北京時間1月15日，太平洋島國湯加的一座火山大噴發，一時間噴湧的氣體裹挾大量火山灰衝出洋麪形成壯觀的蘑菇雲，噴發高度最高達到25千米以上，其規模之大，在衞星上都清晰可見。
很多讀者都聽説過火山噴發，但對於火山噴發背後的科學道理以及除了災害火山還能帶來什麼，卻不一定了解。我們邀請南京大學地質學博士劉漢永就相關知識做一些介紹。
火山噴發概念圖。
地球板塊相撞把水帶入地幔醖釀出熾熱岩漿
火山和地震其實是一對朋友，它們經常出現在同樣的地區，都因為地球的板塊相撞而形成。
很多人都知道，全球有兩大火山地震帶，即環太平洋火山地震帶和地中海-喜馬拉雅火山地震帶。但是，為什麼在這兩個地方會有這麼多的火山和地震呢？答案就是它們處於板塊的邊界上。
地球上的板塊分為大洋板塊和大陸板塊，它們漂浮在軟流圈之上，一般大洋板塊厚度小，而大陸板塊厚度大。當大洋板塊和一個大陸板塊相遇相撞時，大洋板塊就可能會進入這個大陸板塊的下面，插入地球炙熱的地幔中，地質學家稱之為板塊的俯衝。
隨大洋板塊進入地幔的，不僅有堅硬的岩石，還有一種常見的物質——水。地幔的温度非常高，可以達到1200℃以上，但仍未達到地幔岩石的熔點，不會產生岩漿。但是，如果俯衝的大洋板塊把水帶入地幔深部，就會顯著降低岩石的熔點，甚至降到1000℃以下。這個時候，就會有一部分岩石開始熔融，形成岩漿了。
隨着熔融的進行，岩漿越來越多，一部分就可能會湧出地表，形成火山；而另一部分，則可能會聚集到地殼的下面，進一步加熱地殼導致熔融，熔融的地殼再噴出地表形成火山。
這兩種過程形成的火山表現出不同的噴發形式，前一種形成的岩漿温度高、粘度低，能以一種比較平靜的方式湧出地表；而後一種形成的岩漿温度低、粘度大，噴發的方式往往比較劇烈，形成壯觀的蘑菇雲，將火山碎屑拋向很遠的地方。這次湯加火山的噴發就是後一種方式，歷史上造成比較大損失的火山噴發也大多是這種，比如在公元79年毀滅龐貝古城的維蘇威火山噴發。
在環太平洋地區，太平洋板塊向周圍板塊的下面俯衝，形成了一系列的火山，僅活火山就達512座，佔世界活火山數量的80%以上。湯加就位於這一火山地震帶的西南緣，這裏是太平洋板塊向印度-澳大利亞板塊之下俯衝形成的。過去100年，這裏的海底火山活動十分活躍，曾經歷多次噴發，不斷塑造着島嶼的面貌。
地中海-喜馬拉雅火山地震帶，可以一直延伸到東南亞，在這裏，非洲板塊和印度板塊向歐亞板塊之下俯衝，它們之間曾經是一片汪洋，現在大多數洋盆已經消失了，僅剩下地中海。這裏也有數量眾多的火山。
全球主要火山-地震帶。紅色區域為火山-地震多發區
火山噴發或引發過生物大滅絕但也帶來寶藏
本次湯加火山噴發引起了劇烈的海嘯，洶湧的海水席捲了多個島嶼，造成湯加與外界的聯繫中斷，多人傷亡，食物和飲用水短缺，給當地人帶來了沉重的災難。而歷史上，火山的噴發曾引起過更大的危機。
在2.5億年前的二疊紀末期，發生了地球歷史上最大規模的生物大滅絕事件，大約80%以上的海洋生物、70%以上的陸生脊椎動物永遠地消失了。目前有一種觀點認為，這次生物大滅絕的元兇之一就是火山噴發。在2.5億年以前，西伯利亞和當時位於赤道附近的中國峨眉山等地發生了大規模的火山噴發。僅西伯利亞，在幾十萬年內噴出的岩漿就有400萬立方千米，面積大約700萬平方千米（大於四個新疆）。隨火山噴出的，不僅有滾燙的岩漿，還會有二氧化碳、甲烷甚至有毒的硫化物等氣體，這些氣體帶來的後果是地球急劇升温，大氣和海洋氧含量降低以及海洋的酸化（二氧化碳溶於海洋）等，這些對生物來説都是致命性的，當時的生物圈幾乎遭到了毀滅性打擊，花費了一千多萬年的時間才恢復了生機。
而在人類的歷史上，火山噴發也同樣造成過全球性的破壞。據歷史記載，南宋寶祐五年（公元1257年）的冬天，“西湖冰合”，也就是西湖完全被凍上了。西湖結冰並不少見，一般在冬天，局部湖面會結冰，但完全凍住則十分罕見。與此相應，那幾年的歐洲也是嚴寒，導致作物歉收，引起普遍的饑荒。2015年的一項研究認為，這可能是位於印度尼西亞的林賈尼火山在1257年的噴發導致的。這可能是人類歷史上經歷的最大一次火山噴發活動，火山灰進入大氣平流層，飄到了中國和歐洲等地，造成太陽光照減少，夏天涼爽，冬日酷寒。這次酷寒可能導致北方遊牧民族加劇南侵，最終南宋被元所滅（1279年）。
甚至有學者認為，人類歷史上的多次嚴寒都可能與火山有關。比如，中國的南北朝時期天氣也比較寒冷，可能就是當時一系列的火山活動導致的。這次極冷事件造成了中國數百年的混亂，而在歐洲，曾經強大的西羅馬帝國的首都羅馬也被來自北方的日耳曼人攻破（410年）。
然而許多人不知道，很多十分重要的寶貴金屬礦藏，恰是因為火山活動才得以形成的。比如鐵儲量佔中國總量16%的攀枝花鐵礦的形成就與2.5億年以前峨眉山的火山活動有關。而智利全球儲量最大的銅礦，也與當地劇烈的火山岩漿活動有關係。
一些對人類生活有重要作用的金屬，如銅、鈦、鎳，以及稀土元素，在地幔或地殼內的含量是非常低的，岩漿活動一個非常重要的作用就是會把這些元素富集起來，隨着岩漿的演化結晶成為不同的礦物，形成相對應的礦牀。可以説，大部分的金屬礦牀都與岩漿和火山的活動有關係。
長白山有“千年噴發”大週期
我們似乎很少聽到中國火山噴發的消息。其實中國也有火山，只不過近些年來沒有噴發而已。有報道的中國境內最近一次火山噴發發生在1951的新疆和田地區，規模很小，當時也只是在地方報紙有報道。
中國目前的活火山主要分佈在東北地區（如長白山、五大連池）、騰衝、海南島和台灣的北部等地，最有名的莫過於長白山火山。
長白山位於中朝邊界，頂部天池是旅遊勝地，也是一個火山口。與湯加火山相似，長白山火山的形成也與太平洋的俯衝有關。在日本東邊，太平洋板塊斜插俯衝進入歐亞板塊之下，到了長白山已經下沉到地下600公里深度了，也把水帶到了這裏並釋放。隨後這些被釋放的水上升進入到上面的地幔中，導致地幔的熔融形成岩漿，繼而噴出形成的長白山。地球物理學的探測結果也表明，在長白山下面約十來公里就有一個岩漿房。
根據地質學家的研究，長白山每間隔大約一千年會有一次劇烈的噴發活動，稱為“千年大噴發”。歷史記載，上一次千年大噴發發生在946年，距今已經超過了1000年。根據調查，946年的這次大噴發噴出的火山碎屑物質可能達到100立方千米以上，是兩千年來人類歷史上最大的火山活動之一，形成的火山碎屑至少在沿火山中心50公里的範圍內造成了巨大的災害，在一些峽谷中碎屑的堆積厚度可達50米，現在的長白山天池就形成於這次噴發。
在隨後的1668、1702和1903年，長白山又發生了幾次小規模的活動。在2002年至2006年間，在長白山方圓50公里的範圍內地震活動異常活躍，平均每個月發生70多起一級以上的地震，比正常年份多一個數量級，甚至在2003年的一個月內發生了243次，最大震級達到了4.5級。地震活動的增加可能代表了地下的岩漿異常活躍，當時地質學家就推測長白山可能又要大噴發了，但最終大噴發並沒有來。不過目前長白山仍處於“千年大噴發”節點上，我們仍要對它的活動保持警惕。
長白山天池
延伸閲讀
火山爆發是可以監測和預報的
雖然地震和火山經常並稱，都是常見的地質現象，不過對它們兩個的監測和預報卻不完全一樣。
地震發生在地震帶，但容易發生大地震的地震帶非常長，地震的前兆也非常不明顯，預測難度很大。火山噴發不一樣，都是在一個點上，上次噴發的位置基本就是下一次噴發的地方。火山噴發源於地下岩漿的運動，在噴發前岩漿會先在地下湧動，引起一連串的地震，同時引起地面的膨脹，造成形變；而且，岩漿中更容易逃逸的氣體也會提前沿着地下的縫隙到達地表，這些都是可以被我們監測到的。
目前，綜合運用多種手段，已經實現了對火山活動的準確預報。如1991年菲律賓的皮納圖博火山噴發前，根據前兆性地震活動、地形變和二氧化硫氣體數據，並與地質學研究結合，這次火山噴發被準確地預報，周圍居民提前撤離，避免了很多損失。
目前我國已經建立比較完善的火山監測網，監測對象分別是吉林長白山天池火山、龍崗火山、雲南騰衝火山、黑龍江五大連池火山、鏡泊湖火山和海南瓊北火山，監測手段包括地震、地形變、重力、電磁、地化、地温等。完全有理由相信，對這裏有可能出現的火山活動，我們都可以提前做出預測。
圖片來源：視覺中國
來源 北京日報客户端 | 記者 王鴻良
編輯 蔡文清
流程編輯 吳越