火山末日

聶保鋒 郭佳歡 劉永順 魏海泉 彭年

“……好像關在一個密不通風的黑房里那樣一片漆黑，只聽到婦女低沉悲泣、孩子尖聲哭叫和男人大聲呼喊。有人呼喚父母，有人呼喚兒女，有人叫喊妻子……許多人向天舉起雙手，求神保佑，但大多數(shù)人都知道，世上不再有神，這無盡的黑夜就是世界末日……”。小普利尼（Pliny the Younger）親歷公元79年8月24日意大利維蘇威（Vesuvius）火山爆發(fā)，用細膩的文字記錄了這恐怖的火山末日。

“末日”一詞源于宗教教義。然而，在宗教產生之前，火山末日已在地球上反復上演。不知道多少生命的脈搏在火山灰下由鮮活的跳動變成永恒的靜止，不知道多少文明在熾熱的巖漿下消失殆盡?；鹕姜q如地球上最具活力的巨人，主宰著地球上生命毀滅與新生的宏偉歷史劇反復上演。

本文簡要介紹了顯生宙五次生物大滅絕事件與火山大爆發(fā)的關系，探討了全新世以來火山爆發(fā)對人類文明和生物生存環(huán)境的沖擊，分析并展望了超級火山大爆發(fā)對人類文明可持續(xù)發(fā)展的潛在危險。

火山大爆發(fā)與生物大滅絕

（一）五次生物大絕滅事件

寒武紀生命大爆發(fā)以來的近5億年中，地球上先后出現(xiàn)過五次毀滅性的生物滅絕事件，導致大規(guī)模生物物種的消失，在地質上通常稱為“大滅絕”（Mass extinction event）。五次大滅絕分別發(fā)生在奧陶紀末、泥盆紀末、二疊紀末、三疊紀末和白堊紀末，毀滅物種平均超過40%，高的達80%以上的物種被徹底毀滅。在這期間，也發(fā)生過規(guī)模較小的生物滅絕事件80余次，毀滅物種平均在10%～15%，一般局限在更小一級的地理單元，為便于分析，這里分別稱為一級、二級……滅絕事件。

這些級別不一的毀滅性災害事件序列，塑造并記錄了地球生命演化的軌跡。猶如西方早期博物學家對“上帝創(chuàng)造了萬物，為何又把它們徹底地毀滅”的沉思和對問題的執(zhí)著追求一樣，什么原因導致地球生物大滅絕，也就成為地球科學和生命演化領域的一個核心問題。

1.奧陶紀末大滅絕：這是地球發(fā)生的第一次生物大滅絕事件。大規(guī)模的火山噴發(fā)在地球平流層中形成硫酸鹽氣溶膠，硫酸鹽氣溶膠具有濃度高、低反射性特征，導致全球性降溫。這一快速的氣候變化引發(fā)了海洋生物大規(guī)模滅絕，接近80%的海洋生物在奧陶紀末消失，主要有三葉蟲、直角石、腕足類、筆石、海百合等（圖1.A.D.G）。

2.泥盆紀末大滅絕：泥盆紀生物物種開始分化，具有水、陸兩棲的特點，被稱為“魚類的時代”。以西伯利亞大陸性溢流玄武巖為代表，3.72億年前全球性的地幔柱火山噴發(fā)形成的大規(guī)模的熔巖流和噴發(fā)氣體促發(fā)了泥盆紀末大滅絕，海洋生物被重創(chuàng)，泥盆紀豐富的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)被毀滅，大量海綿、腕足類和無頜綱動物遭毀滅，海蝎和盾皮魚徹底滅絕（圖1.B.C）。大滅絕的最晚期是弗拉斯—法門期(Frasnian—Famennian)全球性生物絕滅事件(簡稱F—F事件)，約80%的地球生物被毀滅。

圖1 滅絕的海洋動物化石A. 早奧陶世筆石（湖北宜昌）；B. 志留紀板足鱟（海蝎）（湖南龍山）；C. 早泥盆世盾皮魚（云南）；D. 晚三疊世海百合（貴州關嶺）；E. 早侏羅世菊石（西藏隆子）；F. 早泥盆世四射珊瑚（云南昭通）；G. 晚寒武世三葉蟲（山東臨沂）

3.二疊紀末大滅絕：滅絕事件出現(xiàn)在2.5億年前，是地球歷史上最大規(guī)模的大滅絕，持續(xù)6萬年之久。由最大規(guī)模的西伯利亞暗色巖（Siberian Traps）噴發(fā)引起，噴出的巖漿覆蓋面積達700萬平方千米，大量溫室氣體噴發(fā)到大氣當中，給地球環(huán)境帶來大浩劫。這一噴發(fā)也導致大規(guī)模的酸雨，90%的海洋物種如海百合、三葉蟲、四射珊瑚等滅絕（圖1.D.F.G），75%的陸地生物被徹底毀滅。

4.三疊紀末大滅絕：在五次大滅絕中規(guī)模最小的一次，僅有20%的海洋和陸地生物被毀滅，大部分物種延續(xù)到侏羅紀和白堊紀。

5.白堊紀末大滅絕：最著名的大滅絕事件，通常被稱作“KT事件”，由印度德干高原大規(guī)模玄武巖溢流噴發(fā)和隕石撞擊墨西哥灣的猶加敦半島的共同影響，大量的灰塵和火山氣體籠罩地球表層數(shù)年之久，引起全球性氣候的劇烈變化。超過70%的海洋生物和15%的陸地生物被徹底毀滅。實際上，超過一半的陸地動物滅亡，幾乎所有的恐龍在這次大滅絕中喪生（圖2）。起源于恐龍的現(xiàn)代鳥類是動物中為數(shù)不多的幸存者之一。海洋生物中的菊石、箭石和大型的蛇頸龍等爬行類也被徹底毀滅。

（二）大滅絕事件的成因

全球性的大滅絕事件的成因，長期存在爭議。有的認為全球性大滅絕事件與大規(guī)?；鹕奖l(fā)引起的全球性氣候變化有關，有的傾向于行星撞擊，也有研究認為大滅絕是由火山噴發(fā)和行星撞擊共同引起。隨著研究的不斷深入，可利用的生物化石、大滅絕、行星撞擊事件和大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)的數(shù)據(jù)庫逐漸建立起來，特別是地球化學、測年技術和大數(shù)據(jù)技術的快速進步，使這一問題逐漸得到解決。

大量的數(shù)據(jù)對比表明，奧陶紀末、泥盆紀末、二疊紀末、三疊紀末四次大滅絕與地球上大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)、全球性氣候變化、海平面升降具有明顯的一致性。而且古火山噴發(fā)和五次小規(guī)模的二級生物滅絕事件也有一致規(guī)律。大規(guī)?；鹕奖l(fā)的時間和全球性生物大滅絕、大洋缺氧事件表現(xiàn)出很好的相關性（圖3）。而且結果也顯示火山噴發(fā)規(guī)模和大滅絕的物種滅絕量也有一定的關聯(lián)，二疊紀末和白堊紀末全球性地幔柱大規(guī)模大陸溢流噴發(fā)分別對應了兩次最大規(guī)模的生物滅絕事件。除了導致白堊紀末恐龍大滅絕的大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和墨西哥猶加敦希克蘇魯伯隕石撞擊事件表現(xiàn)出同步性外，其他主要的行星撞擊事件和大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)之間不具有直接聯(lián)系，這揭示了大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)并不是由行星撞擊觸發(fā)的。對墨西哥猶加敦?？颂K魯伯隕石撞擊事件（145km隕石坑）的研究表明，撞擊事件在時間上早于白堊紀末生物大滅絕30萬年，并且撞擊本身并未引起明顯生物滅絕事件。這表明隕石直徑高達10km，隕石坑直徑達170km的隕石撞擊事件尚不能引發(fā)明顯的全球性生物滅絕事件。

圖2 白堊紀末滅絕的恐龍化石A.中國出土的第一具較完整的恐龍骨架化石（蘇聯(lián)地質學家發(fā)掘于黑龍江嘉蔭縣，現(xiàn)藏于圣彼得堡博物館）B. 中國科學家發(fā)掘的第一具較完整的恐龍骨架化石（楊鐘健組織發(fā)掘于山東萊陽）

圖3 塞普科斯基海洋無脊椎動物多樣性、生物大滅絕、全球環(huán)境變化和大規(guī)?；鹕奖l(fā)關系圖（據(jù)Servais等，2010；Bond等，2017）

地球化學最新研究表明，記錄大滅絕的地層剖面中，汞元素的異常高富集已經成為源于地球大規(guī)?；鹕奖l(fā)導致的大滅絕的標志，銥的高富集通常指示源于地外行星撞擊。奧陶紀末和二疊紀末記錄大滅絕的沉積巖樣品中汞元素的異常富集，這一特征與同時代的地幔柱火山噴發(fā)形成的大規(guī)模的熔巖流有關，為大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)導致全球性生物大滅絕提供了新的證據(jù)。顯生宙大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)與五次大滅絕的對應關系，表明火山末日周期性重現(xiàn)及其對地球環(huán)境的長期影響在全球性生物大滅絕中起著主導作用。

火山大爆發(fā)下的人類文明

（一）火山與消失的古代文明

全新世以來，人類登上地球生命演化的舞臺，開啟了人類文明的新時代。分布在活火山周邊的早期文明中心有地中海盆地、墨西哥和中美洲的中部盆地、日本島和東南亞島嶼等。

地中海盆地是火山噴發(fā)對人類文明影響最突出的地區(qū)之一。地中海是歐洲文明發(fā)源地，也是歐洲最具代表性的活火山聚集地。伴隨著火山噴發(fā)的交替進行，文明也在流轉演進，從尼安德特到現(xiàn)代智人，古埃及-米諾斯-邁錫尼-古希臘-古羅馬-拜占庭不斷更替。研究表明，距今3.7萬年前的意大利坎帕尼亞伊格尼姆巖大爆發(fā)（Campanian Ignimbrite eruption）毀滅了歐洲早期的尼安德特文明。火山大爆發(fā)數(shù)據(jù)和尼羅河水文變化記錄的研究，揭示由于火山大爆發(fā)導致尼羅河定期泛濫異常，區(qū)域性干旱引發(fā)農業(yè)危機和社會動蕩，導致托勒密王朝（公元前305-30年）的衰敗和滅亡。

希臘桑托里尼島錫拉火山（Santorini, Thera volcano）公元前16世紀米諾斯大爆發(fā)是過去4000年來最大規(guī)模的火山噴發(fā)之一。在米諾斯大爆發(fā)前，桑托里尼已經存在一個新月形破火山口，桑托里尼島早期的名字“Stronghyle”即源于此（圖4）。米諾斯大爆發(fā)摧毀了東地中海的大部分地區(qū)，噴發(fā)分為多個階段，主噴發(fā)階段主要是巖漿蒸氣噴發(fā)，噴出的火山灰覆蓋了桑托里尼島的東部和安納托利亞的大部分地區(qū)，接著噴出5-7.5立方英里的巖漿和12.5-19立方英里的火山碎屑物質。大爆發(fā)引起大范圍農業(yè)歉收和全球性氣候變化?；鹕礁r覆蓋了整個地中海，噴發(fā)引起的海嘯摧毀了地中海大部分地區(qū)的文明，阿克羅蒂里（Akrotiri）被空降火山灰和火山碎屑物掩埋，考古發(fā)掘使之成為又一個龐貝古城（圖5、圖6），大爆發(fā)摧毀了愛琴海青銅時代的米諾斯文明。米諾斯大爆發(fā)再次形成巨大的破火山口，沉沒在300余米深的海水中，形成了現(xiàn)在的桑托里尼島。

日本九州南部的鬼界火山（Kikai–Akahoya）距今7300年前大爆發(fā)，火山爆炸指數(shù)為7，在破火山口700km范圍內堆積了30cm厚的空降火山灰，火山碎屑流運移達100km，跨過海洋直達日本本土。這次火山大爆發(fā)造成嚴重的環(huán)境影響，大爆發(fā)引起大量的滑坡和洪水，大量的植物被摧毀，大爆發(fā)900年后區(qū)域生態(tài)都未能恢復到爆發(fā)前的狀態(tài)。大爆發(fā)摧毀了日本新石器時代的繩文陶瓷文化。

圖4 桑托里尼島錫拉火山（據(jù)Nomikou等，2014修改）

（二）近代火山爆發(fā)與環(huán)境影響

自18世紀以來，火山噴發(fā)已造成25萬人死亡，1815年印度尼西亞坦博拉火山（Tambora）大爆發(fā)時，全球人口還低于10億，目前的世界人口已達74億，全球有5～6億人口直接處于火山末日的籠罩下，未來大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)對人類的直接危害難以估量。

冰島拉基火山（Laki）1783年噴發(fā)，噴出8百萬噸氟化氫，20%～25%的冰島人死于火山噴發(fā)后的饑荒和氟中毒，約80%的羊、50%的牛、50%的馬死于牙和骨骼的氟中毒。噴發(fā)削弱了非洲和印度間的季風環(huán)流，導致非洲地區(qū)降水減少,引起1784年埃及饑荒，六分之一的人口死亡。在英國，由于火山灰大范圍降落，1783年形 成“ 砂 夏（Sand-Summer）”， 約 有25000人死于由此引起的呼吸道疾病,影響遍及歐洲、北美、墨西哥灣。火山噴發(fā)還導致數(shù)年的極端天氣。

印度尼西亞坦博拉火山1815年噴發(fā)造成92000人死亡，火山灰引發(fā)全球氣候異常，引發(fā)“硫酸鹽氣溶膠籠罩平流層”，形成“火山冬天”，使1816年成為“無夏天的一年”。北半球大部分地區(qū)農作物顆粒無收、全球性農業(yè)問題、牲畜大量死亡，引起19世紀最嚴重的饑荒?；鹕交覍е旅绹辈康貐^(qū)連續(xù)干霧，全球平均溫度降低0.4-0.5K，引發(fā)美國東海岸六月霜凍和下雪，并持續(xù)數(shù)月。歐洲部分地區(qū)遭遇寒冷的夏天和風暴多發(fā)的冬天。1816—1819年歐洲東南部和地中海東部遭遇嚴重的斑疹傷寒癥困擾，1816年孟加拉出現(xiàn)新霍亂病毒在全球擴散，流行病加重。坦博拉火山的噴發(fā)造成中國、歐洲和北美地區(qū)的溫度異常。

圖5 錫拉火山米諾斯大爆發(fā)阿克羅蒂里考古發(fā)掘遺址（Friedrich，2013）

圖6 維蘇威火山、龐貝古城及其考古發(fā)掘現(xiàn)場圖像（據(jù)Luongo等，2003修改）

印度尼西亞喀拉喀托火山（Krakatau）1883年噴發(fā)造成36500人死亡，火山灰云籠罩東南亞和澳大利亞西部地區(qū)，釋放的能量約合2億噸TNT?；鹕交覈娚涓叨冗_80km。1883年8月27日的爆炸性噴發(fā)引發(fā)30m高的海嘯。巽他海峽大部分區(qū)域和蘇門答臘海濱地區(qū)受到火山碎屑流沖擊，火山碎屑流沖進海洋引發(fā)大規(guī)模海嘯。

冰島埃亞菲亞德拉火山（Eyjafjallajokull）2010年噴發(fā)，雖然噴發(fā)規(guī)模遠小于前面所列幾次噴發(fā)，但是產生的火山灰噴發(fā)柱高度約9km，高緯度地區(qū)火山灰被噴發(fā)到平流層， 造成歐洲自二戰(zhàn)以來的最嚴重的航空運輸危機。為了避免空中災難，歐洲大部分機場關閉持續(xù)一周之久，經濟損失達20～50億美元。

從全球火山的分布來看，人口聚集區(qū)發(fā)生大規(guī)模的火山噴發(fā)將嚴重影響交通運輸，進而干擾商業(yè)活動、食品供應、醫(yī)療等。長期影響氣候變化，進而導致農業(yè)、地下水和土壤污染、流行病的傳播，造成無法評估的社會災難和人口傷亡。在全球和區(qū)域性尺度上，大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)對環(huán)境影響巨大，可產生短期或長期急劇的氣候變化，引起食物供應危機，影響生物圈物種的生存。

最近愛丁堡大學的研究團隊在南極西部裂谷近千米厚的冰蓋之下發(fā)現(xiàn)了138座火山，這些火山集中沿南極西部裂谷系統(tǒng)的走向分布，綿延達3000km，這將超越東非大裂谷成為世界大陸上最大的火山-裂谷系統(tǒng)。此外，越來越多的證據(jù)表明，伴隨著南極冰蓋的快速崩塌和融化，南極冰蓋下地幔柱和“熱點”的存在可能變?yōu)槭聦崳▓D7）。在大家激烈爭論碳排放、全球變暖引起南極冰川融化時，可曾想南極冰蓋已在火山和熾熱巖漿之上，未來南極冰蓋下如果發(fā)生大規(guī)?；鹕奖l(fā)，其后果將是難以想象的！

圖7 南極冰下熱點和河流分布示意圖（引自NSF/Zina Deretsky）

（三）把握火山脈搏

就火山噴發(fā)的規(guī)模和時間尺度而言，全新世的幾次大規(guī)模火山噴發(fā)主要以千年和數(shù)百年計，時間尺度較??；而對于大滅絕而言，其時間尺度可達數(shù)百萬年。根據(jù)數(shù)據(jù)對比，可以看出全新世的火山噴發(fā)尚處于大規(guī)?；虺壔鹕絿姲l(fā)的間歇期。因為超級火山噴發(fā)周期長、危害大，可稱之為低頻-高危型火山爆發(fā)，一般火山噴發(fā)周期短，危害相對小，可稱之為高頻-低危型火山噴發(fā)?？傮w上，全新世以來，沒有爆炸指數(shù)達到8或以上的毀滅性火山噴發(fā)，低頻-高危型火山噴發(fā)較少，以高頻-低危型火山噴發(fā)為主。因此，對人類文明的可持續(xù)發(fā)展來說，把握火山脈搏，進行低頻-高危型超級火山的研究和預測有重要意義。

超級火山噴發(fā)與未來地球

（一）發(fā)現(xiàn)超級火山

超級火山（super volcano）和超級噴發(fā)（super eruptions）因2000年英國BBC推出的關于火山噴發(fā)的紀錄片而流行起來。該紀錄片起到了很好的科普作用，增強了普通大眾對火山噴發(fā)的了解和興趣。實際上，火山學家對地球上超大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)的關注要早得多。van Bemmelen（1949）首次描述了地球上存在超大規(guī)模的火山噴發(fā)的證據(jù)，其識別出源自火山噴發(fā)形成的環(huán)繞印度尼西亞蘇門答臘島多巴湖的巨厚火山灰堆積。首先應用“super eruption”描述超大規(guī)模的火山噴發(fā)的是Rampino和Self（1992）。但一直沒有給予這類噴發(fā)明確的定義。直到Sparks（2005）認為噴射巖漿量超過1015kg，等價于體積上超過450km3的大規(guī)模的火山噴發(fā)為超級噴發(fā)。盡管有些古火山的熔巖流噴溢（泛流式玄武巖，而不是爆炸性噴發(fā)）具有類似的巖漿體積規(guī)模和深遠影響，但是“super eruption”一詞一般僅應用于持續(xù)時間相對短的爆炸性噴發(fā)事件。這類量級的爆炸性噴發(fā)在火山爆炸指數(shù)8或以上，產生的碎屑物在體積上達到1000km3或以上，超級火山通常形成巨大的破火山口（圖8）。

地球物理探測表明美國黃石火山（Yellow stone）和印度尼西亞多巴火山均具有跨殼幔的多級巖漿系統(tǒng)，在淺部地殼擁有巨大的巖漿房，儲集大量巖漿，可直接形成超級噴發(fā)。由于巖漿系統(tǒng)的差異（圖9），超級火山的噴發(fā)機制主要是巖漿浮力導致在巖漿房頂部形成超壓，引起超級噴發(fā)。一般的火山噴發(fā)主要多是幔源巖漿的補給引起巖漿房超壓促使爆發(fā)。大火成巖?。↙IPs)噴發(fā)主要是大規(guī)模幔源基性巖漿的溢流噴發(fā)。

（二）超級火山危機

研究表明，在過去的3600萬年，地球上已經識別出42次爆炸指數(shù)為8的火山噴發(fā)，代表性的除了多巴火山噴發(fā)（約在74000年前），還有新西蘭陶波火山噴發(fā)（Taubo）（約在24000年前）、黃石火山噴發(fā)（約在640000年前）等。

蘇門答臘島的多巴火山約在74000年前的大噴發(fā)，爆炸指數(shù)為8，火山噴發(fā)釋放到大氣中約800km3的火山灰和硫酸鹽氣溶膠，覆蓋東南亞大部分地區(qū)，厚度達10cm，致使大部分植物毀滅。隨后數(shù)年，中緯度地區(qū)降溫達5～15K。研究認為若多巴級別的火山噴發(fā)在同一地區(qū)再次出現(xiàn)，除了導致東南亞地區(qū)數(shù)以千萬的人死亡外，火山噴發(fā)對農作物的破壞，會引發(fā)世界上最密集地區(qū)20億人口饑荒。這將是史無前例的毀滅性的大災難。整個東南亞地區(qū)的航空和地面交通也將面臨癱瘓。

圖9 巖漿系統(tǒng)示意圖（據(jù)Miller等，2008；Cashman等，2017修改）A. 超級火山巖漿系統(tǒng)；B. 一般火山巖漿系統(tǒng)；C. 地幔柱巖漿系統(tǒng)

我國長白山天池火山946年大噴發(fā)，火山灰和火山碎屑物的噴發(fā)體積達120km3，噴發(fā)的火山碎屑物和火山碎屑流在長白山區(qū)方圓數(shù)千平方千米的范圍內散落堆積，使火山周圍大面積原始森林和生物被火山碎屑流、火山泥石流掩埋摧毀，進入平流層的火山灰則一直飄落至朝鮮半島、日本海以及日本北部等地。噴發(fā)形成的硫酸鹽氣溶膠，導致地表溫度大幅下降，造成大規(guī)模酸雨和火山灰云，引發(fā)北半球長達7年之久的“火山冬季”。

擔心世界末日的到來嗎？也許我們更應該警惕火山末日的到來。危險可能不在我們可望不可及的天空，它就在我們腳下，因為我們尚不知道它在何地形成？何時來到？

（三）演化著的地球——末日與新生

火山末日對生命和人類文明是致命的。然而，火山在毀滅，也開啟新生。7.5億年前，地球從“雪球”事件走來，火山噴發(fā)使海洋再次富集Ca、Mg、Si、P元素，使藻類繁盛，開啟生命之源。從地史更長的時間尺度上，火山大爆發(fā)是生物系統(tǒng)演化的催化劑，大滅絕猶如確保演化持續(xù)的發(fā)動機。在生物爆發(fā)-平衡-毀滅-新生的選擇性演進中推動生命系統(tǒng)向更高階段發(fā)展。人類文明的發(fā)展也不是連續(xù)的，一個文明的消失，往往伴隨著一個更高文明的新生。沒有尼安德特文明的消失，可能也沒有歐洲現(xiàn)代智人的出現(xiàn)?；鹕交顒印⑷驓夂蜃兓?、生物演變都體現(xiàn)出系統(tǒng)演化的特點，而且每一個系統(tǒng)都不是孤立的，通過復雜的耦合-反饋機制，推動地球系統(tǒng)向更高階段發(fā)展。這是穩(wěn)定平衡系統(tǒng)的擾動，還是混沌系統(tǒng)的漲落？人類會遇到無限的問題，找到的只是部分的證據(jù)，更多的密碼還掌握在大自然的手里。

結束語

伴隨著超大陸的裂解和集結，板塊構造不斷形成新的格局，有的火山長埋地下，有的火山已剝蝕殆盡，有的火山正在消亡，有的火山成為新構造的寵兒。在數(shù)以百萬年計的時間尺度上進行著新老的更替。生命的毀滅與新生也仍然在這里上演，活火山周期性的活動挑戰(zhàn)著人類文明和生物多樣性的空間，蟄伏的超級火山困擾著科學家的神經，左右著人類本身的存亡，推動著地球系統(tǒng)的演化。