在俄羅斯托爾巴奇克火山，本·愛德華茲正站在他挖的雪坑中，與即將到來的熔岩齊平，他希望自己的世界在接下來的幾分鐘內不會劇烈爆炸。
在觀察熔岩在冰雪上滾動數年後，賓夕法尼亞州狄金森學院的火山學家愛德華茲瞭解到自己可能是安全的——在這個地方，火山的熾熱岩石很少引發通常在熔岩遇到水時發生的那種爆炸。
挖完雪坑後，愛德華茲爬出來，等待水開始從深壁中滲出。“在托爾巴奇克沒有明顯的融水，所以我們認為水會立即從[熔岩-雪]介面排出，流到雪下，”愛德華茲說。
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瞭解雪山火山如何產生融水將有助於科學家更好地預測所謂的冰川火山噴發造成的洪水，這是一個重大危險。最嚴重的自然災害之一是來自華盛頓州雷尼爾山等冰雪覆蓋的城市火山的特大洪水。1996年，在冰島，格里姆斯沃滕火山融化了其上覆冰川后，一場名為jökulhlaup的突發洪水摧毀了部分國家高速公路。
但對於愛德華茲來說，在火與冰的極端環境中工作不僅僅意味著預測未來的危險。他也是少數幾位開闢新方法來理解過去冰河時代的地質學家之一——他們藉助火山穿過古代冰蓋的噴發。
“這些火山具有獨特的特徵，我們可以用它們來了解過去1000萬到1500萬年地球氣候發生了什麼變化，”愛德華茲告訴生命科學的《我們的神奇星球》。[火與冰：火山與冰相遇的影像]
當火遇到冰
地球大部分氣候歷史來自海底，來自儲存在泥漿和微觀海洋生物中的化學特徵。鑽入海底可以為研究人員帶來含有數百萬年自然溫度波動的巖芯。（即使在冰河時代，地球溫度也會略有波動。）但是，將這些泥濘巖芯與陸地上的冰川進退相匹配，由於冰川本身而變得複雜。
像巨大的橡皮擦一樣，冰川在縮小和增長時會擦除其大部分過去運動的記錄。在北美，地質偵探只能找到過去幾個冰川週期的記錄。而留下的瓦礫堆可能無法確定準確的年代，這對於將冰川歷史與海洋氣候記錄相匹配至關重要。
讓我們看看被稱為平頂火山的奇怪火山。
平頂火山就像小圖釘，標記著冰覆蓋陸地的時間和地點。儘管每個平頂火山的噴發時間可能相隔數千年，但重建其歷史正在為大陸冰蓋的進退提供新的見解。
“它們充當著消失的冰潮標記，而這種資訊以任何其他形式都不存在，”蘇格蘭開放大學的火山學家戴夫·麥加維說。
想象一下一座看起來像高聳的烘焙蛋糕的火山，側面陡峭，頂部平坦。對於訓練有素的人來說，底層的形成顯然是在水下。這些岩石是球狀枕狀熔岩和爆炸的熔岩玻璃，稱為玻質碎屑岩。但頂部的“糖霜”是一種看起來正常的熔岩流，就像在空氣中冷卻的熔岩流一樣。
在 20 世紀 40 年代，一位加拿大地質學家首先弄清楚了這種奇怪的岩石堆是如何出現的。這座頂部平坦的火山，被稱為圖亞布特，是在曾經覆蓋不列顛哥倫比亞省大部分地區的早已消失的冰蓋下噴發的。首先，火山熱融化了冰，產生了底層，稱為枕狀熔岩。隨著冰層變薄並形成一個小型融水湖，上覆壓力減小，熔岩有了爆炸的空間。
“一塊玄武岩可以融化大約10到14倍自身體積的冰，所以在噴發過程中，你會看到大量的水非常非常迅速地出現，”麥加維說。
限制性的冰層將一切堆積成一座陡峭的山丘。當火山足夠高以至於可以衝破冰蓋時，熔岩可以在空氣中冷卻，形成平坦的頂部。（如果流出的熔岩足夠多，火山將在頂部形成傳統的錐形。）
“想象一下，這個看起來很棒的島嶼坐在這個被冰牆包圍的護城河中，”麥加維說。“當一切都融化時，你會留下一座頂部平坦的山。”
凍結在時間裡
平頂火山的優點在於，其堅硬的岩石保留了冰蓋的高度，即使冰川可能會磨損火山。從水位線到空中熔岩的過渡就像浴缸內部留下的環一樣。熔岩中的微小礦物提供了精確的年代。[圖片庫：野性火山]
“每次火山噴發都會給你一張冰的照片，”英國萊斯特大學的火山學家約翰·斯梅利說。
在加拿大西部，過去數千年中有數十座火山噴發，地質學家正在用熔岩拼湊出北美冰蓋的過去厚度，並將其與海洋巖芯聯絡起來。例如，海洋巖芯通常透過海洋沉積物中氧同位素（原子具有不同數量的中子）的變化來關聯。愛德華茲現在可以指出不列顛哥倫比亞省的一座火山，並說在與寒冷地球相對應的某個海洋同位素階段，陸地上的冰至少有 300 米 [985 英尺] 厚。
“有了這些火山，我們就有 200 萬年的記錄，”愛德華茲說。“我們有一些火山噴發了 10 到 15 次。它不是連續的，但我們可以開始考慮冰的厚度是否始終相同，”他說。
“這對於進行大規模氣候模型的人來說很重要，因為他們的冰蓋生長和消失的模型實際上沒有多少檢驗。這類研究提供了建模者可以使用的點，而且他們最好在不列顛哥倫比亞省的火山中擁有厚達一公里的冰，”愛德華茲說。
麥加維說，在冰島，平頂火山被稱為桌山，冰川火山記錄還可以提供北極圈以南的冰蓋年表。今天，冰島一半以上的冰川位於火山附近或直接流過火山。
麥加維還在智利攀登火山，以估計熱帶冰的過去厚度並將其與海洋氣候記錄聯絡起來。作為巴塔哥尼亞冰原的一部分，這些冰川曾經更加廣闊，科學家認為它們的擴張和收縮提供了過去氣候變化的敏感記錄。
最初的G-V
斯梅利說，在南極洲這個地球上大部分冰川火山的家園，過去的噴發已經解決了近幾十年來冰蓋最棘手的問題之一。
“30 年來，人們一直在爭論南極洲東部冰蓋何時從相對溫暖且可移動的冰蓋轉變為相對寒冷且穩定的狀態，”斯梅利告訴生命科學的《我們的神奇星球》。
為什麼這很重要？底部溫度較高的冰蓋對變暖的氣候反應更快，這意味著南極洲東部的大型冰川可能很快會轉變為快速流動的模式，迅速抬高海平面。
斯梅利和他的同事透過檢查維多利亞地（包括橫貫南極山脈的大部分地區，該山脈分隔東西南極洲）的火山岩，研究了冰蓋在溫暖和寒冷的氣候波動中的過去歷史。[圖片：雄偉的橫貫南極山脈]
斯梅利說：“在冰蓋下噴發的火山有很多獨特的特徵，我們可以確定冰蓋[底部]有多溫暖。”
他們發現雙方都不對。在過去的 1200 萬年中，南極洲東部並非完全溫暖或寒冷。相反，冰蓋的底部在其整個歷史中都是不均勻的。該研究結果於 2014 年 1 月發表在《地質學》雜誌上。
“如果全球氣溫升高 3 攝氏度（或 5.4 華氏度），[南極洲東部]不會崩潰，”斯梅利說。
日益增長的興趣
雖然冰川火山活動正引起科學家們日益增長的興趣，但其專家表示，在探索和解釋火山-冰相互作用方面仍有許多工作要做。
在托爾巴奇克，愛德華茲正在研究一座現代火山，以便更好地解釋加拿大火山在冰川下噴發時形成的奇怪形狀。
當熔岩在冰雪上、下和旁邊流動時，它會凍結成令人驚歎的圖案，而現代噴發為這些圖案的形成方式提供了線索。“我的大部分職業生涯都在試圖進行法醫研究，所以實際觀察熔岩進入冰中並觀察紋理的形成非常有啟發性，”愛德華茲說。
“我認為我們正處於人們開始真正拆解這些古老火山的爆發的邊緣，”愛德華茲補充道。“有很多地方沒有人研究過這些沉積物。”
斯梅利希望這個新興領域有一天能為氣候模型提供更好的約束。
他說：“對我來說，一個非常重要的目標是，人們已經很合乎邏輯地將冰蓋的消長與全球海平面聯絡起來，但沒有人真正掌握任何一個時間點融化的冰的實際體積。我希望冰火山作用能夠為我們提供過去冰層厚度更為嚴謹和真實的資料。”
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