在加利福尼亞州和懷俄明州地表深處，潛伏著兩座休眠火山，其狂怒程度幾乎難以想象。如果它們達到臨界狀態，它們將在數小時內將美國西部覆蓋上厚達數釐米的火山灰。在過去的200萬年裡，它們至少這樣做了四次。類似的超級火山在紐西蘭和印度尼西亞下方悶燒。
一次超級火山噴發蘊含著一顆小型小行星撞擊地球的毀滅性力量，並且發生的頻率是小行星撞擊的10倍——使得這種爆炸成為人類應該預期的最引人注目的自然災難之一。除了造成灼熱的火山灰流的直接破壞外，活躍的超級火山還會噴出氣體，在隨後的幾年裡嚴重擾亂全球氣候。
毋庸置疑，研究人員渴望瞭解是什麼原因導致這些巨型火山爆發，如何預測它們何時可能再次造成破壞，以及它們的後果可能帶來哪些挑戰。最近對古代噴發物火山灰沉積物中微觀晶體的分析，已經指向了一些答案。這些見解，以及用於監測潛在災難現場的改進技術，使科學家們更加確信，有可能在下一次大爆發之前發現預警訊號。然而，正在進行的工作暗示，超級火山排放物可能會引發大氣中令人震驚的化學反應，使得此類事件發生後的幾個月比之前想象的更加危險。
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幾乎所有火山專家都同意，今天生活在地球上的我們極不可能經歷一次活躍的超級火山爆發。災難性噴發往往每數十萬年才發生一次。然而，自 20 世紀 50 年代以來，此類事件的巨大規模和全球影響引起了科學界的關注。
早期的敬畏
地質學家最早的發現之一是巨大的圓形山谷的存在——直徑約 30 至 60 公里，深達數公里——它們看起來與位於地球上許多最著名的火山頂部的碗狀破火山口非常相似。當位於火山噴口下方的熔岩室或岩漿室排空時，通常會形成破火山口，導致上方的地面塌陷。早期的研究人員注意到，這些類似破火山口的山谷靠近地球上一些最大的火山岩沉積物，這些沉積物是在單次事件中沉積下來的，他們意識到他們看到的是比華盛頓州熟悉的聖海倫斯火山大數百甚至數千倍的火山的遺蹟。從破火山口的極端規模和估計的噴發物質體積來看，研究人員知道，它們下方的岩漿室必定同樣巨大。
由於形成如此巨大的岩漿室所需的大陸地殼和熱源非常罕見，因此超級火山本身也很罕見。在過去的 200 萬年裡，至少有 750 立方公里的岩漿在四個地區一次性爆發：懷俄明州的黃石國家公園、加利福尼亞州的長谷、蘇門答臘島的多巴湖和紐西蘭的陶波湖。在其他大陸地殼較厚的地區，包括南美洲西部和俄羅斯遠東地區，對類似規模的大型噴發的尋找仍在繼續。
到 20 世紀 70 年代中期，對過去事件的調查揭示了岩漿室形成和變得危險的一些方式。在黃石公園地表之下，北美構造板塊正在溫暖、粘稠的岩石浮力柱上移動，該浮力柱穿過地幔上升，地幔是地球內部 2900 公里厚的層，夾在熔融地核和相對薄的外地殼之間。這個所謂的“熱點”就像一個巨大的本生燈，融化了足夠多的上覆地殼，為過去 1600 萬年的災難性噴發提供燃料。在多巴湖，岩漿室的熱源有所不同。該地區位於俯衝帶上方，俯衝帶是指一個構造板塊滑到另一個構造板塊下方的區域；這種匯聚產生廣泛的加熱，主要是透過下沉板塊上方地幔的部分熔化。[中斷]
無論熱源如何，岩漿室中的壓力都會隨著越來越多的岩漿在上覆岩石的巨大重量下積聚而隨著時間的推移而增加。當加壓岩漿抬升上覆地殼，足以形成延伸到地球表面的垂直裂縫時，就會發生超級噴發。岩漿沿著這些新的裂縫逐個向上湧出，最終形成一圈噴發口。當噴發口彼此融合時，環內巨大的陸地圓柱體就沒有任何支撐了。這個固體岩石的“屋頂”會像房屋的牆壁倒塌時屋頂塌陷一樣，以單個活塞或零星塊狀物墜入下方剩餘的岩漿中。這種塌陷迫使更多的熔岩和氣體從環的邊緣猛烈噴出。
噴發的指紋
然而，謎團依然存在。值得注意的是，正如研究人員很快意識到的那樣，並非每個大型岩漿室都一定會災難性地噴發。例如，黃石公園擁有世界上三個最年輕的超級火山破火山口——它們分別形成於 210 萬年前、130 萬年前和 64 萬年前，一個幾乎位於另一個之上——但在這些爆炸性事件之間的間隔期，下方的岩漿室緩慢而平靜地釋放出相似體積的岩漿。為什麼岩漿有時會緩慢地滲出到地表，仍然是不確定的。
透過觀察黃石公園噴發出的熔岩和火山灰中捕獲的微小晶體的成分，人們已經提出了部分答案，從而為岩漿如何形成提供了新的見解。幾十年來，地質學家一直認為岩漿以液態岩石池的形式存在數百萬年，並且每次其中一部分傾瀉到地球表面時，新的液體都會從下方上升以立即重新填充岩漿室。如果這種概念是正確的，人們會期望發生更多災難性的、大量的噴發，因為在沒有頻繁排空怪物岩漿體的情況下，在機械和熱力學上都不可行。
舊的觀點主要基於所謂的全巖分析，研究人員會對他們收集的每一塊拳頭大小的火山岩進行一組化學測量。這些資料提供了岩漿演化的重要總體模式，但不足以確定噴出的岩漿的年齡及其形成的深度。
每一塊岩石實際上都由數千個微小晶體組成，每個晶體都有其獨特的年齡、成分和歷史。因此，當 20 世紀 80 年代後期技術進步使分析單個晶體具有良好的精度成為可能時，就像能夠閱讀書中的單個章節，而不是依靠封底簡介來解釋故事。研究人員開始看到，一些晶體——以及它們最初形成的岩漿——比其他晶體出現得早得多，例如，一些晶體形成於地下深處，而另一些晶體形成於靠近地球表面的地方。
在過去的 10 年裡，地球化學家特別關注一種特別耐用的火山晶體，稱為鋯石。威斯康星大學麥迪遜分校的約翰·W·瓦利等少數研究人員知道，鋯石可以承受極端的熱和壓力變化而不會損害其原始成分，他們一直在使用鋯石來研究地球地殼的早期演化[參見約翰·W·瓦利的《寒冷的早期地球？》；《大眾科學》，2005 年 10 月]。1998 年我加入瓦利團隊擔任博士後研究員時，我們使用黃石公園的鋯石來追蹤其母岩漿的歷史——這反過來又揭示了關於火山未來可能如何活動的重要的線索。
第一步是測量來自黃石公園最年輕的超級噴發物的鋯石中不同形式的氧的比率——64 萬年前爆炸後產生了熔岩溪凝灰岩，在某些地方，這種化石火山灰沉積物厚達 400 米——以及此後在較溫和的噴發期間噴出的較年輕的沉積物。當我完成初步分析後，瓦利和我都很驚訝地看到，這些鋯石的氧成分與來自深部、高溫地幔的氧成分不符，如果排空的岩漿室總是從下方填充，就應該如此。來自地幔岩漿的鋯石會具有獨特的特徵：當溶解在岩漿中的元素結合在一起形成鋯石時，該晶體會吸收明顯高比例的氧 18，氧 18 是氧的一種重同位素，其原子核中有 10 箇中子，而不是通常的 8 個。[中斷]
瓦利和我立即看出，岩漿一定起源於曾經靠近地球表面的岩石。我們研究的鋯石相對於地幔中的氧 18 含量較低，而只有當晶體由與雨水或雪相互作用的岩石形成時，才會發生這種貧化。因此，我們懷疑，來自黃石公園兩個最古老的超級噴發物的塌陷屋頂岩石一定熔化，形成了在較年輕的熔岩溪災難和此後較小規模的噴發期間噴出的大部分岩漿。當我們得知來自熔岩溪後噴發物的鋯石的年齡跨越了黃石公園火山活動持續的整個兩百萬年時，這一假設得到了加強。只有當這些古老的鋯石起源於最古老的噴發物中，並且如果這些物質後來塌陷回岩漿室並重新熔化以幫助為最新的噴發提供燃料，那麼它們才可能存在於最新的火山灰中。
我們的發現意味著，科學家現在可以對黃石公園超級火山以及其他地方的超級火山未來的活動方式做出某些預測。如果黃石公園開始新一輪的小規模前兆噴發——而且它們通常在災難性爆炸前幾周到數百年發生——測試這些熔岩的氧指紋及其鋯石的年齡應該揭示下方岩漿室中哪種型別的岩漿含量豐富。如果下一次噴發中的氧 18 含量較低，那麼它很可能仍然是由原始岩漿的停滯殘餘物供給的，到目前為止，它可能更像是一種濃稠的晶體糊狀物，而不是爆炸性液體。另一方面，如果新的熔岩帶有來自地幔的新鮮岩漿的指紋，並且不包含古老的鋯石，那麼它很可能來自大量從下方填充岩漿室的新岩漿。這些發現將暗示一個新的火山活動週期已經開始——並且新注入的岩漿室更有可能發生災難性爆炸。
直接後果
微小的晶體及其同位素特徵也揭示了關於超級噴發後果的驚喜——好的和壞的。關於超級火山後果的最佳研究案例之一是主教凝灰岩，這是一種火山層，厚度為數十至數百米，在地表暴露為加利福尼亞州東部的火山臺地。這種巨大的沉積物代表了大約 76 萬年前長谷超級火山破火山口形成期間噴出的估計 750 立方公里岩漿的殘餘物。
幾十年來，許多地質學家認為，必須發生數百萬年的多次不同噴發才能產生廣泛的主教凝灰岩。但對微觀的、充滿岩漿的氣泡的仔細研究表明，這些氣泡被困在微小的石英晶體中，講述了一個不同的故事。岩漿離開岩漿室的速度主要取決於兩個因素：岩漿的粘度或流動能力，以及岩漿室和地球表面之間的壓力差。由於氣泡內部的壓力與岩漿形成的岩漿室的壓力相匹配，因此氣泡就像岩漿室本身的微型版本。
芝加哥大學的阿爾弗雷德·安德森及其同事意識到這種對應關係，他們用顯微鏡研究氣泡的大小，以估計岩漿洩漏出來需要多長時間。根據這些實驗以及 20 世紀 90 年代的野外觀察，地質學家現在認為，主教凝灰岩——可能還有大多數其他超級噴發碎片——是在一次持續僅 10 到 100 小時的事件中噴出的。
自從這項發現以來，研究人員不得不修改他們對超級火山噴發的重建。以下是他們現在普遍期望從長谷和黃石公園發生的規模的事件中得到的結果：這些噴發不是像夏威夷基拉韋亞火山側面看到的紅色熔岩緩慢洩漏，而是以超音速噴射出超熱的、泡沫狀的氣體和火山灰，這些氣體和火山灰充滿浮力地一直上升到地球同溫層，高達 50 公里。當岩漿室上方的陸地塌陷時，巨大的灰色雲團（稱為火山碎屑流）水平地向破火山口周圍爆發。這些火山碎屑流是熔岩和火山灰之間的中間階段，因此它們移動速度極快——一些資料來源稱高達每小時 400 公里；汽車甚至小型飛機都無法逃脫它們。這些火山碎屑流也非常熱——600 到 700 攝氏度——因此它們會燃燒和掩埋各個方向數十公里範圍內的所有東西。[中斷]
儘管火山碎屑流很糟糕，但噴射到大氣中的火山灰可能會產生更深遠的影響。在噴發地點周圍數百公里範圍內，可能會持續數天或數週，淡灰色的火山灰會像雪團一樣落下。在破火山口 200 公里範圍內，大部分陽光將被遮擋，因此中午的天空看起來會像黃昏時分。房屋、人和動物將被掩埋，有時會被壓碎。即使在 300 公里外，火山灰也可能厚達半米；與雨水混合後，其重量足以壓塌屋頂。更少的火山灰會使電力和中繼站癱瘓。少至一毫米的火山灰，很可能會遍佈全球一半的地面，這將導致機場關閉並急劇減少農業生產。
只有逐漸地，雨水（因火山氣體而呈酸性）才會沖走厚厚的火山灰層。而且由於火山岩和火山灰會漂浮，因此會堵塞主要水道。沿大河流的運輸可能會陷入停頓。事實上，最近在墨西哥灣的石油鑽探中，在密西西比河三角洲附近發現了一層出乎意料的厚厚的超級火山碎片——距離其在黃石公園的源頭超過 1000 英里。只有順流而下，然後粘附在沉入海底的沉積物上，才能從如此遙遠的火山積累如此大量的碎片。
長期影響
研究人員有理由相信，其他後果，即排放到高層大氣中的大量有問題氣體引起的後果，也將發生，並且可能會持續多年。新的研究表明，其中一些後果可能不如之前擔心的那麼糟糕，但另一些後果可能會更糟。再次，觀察過去噴發物中小副產品的成分具有啟發意義。
在構成任何火山噴發物的各種氣體中，二氧化硫 (SO2) 對環境的影響最強；它與氧氣和水反應生成微小的硫酸液滴 (H2SO4)。這些液滴是戲劇性的氣候降溫的主要遮陽源，這種降溫將在超級噴發後席捲全球。許多研究人員知道地球的水文迴圈需要數月或數年才能完全沖走酸滴，因此對“火山冬天”做出了世界末日的估計，認為火山冬天將持續數十年，甚至數百年。但在最近幾年，其他研究人員發現了證據，大大減少了這種計算。
幾乎總是，大型火山噴發後產生的硫酸痕跡會被困在冰雪中，因為酸會從受汙染的大氣中沉澱出來。1996 年，研究格陵蘭島和南極洲冰芯的研究人員發現了 74000 年前多巴湖超級噴發後的硫酸峰值。那次噴發噴出了 2800 立方公里的熔岩和火山灰，使全球平均氣溫下降了 5 到 15 攝氏度。這種寒冷的後果無疑是嚴重的，但持續時間並沒有之前想象的那麼長：冰記錄中的硫酸在短短六年內就消失了；一些研究人員認為它消失得甚至更早。
火山冬天可能比預期的要短，這是一個好訊息。但是，過去五年開發的一種新方法，用於研究火山酸雨中氧原子的成分，正在揭示關於大氣中二氧化硫長期影響的完全不同的、令人震驚的跡象。為了使 SO2 變成 H2SO4，它必須被氧化——換句話說，它必須從大氣中已經存在的其他化合物中獲得兩個氧原子。究竟哪些化合物起著關鍵作用，是當前研究中一個備受爭議的話題，因此當我在 2003 年開始與約翰·M·艾勒一起在加州理工學院擔任工作人員時，他和我在我的黃石公園和長谷史前噴發物的火山灰樣本中尋找證據。[中斷]
我們開始分析時，重點關注一種特別有效的氧化劑，臭氧。臭氧是一種由三個氧原子組成的氣體分子，最著名的是它能保護地球免受太陽有害紫外線的照射。由於某些氣體在強烈的太陽輻射下會發生罕見的化學轉化，因此臭氧的特徵是其所謂的質量非依賴性氧同位素特徵存在異常，簡單來說，可以將其視為氧 17 的過量。
當臭氧或同溫層中任何其他富氧分子與 SO2 相互作用時，它會將其氧同位素特徵轉移到產生的酸中——也就是說，氧 17 異常在新的酸中持續存在。2003 年，加州大學聖地亞哥分校的地球化學家首次發現，這種特徵也保留在後來以酸雨形式落下的酸的氧原子中，以及在酸雨與地面火山灰反應形成的硫酸鹽化合物中。
因此，我們在黃石公園和長谷火山灰樣本的硫酸鹽中發現的氧 17 過量和其他化學模式暗示，大量平流層臭氧被消耗在與這些地區超級噴發物中氣體的反應中。其他研究南極洲酸層的研究人員也證明，這些事件可能也侵蝕了平流層臭氧。看起來，超級火山排放物在臭氧層中造成的空洞比它們冷卻氣候的時間還要長。
預計這種保護性臭氧的損失將導致到達地球表面的有害紫外線輻射量增加，從而導致射線引起的遺傳損傷增加。潛在的臭氧破壞的程度和持續時間仍在爭論中。空間觀測表明，1991 年菲律賓皮納圖博火山噴發後，臭氧層減少了 3% 到 8%。但是，如果發生規模大 100 倍的事件會怎樣？簡單的算術無法解決這個問題，因為大氣氧化反應的細節極其複雜且尚未完全理解。
研究和監測各種規模火山的科學技術正在以所有審慎的速度發展。但無論我們學到多少，我們都無法阻止火山爆發。而對於最災難性事件的後果，充其量也只是推測性的。然而，好訊息是，研究人員現在對可能發生噴發的地點有足夠的瞭解，可以合理地保證近期不會發生此類災難。