地球的力量——火山

科學(xué)世界

我們的行星——地球，這是一個神奇的千變?nèi)f化的世界，充滿著各種自然奇觀。但是地球本身還有比自然景觀更奇特的東西。那就是大自然的力量:火山、大氣、海洋......

火山，地球系統(tǒng)的一部分，它們一直在改變著地貌，在很大程度上決定了地球的生命起源。在地球面臨最大危機(jī)的時候是火山拯救了地球，它們甚至和生命相互依存，給地球生物提供了適宜生存的環(huán)境。

非洲東部的埃塞俄比亞是地球上最偏僻最炎熱的地方之一。火山在這里持續(xù)不斷地噴發(fā)巖漿，這里的火山活動比地球上其他地方都要活躍得多。當(dāng)?shù)厝朔Q它為冒煙的山（圖1）。全世界的科學(xué)家們都到這兒來研究這個火山,看看這里獨(dú)一無二的景象。

（1） 火山持續(xù)不斷地噴發(fā)巖漿，被稱為冒煙的山

克利弗（地質(zhì)學(xué)家）:埃塞俄比亞的這個火山大概是地球上最具特點(diǎn)的火山之一。它是一個熔巖湖，地球上極為稀有。地球內(nèi)部不斷噴射熔巖補(bǔ)充，而形成一個永久的熔池。

在這里，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個揭示地球內(nèi)部力量的窗口。

克利弗:對它的研究只是在最近40多年才開始的，在我的一生中我有幸看到了許多火山，但是我從沒有見過在火山口能夠形成一個永久的熔巖湖，為什么這個火山這么特別？要明白這個原因，我們需要下到火山口近距離地觀看熔巖翻滾。

通過研究熔巖湖，科學(xué)家們想更多地了解地球內(nèi)部熱氣的巨大力量。夜晚降臨了，火山開始顯露它的秘密。當(dāng)熔巖湖開始加速運(yùn)動的時候，一些有意思的事發(fā)生了：熔巖的運(yùn)動遵循一種非常獨(dú)特的模式。它從火山口的一邊涌出來，當(dāng)它冷卻下來之后，便形成一層黑色的硬殼。然后，在湖面下巖漿運(yùn)動的作用下，這個硬殼在熔巖湖的表面移動。最后，硬殼塊又沉落下去。

克利弗:我們在這里看得見熔巖溫度非常高，它提醒人們地球內(nèi)部溫度極高，正是這種熾熱為地球內(nèi)部的運(yùn)動提供了能量（圖2）。

（2） 熾熱的，不斷涌動的熔巖

熔巖不斷涌動的這個過程影響了地貌。但是地球的熱氣并不僅僅是為火山提供燃料。它持續(xù)不斷地改變著這個星球的表面，并為地球上的復(fù)雜生命的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。非常簡單。在這個星球上 ，沒有比它更有力量的了。

為了了解我們星球內(nèi)部的巨大熱源從何而來，我們必須回到45億年前。那是地球誕生的時刻：體積差不多大的巨石在圍繞太陽轉(zhuǎn)動的同時不斷發(fā)生碰撞。這種碰撞產(chǎn)生巨大的熱量，這些巖石也給地球帶來了大量的放射性元素（圖3）。

（3） 地球形成早期:巨石碰撞產(chǎn)生巨大熱量。當(dāng)?shù)厍蛲鈱永鋮s下來，強(qiáng)大的熱源被包裹到熾熱的地核中

最終，當(dāng)星球的外層冷卻下來，這些強(qiáng)大的熱源被包裹到熾熱的地核中。地球的中心大約有4500℃，和太陽表面一樣熱。這就是地球巨大熱量的來源。捕獲在地球內(nèi)部的巨大的熱量至今仍然使火山不斷噴發(fā)，仍然不斷地釋放著令人無法想象的巨大熱量。

在經(jīng)歷過45億年后，這種熱量還大量存在。地球內(nèi)部的熱能使地表處于不斷運(yùn)動狀態(tài)，創(chuàng)造了不斷變化的自然景觀。不像太陽系的其他行星，地球是一個不斷毀滅又不斷重生的世界。

地殼表面分成7大板塊，剝離掉大西洋你會看到兩個板塊間，長長的分界線沿著海底一直延伸到海岸上，穿過冰島。巖層曾經(jīng)是連在一起的，但是由于地殼運(yùn)動被撕裂開形成了一個巨大裂縫。只有地球內(nèi)部的熱能有這種力量分裂大陸。

地球內(nèi)部的熱量加熱熔巖使它往上升，熔巖在靠近地表的地方朝兩個方向散開，各自往一側(cè)涌動，這時它的熱量開始散失。最終，溫度稍低的熔巖沉下去了。通過這種擴(kuò)散過程使地殼慢慢地被牽引開來，使陸地開始移動。

2.25億年前，我們的地球看起來和現(xiàn)在是很不一樣的，那時所有的大陸是連在一起的，是一整塊的巨大陸地，也叫作盤古大陸。當(dāng)大陸漂移時這塊巨大的板塊破裂開來，新的海洋形成了。這樣就形成了我們今天的世界。但是大陸板塊從來就沒有停止漂移，在遙遠(yuǎn)的將來大陸板塊將會重新結(jié)合成一個新的巨大的板塊。

我們已經(jīng)看到了板塊分裂時發(fā)生了什么，但是當(dāng)它們互相碰撞的時候，給人的印象會更加深刻，地球板塊互相碰撞形成了雄偉壯麗的山脈。

當(dāng)新西蘭還是散落的小島的時候發(fā)生了什么呢？太平洋板塊和澳大利亞板塊互相碰撞使這些小島被連在一起，形成了我們今天熟知的新西蘭版圖（圖4）。在碰撞地帶大地變得崎嶇不平形成了一座山脈。

（4）太平洋板塊與澳大利亞板塊碰撞后，使散落的小島連在了一起

世界上所有的雄偉的山脈都是像這樣在板塊碰撞時形成的，當(dāng)你從太空中往下看時，你會發(fā)現(xiàn)地球表面是皺皺巴巴的，有歐洲的阿爾卑斯山脈、南美的安第斯山脈以及中亞的喜馬拉雅山脈（圖5）。

（5） 從太空中看到地球表面皺皺巴巴的

它們相對來說比較年輕，是在最近的板塊碰撞中形成的。

地震具有讓人毛骨悚然的破壞力，整個城市會在瞬間被摧毀，地球板塊在創(chuàng)造雄偉的山脈時就會發(fā)生地震。

這一過程重復(fù)了上千萬年，使喜馬拉雅山脈變成了地球上最雄偉的山脈，而地球內(nèi)部的熱能還在推動著山脈不斷地增高。

這些巨大的山脈處于持續(xù)不斷的被攻擊中，時間一長一種力量也許可以把它們完全摧毀，那種力量是水，聽起來這似乎不太可能。

水的力量是驚人的，只有當(dāng)你在和激流做斗爭的時候你才會明白河流的力量會有多大，河流把峽谷切開了，并且無情地侵蝕著巖石，峽谷在進(jìn)一步變深。河流不僅僅侵蝕著巖石，它們還把山上的碎石運(yùn)到大海里。它們的運(yùn)送量是巨大的。

在南美洲，亞馬孫河每年從安第斯山脈帶走的碎石多達(dá)20億噸，然后把它們沉積在大西洋。

在印度次大陸上，恒河從喜馬拉雅山起源，每年大約要侵蝕掉10億噸巖石，順著河床往下移動3千公里沉積在印度洋里。

如果不是板塊運(yùn)動建造著山脈，水也許最終會把地球上的陸地都侵蝕磨平。世界因為這兩種永恒的運(yùn)動在不斷地變化著。

地球內(nèi)部熱能還以另外一種方式使地球發(fā)生著巨大的變化。

在地球形成早期，它看起來是很不一樣的。土地是熱的，火山運(yùn)動永遠(yuǎn)地活躍著。地底的泥土帶來許多化學(xué)物質(zhì)，有毒氣體從熱氣騰騰的池子里面冒出來。對我們來說早期的地球像煉獄一般。

但也正是火山運(yùn)動創(chuàng)造了適宜的環(huán)境，有了這樣的環(huán)境，地球歷史上許多重要的變化才發(fā)生了。

火山給年輕的地球表層提供了熱量、水以及豐富的化學(xué)物質(zhì)。正是這些結(jié)合在一起，為地球發(fā)生驚人的變化創(chuàng)造了條件。沒有人確切地知道這是怎么發(fā)生的，大約40億年前地球成為了生命的搖籃。

布魯斯·毛頓（專家）:沒有時光機(jī)器能讓我們回到從前，我們唯一能做的就是看看那些我們認(rèn)為和以前相似的東西，這些溫泉和地球早期存在的物質(zhì)非常非常地接近，水溫達(dá)到70℃，如果你把手指放進(jìn)去的話，你一定會燒傷手的。溫泉里充斥著有毒的硫化氫氣體和少量的砷。

這里面有成千上萬的有機(jī)物，它們形成了橙紅色的纖維質(zhì)。對于橙紅纖維質(zhì)里面的微生物來說，含毒性化學(xué)物質(zhì)的水是極富營養(yǎng)的湯。

在地球早期這樣的池子非常普遍，火山運(yùn)動為生命的出現(xiàn)提供了必須的化學(xué)物質(zhì)。在地底深處有著熾熱的巖漿體，巖漿本身也在釋放氣體。比如二氧化碳和二氧化硫，這些都為細(xì)菌提供了食物，所以火山像是一個供應(yīng)鏈，提供了所有原料，它們?yōu)檎麄€進(jìn)程提供了動力。

還有一個理論認(rèn)為火山創(chuàng)造了另外一個地方，生命有可能在那里開始。比如說熱液出口，這些熱液出口也是火山運(yùn)動的結(jié)果，但是它們是在海底深處發(fā)現(xiàn)的（圖6）。這個理論支持了生命多樣性的觀點(diǎn)。但是人們認(rèn)為在10多億年前，熱液出口產(chǎn)生的化學(xué)物和高溫相結(jié)合刺激了生命的產(chǎn)生。

（6） 海底深處的熱液出口也是火山運(yùn)動的結(jié)果

但是火山遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是刺激了生命的產(chǎn)生，它們在孕育和保護(hù)生命方面起了至關(guān)重要的作用。

在地球的幼年，太陽不像今天這樣溫暖，實際上要比現(xiàn)在冷30%。照耀著這個行星的是比較弱的陽光，地球處在冰凍的危險中，是火山溫暖了年輕的地球。但也并不是你想象的那樣，噴出的熔巖并沒有使地球全部地方變暖，是火山噴出的二氧化碳使地球變暖了。

今天我們認(rèn)為二氧化碳是一種危險的氣體，是溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)住嶋H上二氧化碳對地球來說是至關(guān)重要的，它能使熱量保留在大氣層而不散失到太空中。二氧化碳是個雙刃劍。

再看看我們的鄰居火星?；鹦蔷褪且粋€冰凍的荒地，平均溫度只有-60℃，就是因為火星大氣層沒有足夠的二氧化碳來保持溫暖。另外一個極端就是金星,它表面的溫度熱得足以融化鉛，不僅僅是因為離太陽近，而是因為金星的大氣層中的二氧化碳含量比地球大上幾千倍。

早年的地球火山噴發(fā)現(xiàn)象比現(xiàn)在要多得多，因為地心太熱了，火山運(yùn)動提供了足夠的二氧化碳彌補(bǔ)了陽光的不足，使年輕的地球沒有被冰凍起來，因而使早期的生命幸免于難。

但這還不是火山為地球所做的全部，大概6億年前火山運(yùn)動還推動了地球歷史上生物進(jìn)化的飛躍。

澳大利亞的鯊魚灣是地球上最古老的生命的發(fā)源地。這些奇怪的圓拱形物是由一層層細(xì)菌組成的，叫作疊層石。在地球歷史很長一段時間里它們是地球上最高級的生物（圖7）。

（7） 澳大利亞鯊魚灣的這些奇怪的圓拱形物是由一層層細(xì)菌組成的，叫作疊層石。在地球歷史很長一段時間里它們是地球上最高級的生物

大約7億年前地球開始變冷，冰河時代開始了。地球即將進(jìn)入漫長的冬季。這一時期被稱為雪球地球，因為整個地球就像冰雪覆蓋的大雪球一樣。

到木星去看看你就會明白那時的地球看起來是什么樣的（圖8）。

（8） 被冰雪覆蓋的木星就如同雪球地球時期的地球

那時的海洋曾經(jīng)被數(shù)百米厚的冰層覆蓋，有的地方的厚度甚至有1公里左右。即使在最溫暖的地區(qū)，氣溫也不過才－20℃～-25℃，到處冰天雪地。

在雪球地球時期，最可怕的事情是地球?qū)⒂肋h(yuǎn)被困在大冰窖中，一旦冰雪完全覆蓋地球，陽光的熱量就會被折射到太空中，那么地球?qū)⒉粫僮兣恕?/p>

拯救了地球的是火山，即使冰雪覆蓋了整個地球,火山還是會繼續(xù)噴發(fā)（圖9）。

（9） 火山?jīng)_破冰雪的覆蓋

隨著火山的不斷噴發(fā)，大氣層里面的二氧化碳含量不斷增多。

直到大約6.3億年前，二氧化碳層開始變得很厚能夠捕獲足夠的熱量，把地球從冰雪天地里解救出來。

開始解凍了。地球上刮起了猛烈的暴風(fēng)雪，幾百年中地球經(jīng)歷了歷史上最極端的氣候變化，冰房子變成了熱房子，溫度從－50℃變到了50℃。

幸運(yùn)的是隨著地球氣候的逐漸穩(wěn)定，地球開始變得正常，一些袖珍型生物幸免于難。經(jīng)歷過漫長的雪球地球時期存活下來了。

在雪球地球時期結(jié)束后很短的時間里，生命的歷史發(fā)生了變革，大約5千萬年前埃迪卡拉生物群生活在海洋里，它們不用爭奪食物。慢慢地它們進(jìn)化成更復(fù)雜的動物。這些動物現(xiàn)在有堅硬的骨架和外殼，有大爪子和保護(hù)盔甲。地球從一個柔軟和平的伊甸園變成了野蠻的你爭我搶的世界，激烈的戰(zhàn)爭使得進(jìn)化的速度越來越快。

埃迪卡拉生物群是進(jìn)化史上一個重大的飛躍。

在20多億年前，微生物占統(tǒng)治地位。現(xiàn)在，復(fù)雜的多細(xì)胞生物衍變成了紛繁復(fù)雜的新物種（圖10）。這些動物和植物從占領(lǐng)海洋開始搶占陸地和天空。

（10）圖組:雪球地球時期結(jié)束后，生命的進(jìn)化有了重大的飛躍：復(fù)雜的多細(xì)胞生物衍變成了紛繁復(fù)雜的新物種

火山結(jié)束了恐怖的雪球地球時期，這之后導(dǎo)致了一場進(jìn)化大飛躍。但是在地球生命史上力量無窮的火山還有一個更重要的角色要扮演。這個角色對地球仍然是至關(guān)重要的，那就是為了使地球上的生物存活下來?；鹕胶蜕镏g結(jié)成了一個不可思議的共同體，它們共同調(diào)節(jié)了地球的溫度。意大利埃特納這樣的破壞性的火山，實際上它可以通過控制大氣中的二氧化碳含量來調(diào)節(jié)地球的溫度。這個過程開始于一個大家意想不到的地方。

海洋中有很多被稱作浮游動物的微小生物，用顯微鏡才可以看到它們的個體，但是當(dāng)它們聚集在一起時數(shù)量很大

可以看到每年它們都大量地繁殖，所以海洋呈現(xiàn)出綠色。正是由于浮游生物如此之多，它們可以幫助改善地球的氣候。海洋從大氣中吸收二氧化碳，浮游生物依靠二氧化碳來生存。當(dāng)這些浮游生物死了以后它們沉到海底，并在這兒待上上千年，慢慢地它們就變成了石頭（圖11）。這樣大量的二氧化碳，這種讓我們的星球保持溫暖的氣體從大氣中脫離出來，保留在海底。

（11） 死后沉入海底的浮游生物上千年后變成了石頭

如果這是故事的結(jié)尾,大氣中的二氧化碳越來越少的話，我們的星球會變得越來越冷，幸運(yùn)的是像埃特納這樣的火山不允許這樣的事情發(fā)生。

埃特納火山是一種特殊的火山，是在非洲板塊和歐洲板塊碰撞時產(chǎn)生的。碰撞時一個板塊被迫擠壓到另一個板塊的下面。板塊下降的時候巖石層就變熱融化并釋放出二氧化碳，在火山爆發(fā)的過程中二氧化碳又返回到大氣層中。神奇的是生命和火山使大氣中的二氧化碳的濃度達(dá)到平衡并且使我們的星球維持在一個合適的溫度。

火山噴發(fā)是地球上最劇烈的活動。世界上最著名的火山之一美國的圣海倫斯火山過去一直很安靜。但是巨大的火山口里在壓力的作用下，形成龐大的錐形巖石，圣海倫斯火山正在醞釀一次噴發(fā)。1980年5月18日在短短的幾分鐘時間內(nèi)，280億立方米的火山爆發(fā)了，瞬間掩埋了周圍的村莊。

火山爆發(fā)會產(chǎn)生很多氣體，然而這些氣體的釋放對地球來說卻很重要，這是把巖石中存在的碳釋放到大氣中的關(guān)鍵，整個系統(tǒng)就像是一個自動調(diào)溫器，為生命的存在提供一個合適的溫度。

地球內(nèi)部的熱量對地球的形成史來說是最重要的。但自從地球在45億年前形成以來,地球內(nèi)部的熱量一直掙扎著想釋放出來,火山就是一個例子,地球上沒有什么比火山爆發(fā)更引人注目,更具破壞力,更猛烈了。但是除了破壞力之外，火山還有更多的作用。它是我們的星球的生命推動力（圖12）。

（12） 火山噴發(fā)是地球上最劇烈的活動