火山活动

火山活动，也称为火山喷发或火山作用，是指固体、液体、气体及其组合体喷发到天体表面的现象。 它发生在含有内部热源的坚硬行星或卫星上，该热源部分融化或气化物质，然后在突破固体表面。

火山活动的原因

火山活动开始需要地幔的温度升高到其熔点的约一半。取决于此时地幔的粘度，大约需要 1021 帕斯卡秒的时间。当发生大规模熔融时，热传递速率会增加一百万倍，因为粘度会迅速下降到 103 帕斯卡秒甚至更低。

熔融物质比其起源物质密度更低、流动性更强，这可能导致其上升到表面并促成地质上的火山活动。

热源

火山活动需要热量，而热量可以通过多种方式产生。外太阳系卫星上火山活动的主要热源是潮汐加热。潮汐加热是天体因相互吸引而变形，从而产生热量的结果。月球的潮汐加热使地球的形状改变高达一米（3 英尺）。然而，这并不能解释地球整体热量的绝大部分。

行星的早期将加热于小行星撞击，这将比导致恐龙灭绝的小行星撞击更为显著。地球可以通过这种产生热量的分异作用升温更多。天体越大，散热越慢。这种被称为“原始热”的热量，对于包括地球在内的较大天体的内部热量来说，仍然是一个重要的组成部分，但在小得多的月球上，这种热量几乎已经消失了。

放射性衰变产生的热量称为“放射性热”。 由于其半衰期短（不到一百万年），26铝的所有痕迹早已消失。然而，它的衰变会使行星胚胎得到相当大的加热。

地球的所有行星和月球都因普通矿物中微量不稳定的同位素而受到一定程度的加热。由于它们通常较薄，且硅酸盐物质（一种积累放射性元素的物质）含量较少，因此外太阳系冰卫星接收到的这种辐射要少得多。

在火星和海王星的卫星特里同上可能可以看到冰泉活动。热量不是来自内部，而是来自太阳，这是一个外部热源。

熔融方法

• 减压熔融

当固体物质从天体深处向上移动时，就会发生这种情况。 随着物质高度的增加，熔点和压力都会下降。因此，即使温度保持不变，一种在特定压力和温度下呈固体的岩石，如果压力下降，熔点升高，就会变成液体。另一方面，对于水来说，在 0.208 GPa 的压力之前，熔点随压力升高而升高，超过该压力则下降。

• 助熔熔融

这是当挥发物（如水）加入并降低熔点时发生的。 它与减压熔融相似，因为它是由熔点下降而不是温度升高引起的。

冰浆岩库是如何形成的？

冰火山活动可能源于各种液态储层，而不是均匀的地下海洋。第一种可能产生它们的方式是：加热的冰羽流上升然后再次下降，形成对流循环。根据一个为研究这种现象对欧罗巴星的影响而创建的模型，当羽流横向或纵向扩张时，在这些浅层处可能会发生熔融，因为潮汐加热的能量集中在这些羽流中。

随后，充满流体的裂缝经历从垂直传播到水平传播的转变。这种储层可以通过大规模撞击产生的热量形成，或者通过冰壳中从表面穿透到里面的裂缝横向运动释放张力而形成。

熔体的上升

• 熔岩剪

行星体物质首先在某些高能位点，如晶界点以及不同晶体反应生成共晶液体的区域，以微小液滴的形式熔化，这些液滴最初被限制在岩石内部，并与其他晶体分开。如果接触角允许熔体沿着晶界流动并湿润晶面，熔融物质就会聚集得更多。然而，如果接触角高于约 60 度，则需要形成远比这个多的熔体才能将其与母岩分离。

根据基于地球的岩石研究，在加热的岩石中，熔体与刚性熔体渗透的观点相比，会迅速聚集到远大于晶粒尺寸的液滴和脉体中。熔体不是均匀地从源岩中滴出，而是通过汇聚成更大脉体的细流逃逸。浮力会引起熔体的上升。类似于将加热物质推向表面的熔岩剪，它们可能发生在非硅酸盐物质中。

• 岩脉

从力学上讲，岩脉是一种倒置的、垂直的、充满流体的裂缝。 由于其密度低于周围的围岩，因此上升的岩浆在垂直裂缝中的压力下降速度比周围较重的岩石要慢。

如果相邻岩石和岩浆的标准压力相等，则裂缝顶部的压力高于其周围岩石，而底部压力低于其周围岩石。因此，岩浆将裂缝向上推开，而底部则因弹性反应而被压紧（想象一下坐在弹簧沙发旁边的隆起）。在岩脉的尾部变得如此之薄以至于几乎闭合之前，没有更多的岩浆能够向上移动到裂缝中。作为一个独立的岩浆团块，裂缝继续上升。

• 直立管模型

尽管不再适用，但这个火山喷发模型对数据的描述非常出色，而更新的模型却无法做到这一点。根据该模型，岩浆通过不透水的开放通道上升到岩石圈，并在静水压力平衡水平处沉降。 虽然它为某些事实提供了清晰的解释，包括邻近火山海拔的明显排列，但它并不准确，因为根据这些测量计算出的岩石圈厚度太大，无法用刚性开放通道的假设来支撑。

冰浆的上升

由于冰浆倾向于依赖水，因此在冰火山活动中，水比上面的冰更浓。这与硅酸盐火山活动不同，在硅酸盐火山活动中，熔体将通过其自身的浮力上升，直到到达浅层地壳。通过添加逆负浮力的物质使水密度降低，通过包含先前分解到冰浆中的气体气泡（使冰浆密度降低），或通过冰壳中存在增稠剂，可以使冰浆到达表面。

另一种方法是向流体施加压力，以帮助其对抗负浮力并上升到表面。当地下海洋上方的冰壳生长时（对于冰火山活动而言，冻结的水或盐水比其液态形式密度低），整个海洋可能会被加压。当一个液态储层部分冻结后，剩余的液体也会受到相同的压力。

冰壳中向上传播的裂缝需要流体中的浮力以及足够强的外部载荷来破裂冰层。如前所述，外部力可能来自冻结引起的过压或来自潮汐。

冰火山熔体上升存在另一种潜在机制。当一个充满水的裂缝接近海洋或地下流体储层时，水会上升到静水压力平衡点，该点对应于到表面的距离的九十分之九。冰壳可能面临来自潮汐的压缩和应力，这可能导致水向上涌。

1988 年的一篇论文提出，裂缝可能从木星的卫星欧罗巴星的地下海洋向上生长。有人认为，向上传播的裂缝在其顶点会有一个低压区，这将导致溶解在水溶液中的挥发物分解成气体。由于冰壳具有弹性，裂缝不太可能到达表面；相反，它会闭合，限制气体和液体。气体可能通过增加浮力来帮助裂缝到达表面。

即使撞击也能为岩浆更快上升创造有利条件。撞击可以清除地壳顶部的几公里，而盆地与其邻近地形之间海拔差异引起的压力变化可能导致岩浆喷发，否则岩浆会停留在地下。根据 2011 年的一篇论文，撞击盆地的边缘将包括岩浆加速上升的区域。

温和到剧烈的喷发

• 爆炸行为的原因

火山喷发可能看起来很简单，就像物质简单地倾泻到行星表面一样。然而，大多数火山喷发都包含固体、液体和气体的复杂混合物，它们以同样复杂的方式相互作用。等量的 TNT 可能会释放某些类型爆炸性喷发能量的 25%。

在地球上，火山喷发经常表现出喷发富气和贫气物质之间的交替。 当岩脉在地表破裂时，岩浆会富集气体，这可以解释来自更深处未富集气体的岩浆。

温度和压力对气体溶解度的影响是导致溶解在岩浆中的气体随着岩浆接近地表而分离的原因。压力会增加气体溶解度，当含有溶解气体的液体减压时，气体通常会溶解（或分离）出来。

这就像打开碳酸饮料瓶盖时发生的那样；压力下降，二氧化碳气泡会散布在饮料中。流体岩浆会默默地喷发。在到达地表之前，任何分解的火山灰中的气体都可以很容易地逸出。

另一方面，溶解但被困在粘稠岩浆中的气体会在熔岩中形成气泡。这种特性使喷发这种物质的火山容易“爆炸”，尽管火山喷发中的压力总是下降，而爆炸伴随着压力上升。

通常存在先前混合到冰浆中的挥发物，导致爆炸性的冰火山活动。 这个过程与爆炸性硅酸盐火山活动相似，后者是以下讨论的主要内容。

• 爆炸性喷发动力学

在喷发之前，富含二氧化硅的岩浆会在地表以下冷却。这会导致气泡从岩浆中溶解出来。气泡扩散，岩浆的体积随着它接近地表而增加。随着更多气体的溶解，它会爆炸性地喷出，其压力最终上升到地表并冲破。气体的膨胀可以以每秒数百米的速度向上和向外发生。由于链式反应，岩浆的喷发速率会不断增加。

• 火山灰的形成

火山灰是由一种称为火山灰的气体和岩浆胶体被强力膨胀并破裂而形成的。 膨胀的气体冷却了灰烬中的岩浆碎片，这导致了微小的玻璃碎片，这些碎片可以被识别为先前液态气泡壁的碎片。在流动性更强的岩浆中，气泡壁可能会重组为球形液滴。

胶体的最终状态高度依赖于液气比。贫气岩浆最终冷却并形成多孔熔岩，即含有微小孔隙的岩石。当富气岩浆冷却并产生几乎相互接触的空隙且平均密度小于水的一半时，就会形成浮石。同时，如果气体加速其他物质，则会产生火山弹。大的火山弹由于其能量巨大，在撞击地面时可能会留下陨石坑。

• 火山碎屑流

当岩浆和火山气体组成的胶体回落到地球时，会产生一种称为火山碎屑流的致密流。气体使胶体部分流体化，使其能够扩散。这些通常能够越过障碍并摧毁人类生命。

爆炸性喷发的其他过程

如前所述，蒸汽溶解通常会导致爆炸。然而，有几种方法可以产生剧烈喷发。

• 蒸汽喷发

在蒸汽喷发期间，水转化为蒸汽，导致其以超音速膨胀，达到初始体积的 1700 倍。 这足以打破坚硬的岩石，并将岩石碎片抛射数百米远。当受热的岩浆接近水时，会发生火山碎屑喷发，从而产生爆炸。

• 笼形水合物

冰浆接触笼形水合物是导致爆炸性冰火山活动的一种方式。 接触温度升高时，笼形水合物会迅速分解。1982 年的一篇文章讨论了这样一个可能性：当接触到升高的热岩浆时，笼形水合物失稳会产生加压气体，最终可能导致爆炸冲破地表，从而引发爆炸性冰火山活动。

真空中的水蒸气

如果裂缝到达冰体表面，水将迅速沸腾，上升的水柱会暴露在大多数冰体顶部的近真空环境中。这是因为水的蒸气压远高于周围环境的压力。

此外，水中存在的任何挥发物都会经历溶解。这些步骤的组合将产生液滴和蒸汽，它们可能会沿着裂缝上升，形成羽流。这被认为是主要负责土卫二的冰羽流。

熔岩种类

熔岩是指岩浆喷发到行星表面时发生的现象。 粘稠的熔岩会产生短而粗壮、富含玻璃的熔岩流，通常具有波浪状纹理。流动性更强的熔岩具有分离成几个类别的表面纹理。

• 枕状熔岩

当某种物质，最常见的是熔岩，与水接触时，会导致熔岩流快速冷却。 这会使熔岩的外层破裂，然后熔岩的岩浆会聚集到小袋中，这些小袋通常会堆积在熔岩流的路径上，形成一种称为枕状的结构。

• 粗糙熔岩

这种熔岩具有粗糙、尖刺的表面，由称为碎屑的熔岩碎片组成。块状熔岩是另一种类型的熔岩，其碎片比粗糙熔岩少。

• aa熔岩

这是最常见的熔岩类型，在地球和任何其他类地行星上可能都如此。它具有平坦的表面，带有各种波浪和起伏以及褶皱。

发生情况

在地球上，火山通常位于构造板块汇聚或分离的地方，由于地球大部分板块边界都在水下，因此大多数火山都位于水下。 例如，海底的山脊，如大西洋中脊，包括由离散构造板块形成的火山。

然而，环太平洋火山带的火山是由汇聚构造板块形成的。当存在地壳板块的运动和变薄时，火山就会发生，例如东非裂谷、威尔斯格雷-克利尔沃特火山区和北美里奥格兰德裂谷。已假设与板块边界分开的火山活动源于核心-地幔边界（地球下方 3000 公里（1900 英里）深处）上升的熔岩剪。

这就是所谓的“热点火山活动”，夏威夷热点就是其中一个例子。当两个构造板块相互滑动时，通常不会形成火山。大型喷发可能会影响大气温度，因为火山灰和硫酸液滴会遮挡太阳并冷却地球的对流层。历史上，大型火山喷发之前曾出现火山冬天，导致毁灭性饥荒。

地球的月球目前没有活跃的火山或大型火山，但新的研究表明它可能仍然有一个部分熔融的核心。然而，月球确实包含许多火山地貌，包括穹丘、月溪和月海（较暗的区域）。

金星表面 90% 由玄武岩构成，表明火山活动在行星表面形成中起着重要作用。 根据地表撞击坑的数量，科学家们认为该行星在约 5 亿年前经历了一次大规模的全球性重塑事件。

虽然不知道金星目前是否经历火山喷发，但该行星大气中的变化和闪电观测与火山活动有关。根据麦哲伦号任务进行的雷达探测，金星上最高的火山——蒙斯·马特（Maat Mons）的顶部及其北部斜坡附近有火山活动的迹象，如火山灰流。然而，这些火山灰流的解释是否应该被视为火山灰流，这一点尚有争议。

存在几种地球上不存在的熔岩流和稀有类型的火山活动。火星曾有过许多已灭绝的火山，其中有四座是巨大的盾状火山，它们比地球上的火山还要庞大。 这些是帕沃尼斯山（Pavonis Mons）、赫卡特斯山（Hecates Tholus）、奥林帕斯山（Olympus Mons）、阿尔西亚山（Arsia Mons）和阿斯克雷乌斯山（Ascraeus Mons）。尽管这些火山被认为已灭绝数百万年，但欧洲的火星快车任务发现了证据，表明火星可能曾有过火山活动。

由于与木星的潮汐相互作用，木星的卫星木卫一（Io）是太阳系中火山活动最活跃的天体之一。由于众多火山喷发硅酸盐岩石、硫和二氧化硫，木卫一不断地进行地表重塑。其熔岩的温度超过 1800 K（1500 °C），是太阳系其他地方记录到的最热的熔岩之一。

太阳系历史上已知最大的火山喷发发生在 2001 年 2 月的木卫一上。与木星较小的伽利略卫星欧罗巴（Europa）一样，它似乎也有一个活跃的火山系统，但所有的火山活动都集中在凝结成冰的地表水形式。这种现象称为冰火山活动，被认为在外行星卫星上最为普遍。

1989 年，旅行者 2 号探测器在海王星的卫星特里同（Triton）上发现了冰火山，即冰火山。 2005 年，卡西尼-惠更斯号任务拍摄到了从土星的卫星土卫二（Enceladus）喷出的冰粒子喷泉的图像。喷射物中含有氨、尘埃、液氮、水和甲烷化合物。此外，卡西尼-惠更斯号还发现了土星的卫星泰坦（Titan）上存在冰火山的证据，它被认为是泰坦大气中甲烷的主要来源。冰火山活动也被认为存在于柯伊伯带天体夸奥尔（Quaoar）上。

2009 年发现系外行星 COROT-7b 的凌日现象，促使研究人员推测，与木卫一类似的大规模火山活动可能由靠近行星的宿主恒星和其他行星引起的潮汐加热产生。

群体灭绝与火山活动

目前认为火山活动在许多大规模灭绝事件中起着重要作用。同时，并不总是清楚火山活动究竟如何引起全球性灭绝。毕竟，维苏威火山和喀拉喀托火山被摧毁了，但并未造成灾难性灭绝。

尽管这些是大多数人熟悉的那种剧烈喷发，但它们规模不够大，不足以造成大规模灭绝。专家认为，一座爆发并喷出熔岩的著名山峰并非造成灾难性灭绝的火山活动类型。

相反，想象一下地面上巨大的裂缝和开口，在无数年的时间里持续不断地喷发熔岩。尽管这种类型的火山活动不像火山顶炸开那么戏剧化，但它产生的熔岩量要大得多。它影响的区域达数百万平方公里。大部分熔岩是在地质上的短暂时间内释放的，不到几十万年。例如，西伯利亚暗色岩的喷发（与二叠纪末期灭绝有关）留下了覆盖西欧面积且厚度超过 1 公里的熔岩！

看来，灭绝并非由喷发本身引起，而是由这种更缓慢、渗入式的火山活动后续影响引起。岩层可能导致真正的灾难，即熔岩在喷发过程中与它们接触，即使喷发式喷发确实直接释放出破坏动植物的气体，并导致酸雨和气候变化。

当熔岩爆炸时，如果它接触到含有有机化合物的岩石（如煤层）时，可能会释放大量温室气体和有毒气体，如二氧化碳、甲烷和二氧化硫。

这种大气化学成分的变化可能引发了一系列可怕的事件。几十年的二氧化硫浓度会导致短期降温，而数百万年的二氧化碳和甲烷则会导致长期全球变暖。

这些气候变化可能直接导致脆弱物种灭绝，而其他物种可能被迫迁移其活动范围，从而破坏生态系统动力学并导致其他物种灭绝。此外，当沉积物被推入海洋时，大量的死亡陆地植物可能会加剧侵蚀并损害敏感的海洋栖息地。全球变暖也可能阻碍洋流循环。