火山是一个由固体碎屑、熔岩和穹状喷出物围绕着其喷出口堆积而成的隆起的丘或山。当地球内部的熔浆、岩石碎片及挥发分通过火山口到达地表时,我们称之为“火山喷发”。火山喷发时岩浆的温度接近1250℃,局部可达1400℃[1]。通常在地球内部10~200km的深度都会产生岩浆,它是一种非常炙热的固溶体,会通过其内部的压力差向上流动,当喷出地表时就形成了火山(图1)。

火山灰和暴雨结合形成的泥石流能冲毁道路桥梁,淹没乡村和城市,若火山灰上升到平流层会随大气环流而污染环境,还能引发海啸等地质灾害。但是火山活动也能带来丰富的钾、磷等营养元素,还能形成硫磺矿等多种矿产,同时火山活动还可制造间歇泉、地下森林等自然奇观,促进旅游业的发展。

图1俯冲带火山形成及喷发过程

印度尼西亚(以下简称印尼)地处欧亚板块、太平洋板块与印度-澳大利亚板块碰撞拼合的部位,火山活动频繁,被称为“火山之国”。全国共有近500座火山,其中120座为活火山,以巽他沟弧体系中的克卢德火山和默拉皮火山最为活跃。印尼火山活动给当地百姓造成了巨大的灾难,但同时也带来了丰富的自然资源,如地热、金属矿产等,同时还能制造自然奇观,促进当地旅游业的发展。近年来,印尼有些火山又有活动的迹象,人们赴印尼的火山旅行要谨慎。

1、火山的结构

火山由火山口、岩浆通道和火山锥组成(图2)。火山物质由火山口喷出地表,岩浆通道是连接岩浆房与火山口的管道,火山锥是由两侧均匀分布的火山熔岩、火山碎屑组成。当岩浆受压向两侧流动时会在岩浆通道两侧形成侧通道,若由侧通道喷出地表会形成次生火山锥,这种结构在复式火山中最为常见。

2、岩浆

岩浆自然状态下呈液态,主要由氧、硅、铝、铁等10种元素组成,另外包含一些微量元素、岩石碎片及挥发分,挥发分90%以上的成分为水和二氧化碳[3]。随着温压的降低,岩浆会结晶出不同的矿物,形成不同类型的火山活动。熔浆能以液体的形式缓慢溢出地表,也能以火山灰及碎片的形式喷出地表,这取决于熔浆的黏度。黏度受温度、SiO2含量、挥发分等因素控制,其中SiO2含量占主要地位。根据SiO2含量可将岩浆分为四种类型。

图2火山的结构

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(资料来源:据文献[2]修改)

1)玄武质岩浆。玄武质岩浆含48%~52%的SiO2,并且含少量的挥发分,易于流动。因为它来自幔源岩石的部分熔融,又称作地幔岩浆。玄武质岩浆多形成盾状火山,密度约2.9g/cm3,暗色,主要矿物成分为橄榄石、辉石、钙长石。

2)安山质岩浆。安山质岩浆含52%~63%的SiO2,并且含大量的挥发分,它的黏度介于玄武岩和流纹岩之间。安山质岩浆来自于地幔岩石的部分熔融,并且有水的参与,因此又称作大陆边缘型岩浆。

3)英安质岩浆。英安质岩浆一般出现的几率较小,它含63%~68%的SiO2,所含挥发分的含量也较高,主要矿物成分为斜长石、黑云母、角闪石、辉石。由于它含有中等含量的硅,因此黏度较大,易于大规模喷发。英安质岩浆多形成侵入体,如岩脉、岩基等。

4)流纹质岩浆。流纹质岩浆含68%~77%的SiO2,所含的挥发分也最多,约占整个岩浆成分的10%。在所有的岩浆类型中它的黏度最大,喷发类型多为爆裂式喷发。所含挥发分主要成分为CO2、H2O、SO2等,FeO、MgO含量较低,这种成分类似于大陆地壳,因此被认为是来自大陆地壳的部分熔融,也被称作大陆型岩浆。

3、火山的分布

自板块构造理论建立以来,很多学者认为大多数火山都分布在板块边界上,少数火山分布在板内。据统计,全球62%的活火山呈串珠状分布在板块边界位置上,其中90%分布在环太平洋火山带上[4]。但是火山活动在板块内部也能发生,被称为板内火山或热点,它们多采用地幔柱成因来解释。

3.1汇聚型板块边界

在汇聚型板块边界常发生强烈的火山活动,当两个板块发生碰撞,较重的板块会俯冲到较轻的板块之下,温度压力增大会导致岩石发生部分熔融,进而引发火山活动(图3)。环太平洋火山带就属于这种类型,全长4万余千米,呈一向南开口的环形构造系。环太平洋火山带,有活火山512座,火山活动频繁,据历史资料记载全球现代喷发的火山这里占80%,主要发生在北美、堪察加半岛、日本、菲律宾和印度尼西亚。

图3火山作用及板块构造背景

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(资料来源:据文献[2]修改)

与俯冲带相关的火山活动分两种类型,一种为洋洋俯冲,一种为洋陆俯冲。当大洋岩石圈向另一大洋岩石圈俯冲时,会形成一系列链状岛屿,也称为“岛弧”,如加勒比岛弧、日本岛弧、菲律宾岛弧、印度尼西亚岛弧等。当大洋岩石圈向大陆岩石圈俯冲时,会在大陆边缘一侧形成一系列链状火山,称为“陆缘弧”,如安第斯山、新西兰北岛等。

3.2离散型板块边界

离散型板块边界火山活动多分布在大洋中脊或大陆裂谷。大洋中脊也称大洋裂谷,它在全球呈“W”形展布,总长8万余千米。大洋内的火山就集中分布在大洋裂谷带上,分布不均,多集中于大西洋裂谷,北起格陵兰岛,经冰岛、亚速尔群岛至佛得角群岛,长达万余千米。

东非裂谷是大陆最大裂谷带,分为两支,裂谷带东支南起希雷河河口,经马拉维肖,向北纵贯东非高原中部和埃塞俄比亚中部,至红海北端,长约5800km,再往北与西亚的约旦河谷相接;西支南起马拉维湖西北端,经坦喀噶尼喀湖、基伍湖、爱德华湖、阿尔伯特湖,至阿伯特尼罗河谷,长约1700km。自中生代裂谷形成以来,火山活动频繁,尤其晚新生代以来更为盛行,据统计,非洲有活火山30余座,多分布在裂谷附近。

3.3热点

热点主要指板内的火山活动,被认为是地幔柱成因。当地幔柱上涌,其携带的巨量热能导致板块熔融形成岩浆,这些岩浆到达地表就形成了火山。如果地幔柱之上的板块发生移动,则在地幔柱上方形成新的火山,最终会形成一系列链状的火山。可根据热点的延伸方向来判断地幔柱之上的板块移动方向,如夏威夷热点。

4、火山的分类

4.1根据火山活动的连续性分类

1)活火山。活火山是指现代持续喷发或周期性发生喷发活动的火山,严格的定义指在过去1万年之内喷发过的火山。世界上有1500多座活火山,75%分布在环太平洋火山带上,日本约占10%[5,6]。这类火山正处于活动的旺盛时期,如印尼爪哇岛上的默拉皮火山,平均间隔两年就要持续喷发一个时期。

2)死火山。死火山是指史前曾发生过喷发,但截止目前仍未活动过的火山。此类火山已丧失了活动能力,有的火山仍保持着完整的火山形态,有的则已遭受风化侵蚀,只剩下残缺不全的火山遗迹。

3)休眠火山。休眠火山是指有史以来曾经喷发过.但长期以来处于相对静止状态的火山。此类火山都保存有完好的火山雄形态,仍具有火山活动能力,尚不能断定其已丧失火山活动能力。

应该说明的是,这三种类型的火山之间没有严格的界限。休眠火山可以复苏,死火山也可以“复活”,相互间并不是一成不变的,因此这种分类方法主观性较大。

4.2根据火山喷发状况分类

1)宁静式。火山喷发时,只有大量炽热的熔岩从火山口宁静溢出,顺着山坡缓缓流动,好像煮沸了的米汤从饭锅里沸泻出来一样。溢出的以碱性熔浆为主,熔浆温度较高,黏度小,易流动,含气体较少,无爆炸现象。夏威夷诸火山为其代表,又称为夏威夷型。

2)爆烈式。火山爆发时,产生猛烈的爆炸,同时喷出大量的气体和火山碎屑物质,喷出的熔浆以中酸性为主。

3)中间式。属于宁静式和爆烈式喷发之间的过渡型。此种类型以中碱性熔岩喷发为主,可以连续几个月,甚至几年,长期平稳地喷发,并以伴有歇间性的爆发为特征。以靠近意大利西海岸利帕里群岛上的斯特朗博得火山为代表。

4.3根据喷出物的性质和喷发的强烈程度分类

1)冰岛式喷发。冰岛式喷发又称裂隙式喷发,喷发时岩浆沿地壳中的断裂带溢出地表,温和宁静。喷出的岩浆为黏度小的基性玄武岩浆,碎屑和气体较少。基性熔岩溢出后形成广而薄的熔岩被或玄武岩高原。在第三纪地球多处发生冰岛式的火山喷发,形成广袤的玄武岩高原,其中比较著名的是哥伦比亚高原,在美国西北部延伸20多万平方千米,喷出的玄武岩厚度达3000m。

2)夏威夷式喷发。类似于1950年夏威夷莫纳罗亚山火山喷发的模式为夏威夷式喷发。这种类型的喷发多沿着裂隙,比较平静,没有强烈爆发,喷出的多为玄武岩及碱性熔岩,气体和火山灰很少,最终会形成宽广的盾状火山。夏威夷式喷发通常是连续的,但是会有1~5s的间隔时间。

3)斯特隆布利式喷发。这种类型的火山喷发最利于观赏,且破坏性最小,最早于1965年在哥斯达黎加被发现,后根据意大利斯特隆布利岛的火山喷发而命名。它最开始也是从裂隙中喷发,规模较小,喷出高度不超过100m。斯特隆布利式喷发频率较高,喷出物主要是火山弹、火山碴和老岩石碎屑。所含挥发分较多,岩浆黏度较大,自然界中多见玄武质或安山质岩浆。

4)武尔卡诺式喷发。火山喷发规模巨大,常伴随大量火山灰、火山渣、岩石碎块及火山弹等,但是频率很低,通常会有几千年的间歇期。这种类型的火山岩浆为黏稠状,含较多挥发分,且不容易逸出,形成较高的气压,导致火山喷发规模巨大且伴随巨大的响声,与斯特隆布利式喷发类似,但是却没有或很少有熔岩流。武尔卡诺式火山喷发多形成安山质-英安质的沉积物,日本的樱岛火山和巴布亚新几内亚的塔乌鲁火山是两个经典的例子。

5)维苏威式喷发。以意大利维苏威火山喷发命名,这种类型的火山喷发通常休眠期较长,但是一旦喷发,规模巨大,火山口很深,熔浆呈爆炸式喷出,也有人将它归属于普林尼式喷发。

6)喀拉喀托式。喀拉喀托火山位于印度尼西亚巽他海峡,这种类型的火山喷发非常猛烈,火山灰的顶部很有可能会垮塌。1883年喀拉喀托火山喷发达到了6级,是世界上规模最大的火山喷发之一,损毁了喀拉喀托岛的大部分,并造成3.6万人丧生。

7)培雷型喷发。1902年培雷火山喷发,毁灭了马提尼克。它具有强烈喷发爆炸的特点,同时伴随大量火山碎屑和火山灰,但是扩散范围较小(50km2)。岩浆成分多为流纹、英安质、粗面质、安山质,因此黏度较大,多形成层状火山。这种类型的火山可以沉睡数十年,然后苏醒,喷射几周火山灰之后再沉寂几个月,然后突然喷发形成迅猛的火山灰流。培雷式火山喷发常形成火山锥,坡度较大,顶部为岩穹,经后期火山活动可能会垮塌。

8)普林尼式喷发。普林尼式喷发与维苏威式喷发类似,但爆炸更加强烈,并有巨大的响声。熔浆的成分多为流纹质、英安质,黏度很大,且其中含较多的挥发分,当它们在狭窄的火山通道冲破黏稠的岩浆“塞子”时便形成了大规模的火山喷发。普林尼式火山喷发可以数小时结束,也可持续数天,喷出物高度可到45km。

5、印度尼西亚的火山活动

印度尼西亚地处欧亚板块、太平洋板块与印度-澳大利亚板块碰撞拼合的部位,火山活动频繁,被称为“火山之国”。印尼火山主要位于环太平洋火山带上,尤其在爪哇沟弧体系附近最多。印尼有近500座火山,其中129座为活火山,其余为死火山或休眠火山。

5.1休眠火山

以坦博拉火山为代表,位于印尼松巴哇岛北部,高2851m,火山口宽11.2km,在1815年大喷发前已沉睡了5000年。1815年4月5日,坦博拉火山爆发,不断向高空喷出大量的火山灰和气体,在3天内将附近480km范围内的天空完全遮黑。从火山口倾泻下来的熔岩流,在淹没了山脚下大片农田后,流入海中,激起冲天水雾。此次火山活动喷出150~170km3火山灰,火山灰柱高达45km,全球气温平均下降0.53℃,形成了一个直径达6000多米,深700多米的巨大火山口。

5.2活火山

印尼活火山主要位于巽他沟弧系统中,这个系统涵盖了哈马黑拉岛、苏拉威西岛、桑义赫群岛以及菲利宾等地的火山活动。火山喷发类型多为中心式喷发,火山爆发强度较大,往往造成严重的火山灾害。目前,在印度尼西亚最为活跃的活火山为爪哇岛上的克卢德火山和默拉皮火山以及位于爪哇岛和苏门答腊岛之间的喀拉喀特火山。

克卢德火山是印尼爪哇岛最危险的火山之一,海拔1731m。1919年大喷发,104个村庄被毁灭,5500人遇难,数万公顷农作物绝收。1966年4月28日,克卢德火山再次爆发,摧毁9座村庄,282人丧生。2014年2月14日,克卢德火山再次喷发,20万人被疏散。

默拉皮火山位于中爪哇岛日惹市北部约25km处,海拔2965m,是世界上最大规模的第四纪活火山之一,是由印度-澳大利亚板块向欧亚板块俯冲引发的。默拉皮火山在2000年之前至少喷发了61次,火山成分为玄武岩、高钾玄武质安山岩[7]。默拉皮火山喷发造成了巨大的损失,1900年的喷发毁坏了5个村庄,造成100多人丧生,1930年的喷发造成7000余人当即死亡,2006年的喷发造成3400人因火山灰尘而患肺病、呼吸困难、腹泻等疾病。2010年默拉皮火山再次喷发,喷出的火山灰冲上高达1500m的空中,500多摄氏度的高温火山熔岩流向山坡,造成322人死亡,另外1413.19hm2的居民地、农场、稻田等受到影响,12276间房屋被摧毁[8]。

喀拉喀托火山位于爪哇岛和苏门答腊岛之间的巽他海峡,海拔813m,它是一座第四纪活火山,也是近代喷发最猛烈的一座活火山。1883年8月28日,喀拉喀托火山喷发,喷射出大量碎石、火山灰,大量岩浆从底层岩浆库涌出,以致火山顶崩塌并沉没下去,造成该岛三分之二的人口(35000~70000人)死亡和失踪。由此引起的海啸巨浪高达40m,不仅毁坏印度洋沿岸及东亚地区,连好望角和南美的巴塔哥尼亚地区都受到了影响。

5.3火山活动带来的价值及危害

5.3.1价值

印尼火山活动频繁,但同时地热资源也非常丰富,虽然目前开发的不多,却给当地人民带来了很多效益,而且地热资源干净卫生,大大减少了石油等能源进口。此外火山喷发携带的火山灰含大量营养元素,能使土地更加肥沃,有利于农作物的种植。

在印尼,旅游业最能体现火山资源的价值。其中巴厘岛最为著名,主要由一系列活火山和休眠火山组成,包括阿贡火山(3143m)和巴杜尔火山(1717m)。2012年,巴杜尔火山被联合国教科文组织认定为世界地质公园,“火山遗迹”成为其旅游特色及口号[9]。

但是在2017年9月下旬,巴厘岛阿贡火山地区地震频发,火山喷发的可能性增加,周围数万居民紧急撤离。11月21日,阿贡火山开始喷发,火山周边约25000人紧急撤离。印度尼西亚将巴厘岛火山喷发预警提升至最高级别,附近部分旅游景点已经受到火山灰影响,当地国际机场临时关闭,因此这段时间赴巴厘岛的旅行要慎重。

5.3.2危害

火山附近农业人口密集,火山活动造成的人员伤亡也更为惨重,人类历史上最猛烈的两次火山爆发(坦博拉火山和喀拉喀特火山)都发生在印尼。此外,火山活动会引起海啸等地质灾害,如1871年苏拉威西岛Ruang火山喷发引起的海啸造成了至少400人死亡[10]。

6、结论

1)火山由火山口、岩浆通道和火山锥组成。岩浆根据SiO2含量可分为玄武质岩浆、安山质岩浆、英安质岩浆、流纹质岩浆四大类。

2)火山大多沿板块边界分布,包括汇聚型板块边界和离散型板块边界,少数火山分布在板内,表现为热点。

3)火山按活动的连续性可分为死火山、活火山和休眠火山,按喷发状况可分为宁静式、爆裂式和中间式,按喷出物的性质和喷发的强烈程度分为冰岛式、夏威夷式、斯特隆布利式、武尔卡诺式、维苏威式、喀拉喀托式、培雷式、普林尼式八种。

4)印度尼西亚地处欧亚板块、太平洋板块与印度-澳大利亚板块碰撞拼合的部位,火山活动频繁。近年,有些火山又有活动的迹象,因此国人要停止赴印尼的火山旅行活动。

程湘,胡鹏,张海坤.火山作用及印度尼西亚火山概况[J].中国矿业,2018,27(S1):421-425+428.\

基金:中国地质调查局二级项目“印度尼西亚苏门答腊岛铜多金属资源潜力评价”资助(编号:DD20160114).