聖海倫火山內部：科學家發現預測火山爆發的線索

1980年5月18日清晨，來自俄勒岡州波特蘭的自由攝影師阿琳·愛德華茲和她19歲的女兒喬琳開車穿過哥倫比亞河，來到華盛頓州西南部的一處高聳的岩石露頭。在那裡，她們架起了阿琳的相機，開始觀察東南方向10英里外的聖海倫火山。在過去的兩個月裡，這座火山一直在噴射火山灰和蒸汽，愛德華茲一家是周圍山脊上數十名觀察者之一，他們認為自己處於安全的距離。那是一個美好的星期天早晨，空氣溫暖而平靜，萬里無雲，火山雄偉而可怕，冰川上佈滿了火山灰。

突然，聖海倫火山的整個北側開始滑入鄰近的山谷。一股憤怒的灰色粉碎岩石和熱氣體雲從幾秒鐘前還是山坡的地方噴湧而出。雲團爆炸性地增長，充滿了東方的天空，並向阿琳和她的女兒衝去。當雲團襲擊她們所站的觀察點時，阿琳被吹飛了1000英尺遠；她的屍體後來在山脊下方一顆鐵杉樹的樹枝中被發現。喬琳死於火山灰窒息，被發現時靠近她母親的皮卡車。在火山周圍，還有其他55人死亡或身受重傷，他們是一場比地質學家預期的規模大得多的火山爆發的受害者。

三十五年多後的今天，在距離愛德華茲一家站立的山脊僅幾百碼的地方，華盛頓大學的地震學研究生卡爾·烏爾伯格跪在重新生長的森林的綠色植物中。一個大型塑膠冷卻器半埋在他面前的地下，其沾滿泥土的蓋子像一個通往地下的艙口。他伸入一堆電子裝置和電線中，取出一張快閃記憶體卡。遠處，聖海倫火山在陽光下閃閃發光，火山最近一次2004-2008年噴發的冷卻岩漿部分地填滿了火山口。烏爾伯格將這張包含火山下方六個月振動資料的快閃記憶體卡放入一個塑膠攜帶盒中，並將一張新的卡插入記錄儀。“這就是我們將要弄清楚那裡發生了什麼的方式，”烏爾伯格望著火山說道。

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在過去的三年裡，這個地震站和散佈在聖海倫火山周圍的其他69個地震站一直在記錄埋藏炸藥的震動、地震的顫動，甚至遠處海岸線上海洋波浪的微弱沙沙聲。它們是一個名為“聖海倫火山下方岩漿成像”（iMUSH）專案的一部分，該專案旨在追蹤熔岩從地球內部到地表的運動。這是有史以來為火山下方的管道系統成像而進行的最雄心勃勃和最全面的努力之一，它揭示了一個迄今為止未曾見過的地下世界。傳統的火山觀點很簡單：一個深埋地下的含岩漿室，有一條稻草狀的管道通向地表。但在聖海倫火山下方，熔岩正在通過幾個相互連線的儲層移動，在那裡它經歷了化學變化，可能導致更猛烈的噴發。為火山提供燃料的岩漿正在水平和垂直方向上移動，繞過障礙物，並利用地球中已有的斷層。當岩漿移動時，會引起深層和淺層地震，預示著未來的噴發，因為火山下方的岩漿室正在重新充能。

iMUSH的這些和其他發現不僅對居住在喀斯喀特山脈（包括溫哥華、西雅圖、波特蘭、裡諾和薩克拉門託附近地區）和其他火山附近的數百萬人具有重要意義，而且對全球其他火山也具有重要意義。自1980年以來，全球已有超過25000人死於火山爆發，因此迫切需要更好的災害預報。與聖海倫火山一樣，大多數陸地火山都矗立在地球板塊碰撞之上，這些板塊使來自地球內部的熱量能夠到達地表。該專案的一個目標是將iMUSH的發現擴充套件到其他火山，甚至那些看起來截然不同的火山。“所有火山都是個體，”美國地質調查局位於加利福尼亞州門洛帕克的火山學家邁克爾·克林恩說。“但我們需要徹底瞭解這座火山，才能知道其他火山發生了什麼。”

看穿岩石

有史以來鑽入我們星球最深的洞只有大約八英里深，但火山的根系延伸得更遠。假設你有一個可以鑽到你想要的任何深度的鑽機，並開始在聖海倫火山旁邊鑽探。在最初的45英里左右，你會遇到典型的陸地岩石——但隨後會發生令人震驚的事情。鑽頭會撞擊到海洋岩石，這些岩石吸飽了水，仍然攜帶化石化的海洋生物。

這是一塊小的構造板塊，是北太平洋海底的一部分，它正以一定角度傾斜到北美洲邊緣的地下。這個過程被稱為俯衝，是全球火山活動的主要驅動力。當海洋地殼板塊下降到大陸板塊下方時，它們會升溫，並在上覆地殼中產生岩漿，岩漿會滲透到地表。俯衝到北美洲下方的板塊不僅形成了從不列顛哥倫比亞省的加里波第山到加利福尼亞州北部的拉森峰的火山帶，還形成了數千個點綴在喀斯喀特山脈的熔岩原和噴發錐。

但是聖海倫火山與這條大致南北走向的火山帶中的其他火山有一些奇怪的不同之處。其中之一是它位於西邊大約30英里處。另一個是地震研究表明，聖海倫火山正下方的岩石太冷，無法產生岩漿，那麼火山從哪裡獲得熔岩燃料呢？儘管聖海倫火山的位置偏遠，但它一直是喀斯喀特山脈近幾個世紀以來最活躍的火山。在19世紀早期，它幾乎連續噴發了幾十年，而大約在1480年的一次爆發是1980年巨型爆發規模的數倍。

iMUSH專案旨在透過追蹤火山岩漿“從板塊到地表”的路徑來解釋這種奇怪的行為，該專案的組織者說。“我們正在使用我們可用的所有工具來試圖弄清楚發生了什麼，”華盛頓大學的地球物理學家、該專案負責人之一肯·克里格說。“沒有哪一種技術能讓我們達到目標。但透過將它們組合在一起，我們希望能夠提出一個關於岩漿如何運動的連貫的故事。”

去年12月，幾十名iMUSH研究人員聚集在舊金山一張長方形桌子旁。房間裡的所有人都自稱是地質學家，但地質學有很多分支，這些研究人員中的大多數人對其他人在做的詳細工作知之甚少。例如，烏爾伯格是一位地震學家，他收集和分析地震訊號，但桌子周圍的人包括化學家、傳統的硬巖地質學家和地球磁場專家。他們正在開會，參加康奈爾大學地球物理學家傑弗裡·艾伯斯稱之為iMUSH的“凝視和比較”階段：檢視彼此的結果，看看它們如何組合在一起。

桌子上的地震學家有最容易理解的故事要講——這很諷刺，因為地震學有點像用錘子敲擊一個多層球，並透過它發出的聲音來推斷它的成分。自1980年火山爆發以來，聖海倫火山周圍永久安裝的地震儀一直在監聽火山附近發生的任何地震。地震波在緻密、堅硬的岩石中傳播得更快，而在高溫、部分液態的岩石中傳播得更慢。透過比較火山周圍不同地震儀的地震振動，地球物理學家已經能夠拼湊出一幅關於岩漿在火山下方位置的粗略影像。

iMUSH研究人員暫時對這個地震網路進行了大規模升級，增加了更多更好的儀器，包括烏爾伯格正在維護的地震儀。“iMUSH中使用的儀器在數量級上更好，解析度也在數量級上更好，”美國地質調查局喀斯喀特火山觀測站的地球物理學家塞思·莫蘭說。地震儀收集了來自自然振動和在鑽孔中引爆的二十幾個1000磅和2000磅炸藥引起的震動的資料。結果是，對火山下方的熱點和管道系統有了更準確和更詳細的瞭解。

相互連線的岩漿室

第一個驚喜直接位於火山口熔岩穹丘下方。早期的結果表明，在火山口下方僅一兩英里的地方有一個淺層岩漿儲層。新的發現表明，這個區域實際上由一個複雜的分裂網路組成，該網路將岩漿從地球深處輸送上來。

在這個裂縫帶下方，新舊資料都顯示，有一個相當大的岩漿儲層，從火山口下方約5到11英里處延伸。但在這裡，iMUSH的新影像也更加細緻。傳統的火山影像側重於透過狹窄管道連線到地表的大型岩漿“室”。但新墨西哥大學的地震學家布蘭登·施曼特指出，“我們調查得越多，就越意識到在上地殼中存在高比例液體的岩漿室是非常罕見的。”“岩石中可能只有1%到10%的孔隙空間被熔體填充，但這與岩漿室的影像截然不同。”與這種觀點一致的是，聖海倫火山下方的岩漿儲層似乎更像是一種糊狀物，而不是熔體。化學反應可以將岩漿轉化為不同的化合物，這些化合物儲存在儲層的不同部分。

在這個岩漿儲存區更下方，另一個驚喜：地震資料顯示，有一大塊岩石太冷太緻密，岩漿無法透過。地震波以高速掃過該區域，表明存在異常緻密的物質。由於受到這塊岩石的阻擋，上升的岩漿似乎正在繞過這塊岩石向東南方向繞行。“岩漿會以最容易的方式上升，”萊斯大學的地震學家艾倫·萊萬德說。“我們認為岩漿正在這些高速區域的側面向上移動，聚集在頂部，然後進入上部岩漿儲層。”

瞭解岩漿運動的完整路徑可能有助於預測未來的火山爆發。在1980年聖海倫火山爆發後，地震學家在假定的岩漿管道中探測到深層和異常持久的地震，在世界其他地方的火山爆發之前和之後也發生了類似的地震。“一般的概念是，岩漿正在向火山爆發的途中移動，或者在火山爆發後重新填充儲層，”華盛頓大學的地震學家約翰·維達爾觀察到。這些所謂的深層長週期地震並不總是預示著火山爆發，有時它們只在岩漿儲層排空後才發生。但“當它們開始發生時，意味著有什麼東西在移動，火山可能比平時更危險，”他說。

幽靈板塊

地震波不是觀察地球內部的唯一方式。在我們頭頂上方，來自太陽的帶電粒子衝擊著地球的磁場，並在地球內部產生電流。透過在地球表面佈置電磁探測器陣列，地球物理學家可以測量這些電流隨時間的變化——而這些變化反映了液體的存在。這種方法被稱為大地電磁法。“一旦你開始熔化岩石，它就會像聖誕樹一樣亮起來，”美國地質調查局的保羅·貝德羅西安說。

iMUSH的大地電磁資料一直備受期待，因為人們希望它們能夠解決一個長期存在的爭議。先前和更粗略的資料暗示，在聖海倫火山、東部的亞當斯山和北部的雷尼爾山下方存在一個巨大的液體儲層。一些地質學家提出，這三座火山可能都坐落在一個巨大的、相互連線的岩漿海之上。

更詳細的iMUSH資料沒有顯示出任何這樣的岩漿海，但它們指向了另一種有趣的可能。火山下方的高電導率似乎來自板塊構造埋藏的大片含水沉積岩。這些岩石似乎標誌著北美洲最後一塊主要部分構造拼貼到太平洋西北地區的邊緣：一個幽靈板塊，曾經是西萊茲亞地區的一部分，現在被埋藏起來，主要位於華盛頓州和俄勒岡州5號州際公路以西。西萊茲亞和北美洲其他地區之間的縫合帶可能是一個薄弱區域，來自下方的流體可以透過該區域移動。果然，聖海倫火山似乎就位於該區域之上或非常靠近該區域。

地殼中預先存在的薄弱點也可能解釋聖海倫火山下方緻密巖塊的成因。不斷注入縫合帶的岩漿可能會逐漸冷卻，需要未來的注入繞過這些凝固的侵入體。與地震資料一樣，大地電磁資料也揭示了聖海倫火山下方存在緻密岩石，岩漿必須繞過這些岩石遷移，儘管這兩種方法將岩石放置在略有不同的位置。俄勒岡州立大學從事大地電磁研究的亞當·舒爾茨說，調和這些差異以建立更詳細的地下地圖“是這個過程中最有趣的部分”。

多種岩漿的構成

然而，最複雜的資料既不是地震資料，也不是大地電磁資料。它們是透過在山上走動、撿起岩石並分析其成分而生成的資料。聖海倫火山噴發出了各種各樣的熔岩，這似乎與它們都來自同一座火山相悖。但即使是瞥一眼火山火山口多色和多紋理的牆壁，也能讓人感受到解釋所有噴發岩石的岩石學——起源、成分和分佈——將是多麼困難。岩漿上升時，它會“分異、再次上升、結晶、吸收一些物質、同化，最終到達地表，”目前在瑞士工作的岩石學家奧利維爾·巴赫曼指出，他是iMUSH啟動和執行的關鍵人物。地球內部的岩石運動“就像一臺大型洗衣機，”他說。

有一種岩石既普遍又說明問題。在火山周圍，徒步旅行者可以俯身撿起浮石碎片，浮石是一種淺色的泡沫狀岩石，充滿了氣泡，以至於可以漂浮。在手持放大鏡下觀察，岩石看起來扭曲變形。氣泡被拉伸成長長的卷鬚狀，彷彿熔岩在凝固時被撕裂開來。

這種岩石為1980年火山爆發的猛烈程度提供了一個線索。它由一種稱為英安巖的物質組成，該物質含有相對較高比例的二氧化矽。二氧化矽使岩漿變得粘稠，從而堵塞火山的噴口並滯留其中包含的氣體。這就是1980年火山爆發如此強烈的原因之一：粘稠的英安巖滯留在火山下方，積聚壓力，直到火山北翼的崩塌為壓力提供了一個逃逸的途徑。

但聖海倫火山在其歷史上噴發過許多其他種類的熔岩。在其南側，熔岩洞穴像夏威夷火山中看到的熔岩洞穴一樣，穿過流淌的玄武岩。1980年之前的錐體形成於過去2500年，部分由造山安山岩組成。一座火山怎麼能產生如此不同種類的熔岩呢？

iMUSH的巨大成功將是解釋1980年爆發中致命的英安巖巖漿，同時解釋火山其他岩漿型別的起源。美國地質調查局的科學家道尼卡·L·布拉特、托馬斯·W·西森和W·本·漢金斯最近發表了一種新的解釋，既借鑑了iMUSH的結果，也借鑑了之前的發現。他們的假設取決於範德比爾特大學-美國地質調查局聯合團隊先前對鋯石進行年代測定的工作，鋯石是傾向於在高二氧化矽岩漿中形成的晶體。來自聖海倫火山熔岩中的鋯石經歷了反覆的加熱和冷卻迴圈，“就像揉麵團一樣，”西森說。在數千年的時間裡，來自下方的熔岩注入似乎反覆加熱了糊狀區域。當它進行熱迴圈時，岩漿從周圍的地殼岩石中吸收二氧化矽，使聖海倫火山的熔岩具有其特有的粘性。當足夠的能量進入系統時，轉化的岩漿會強行到達地表。

但有時來自下方的岩漿注入力量足夠強大，可以直接穿過儲存區域的中心，幾乎沒有改變。正如喀斯喀特火山觀測站的地球物理學家韋斯頓·特倫所說，來自地球深處的新鮮岩漿可以“從地幔中衝出，基本上跳過儲存，立即噴發”，這就解釋了聖海倫火山有時噴發的流淌的玄武岩。

如果這個模型得到證實，它可能會對世界各地產生影響。許多臭名昭著的猛烈火山主要噴發英安巖巖漿，包括菲律賓的皮納圖博火山、希臘的錫拉火山和印度尼西亞的喀拉喀托火山。如果地震、氣體排放或其他訊號可以與地下岩漿的加工過程聯絡起來，火山學家可能會有另一種預測危險火山爆發的方法。“我們在研究危險火山方面的缺點之一，”西森說，“是我們通常不知道它們何時準備爆發，直到岩漿到達上地殼，在那裡它會產生地震和地面變形。”瞭解岩漿如何在地下被“烹飪”——它如何在化學上分離，它如何與周圍的岩石相互作用——可能表明它即將要做什麼。

為不可避免的事情做準備

今天，聖海倫火山很安靜。觀看火山口的遊客和在其山坡上工作的科學家無需擔心意外爆發。但火山的平靜不會持久。自1980年火山爆發以來，有幾次——最近一次是在2016年——火山口下方相對較淺的地震群指向了岩漿的運動。地震並不意味著火山爆發迫在眉睫，但“系統正在重新充能，”華盛頓大學的克里格說。“這座火山已經開始為下一次爆發積蓄力量。”

太平洋西北地區的地質學家和應急規劃人員從1980年的火山爆發中吸取了深刻的教訓。當一座危險且不可預測的火山隆隆作響時，他們將永遠不會再讓人進入幾英里以內。但火山除了爆炸性噴發外，還帶來許多其他危險。如果像以前喀斯喀特火山爆發那樣的火山灰降落今天再次發生，它們將摧毀下游的大型社群。火山泥流可以在幾乎沒有預警的情況下咆哮而下。目前，雷尼爾山被認為比聖海倫火山危險得多，因為它體積更大，附近居住的人口更多，雷尼爾山就在西雅圖和塔科馬的東南方。超過15萬華盛頓居民生活和工作在雷尼爾山過去幾千年發生的泥流之上。

iMUSH的結果為地質學家提供了關於聖海倫火山下方正在發生的事情的更詳細、但也更復雜的圖景。這幅圖景正在產生一種關於意味著有事情發生的地下訊號的新視角，這些訊號以前沒有被很好地理解。當下一次火山爆發發生時——無論是在聖海倫火山還是其他地方——更好地掌握這些細節可能意味著生死攸關。