士山等 地。火山作用为人类创造了 丰富财富。 火山区山川壮丽，景色秀 美，是人类观光旅游修养生 息的好地方，世界许多旅游 胜地是火山区，如美国的黄 石公园、日本的富士山等 地。火山作用为人类创造了 丰富财富。 火山喷发的景观火山喷发的景观 六六 火 山 灾 害 火 山 灾 害 火、气、灰、石、泥，蹦、塌、毒、冲、埋火、气、灰、石、泥，蹦、塌、毒、冲、埋 火山喷发造成的崩塌、地震、海啸、冲击波和产生 的熔岩流、碎屑流、泥石流、火山灰 火山喷发造成的崩塌、地震、海啸、冲击波和产生 的熔岩流、碎屑流、泥石流、火山灰对生态环 境、建筑以及生命财产会造成很大破坏 。 对生态环 境、建筑以及生命财产会造成很大破坏 。 1980年4月美国西部圣海伦斯 火山喷发，把原来的山峰蹦掉 400m . 1980年4月美国西部圣海伦斯 火山喷发，把原来的山峰蹦掉 400m . 火山现场考察火山现场考察 上印尼喀拉卡托火山上印尼喀拉卡托火山 下夏威夷火山下夏威夷火山 维苏威火山与庞贝城维苏威火山与庞贝城 火山喷发影响航 空、航天飞行，甚至 造成空难 火山喷发影响航 空、航天飞行，甚至 造成空难 火山 地震 海啸火山 地震 海啸 火山喷发频率 细线表示火山喷发气体进入对流层的频率，粗线表示火山喷发 气体进入同温层的频率 细线表示火山喷发气体进入对流层的频率，粗线表示火山喷发 气体进入同温层的频率 科学家预言本世纪10大灾祸 10大灾祸危险指数大灾祸危险指数 70年内发生的机会年内发生的机会 1、黑洞或吞噬地球 10几乎没有可能 2、机器人接管地球 8高 3、染色体末端变短 8低 4、核战争摧毁文明 8低 5、超级火山大爆发、超级火山大爆发 7很高很高 6、气候将完全改变 6高 7、巨大陨石撞地球 5中等 8、宇宙射线大放射 4低 9、大瘟疫夺命无数 3很高 10、大规模恐怖袭击 2很高 结论结论 火山活动是星球富有生命力的象征；火山作用 是重要的地质作用，它贯穿于地球的整个时 空 ，联系地球各个层圈，在地球形成演化中 发挥重要作用，是火成论和板块学说奠基的基 石，对全球变化产生重大影响，与生命起源可 能有关，是生物演替的一个重要因素；它雕塑 了大自然，为人类创造了丰富的财富，也给自 然界和人类社会造成很大的灾难。地学的许多 领域和人类面临的资源、能源、环境、灾害等 问题都与火山有关。希望大家重视火山研究。