圣海伦火山内部：科学家发现预测火山爆发的线索

1980年5月18日清晨，来自俄勒冈州波特兰的自由摄影师阿琳·爱德华兹和她19岁的女儿乔琳开车穿过哥伦比亚河，来到华盛顿州西南部的一处高耸的岩石露头。在那里，她们架起了阿琳的相机，开始观察东南方向10英里外的圣海伦火山。在过去的两个月里，这座火山一直在喷射火山灰和蒸汽，爱德华兹一家是周围山脊上数十名观察者之一，他们认为自己处于安全的距离。那是一个美好的星期天早晨，空气温暖而平静，万里无云，火山雄伟而可怕，冰川上布满了火山灰。

突然，圣海伦火山的整个北侧开始滑入邻近的山谷。一股愤怒的灰色粉碎岩石和热气体云从几秒钟前还是山坡的地方喷涌而出。云团爆炸性地增长，充满了东方的天空，并向阿琳和她的女儿冲去。当云团袭击她们所站的观察点时，阿琳被吹飞了1000英尺远；她的尸体后来在山脊下方一颗铁杉树的树枝中被发现。乔琳死于火山灰窒息，被发现时靠近她母亲的皮卡车。在火山周围，还有其他55人死亡或身受重伤，他们是一场比地质学家预期的规模大得多的火山爆发的受害者。

三十五年多后的今天，在距离爱德华兹一家站立的山脊仅几百码的地方，华盛顿大学的地震学研究生卡尔·乌尔伯格跪在重新生长的森林的绿色植物中。一个大型塑料冷却器半埋在他面前的地下，其沾满泥土的盖子像一个通往地下的舱口。他伸入一堆电子设备和电线中，取出一张闪存卡。远处，圣海伦火山在阳光下闪闪发光，火山最近一次2004-2008年喷发的冷却岩浆部分地填满了火山口。乌尔伯格将这张包含火山下方六个月振动数据的闪存卡放入一个塑料携带盒中，并将一张新的卡插入记录仪。“这就是我们将要弄清楚那里发生了什么的方式，”乌尔伯格望着火山说道。

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在过去的三年里，这个地震站和散布在圣海伦火山周围的其他69个地震站一直在记录埋藏炸药的震动、地震的颤动，甚至远处海岸线上海洋波浪的微弱沙沙声。它们是一个名为“圣海伦火山下方岩浆成像”（iMUSH）项目的一部分，该项目旨在追踪熔岩从地球内部到地表的运动。这是有史以来为火山下方的管道系统成像而进行的最雄心勃勃和最全面的努力之一，它揭示了一个迄今为止未曾见过的地下世界。传统的火山观点很简单：一个深埋地下的含岩浆室，有一条稻草状的管道通向地表。但在圣海伦火山下方，熔岩正在通过几个相互连接的储层移动，在那里它经历了化学变化，可能导致更猛烈的喷发。为火山提供燃料的岩浆正在水平和垂直方向上移动，绕过障碍物，并利用地球中已有的断层。当岩浆移动时，会引起深层和浅层地震，预示着未来的喷发，因为火山下方的岩浆室正在重新充能。

iMUSH的这些和其他发现不仅对居住在喀斯喀特山脉（包括温哥华、西雅图、波特兰、里诺和萨克拉门托附近地区）和其他火山附近的数百万人具有重要意义，而且对全球其他火山也具有重要意义。自1980年以来，全球已有超过25000人死于火山爆发，因此迫切需要更好的灾害预报。与圣海伦火山一样，大多数陆地火山都矗立在地球板块碰撞之上，这些板块使来自地球内部的热量能够到达地表。该项目的一个目标是将iMUSH的发现扩展到其他火山，甚至那些看起来截然不同的火山。“所有火山都是个体，”美国地质调查局位于加利福尼亚州门洛帕克的火山学家迈克尔·克林恩说。“但我们需要彻底了解这座火山，才能知道其他火山发生了什么。”

看穿岩石

有史以来钻入我们星球最深的洞只有大约八英里深，但火山的根系延伸得更远。假设你有一个可以钻到你想要的任何深度的钻机，并开始在圣海伦火山旁边钻探。在最初的45英里左右，你会遇到典型的陆地岩石——但随后会发生令人震惊的事情。钻头会撞击到海洋岩石，这些岩石吸饱了水，仍然携带化石化的海洋生物。

这是一块小的构造板块，是北太平洋海底的一部分，它正以一定角度倾斜到北美洲边缘的地下。这个过程被称为俯冲，是全球火山活动的主要驱动力。当海洋地壳板块下降到大陆板块下方时，它们会升温，并在上覆地壳中产生岩浆，岩浆会渗透到地表。俯冲到北美洲下方的板块不仅形成了从不列颠哥伦比亚省的加里波第山到加利福尼亚州北部的拉森峰的火山带，还形成了数千个点缀在喀斯喀特山脉的熔岩原和喷发锥。

但是圣海伦火山与这条大致南北走向的火山带中的其他火山有一些奇怪的不同之处。其中之一是它位于西边大约30英里处。另一个是地震研究表明，圣海伦火山正下方的岩石太冷，无法产生岩浆，那么火山从哪里获得熔岩燃料呢？尽管圣海伦火山的位置偏远，但它一直是喀斯喀特山脉近几个世纪以来最活跃的火山。在19世纪早期，它几乎连续喷发了几十年，而大约在1480年的一次爆发是1980年巨型爆发规模的数倍。

iMUSH项目旨在通过追踪火山岩浆“从板块到地表”的路径来解释这种奇怪的行为，该项目的组织者说。“我们正在使用我们可用的所有工具来试图弄清楚发生了什么，”华盛顿大学的地球物理学家、该项目负责人之一肯·克里格说。“没有哪一种技术能让我们达到目标。但通过将它们组合在一起，我们希望能够提出一个关于岩浆如何运动的连贯的故事。”

去年12月，几十名iMUSH研究人员聚集在旧金山一张长方形桌子旁。房间里的所有人都自称是地质学家，但地质学有很多分支，这些研究人员中的大多数人对其他人在做的详细工作知之甚少。例如，乌尔伯格是一位地震学家，他收集和分析地震信号，但桌子周围的人包括化学家、传统的硬岩地质学家和地球磁场专家。他们正在开会，参加康奈尔大学地球物理学家杰弗里·艾伯斯称之为iMUSH的“凝视和比较”阶段：查看彼此的结果，看看它们如何组合在一起。

桌子上的地震学家有最容易理解的故事要讲——这很讽刺，因为地震学有点像用锤子敲击一个多层球，并通过它发出的声音来推断它的成分。自1980年火山爆发以来，圣海伦火山周围永久安装的地震仪一直在监听火山附近发生的任何地震。地震波在致密、坚硬的岩石中传播得更快，而在高温、部分液态的岩石中传播得更慢。通过比较火山周围不同地震仪的地震振动，地球物理学家已经能够拼凑出一幅关于岩浆在火山下方位置的粗略图像。

iMUSH研究人员暂时对这个地震网络进行了大规模升级，增加了更多更好的仪器，包括乌尔伯格正在维护的地震仪。“iMUSH中使用的仪器在数量级上更好，分辨率也在数量级上更好，”美国地质调查局喀斯喀特火山观测站的地球物理学家塞思·莫兰说。地震仪收集了来自自然振动和在钻孔中引爆的二十几个1000磅和2000磅炸药引起的震动的数据。结果是，对火山下方的热点和管道系统有了更准确和更详细的了解。

相互连接的岩浆室

第一个惊喜直接位于火山口熔岩穹丘下方。早期的结果表明，在火山口下方仅一两英里的地方有一个浅层岩浆储层。新的发现表明，这个区域实际上由一个复杂的分裂网络组成，该网络将岩浆从地球深处输送上来。

在这个裂缝带下方，新旧数据都显示，有一个相当大的岩浆储层，从火山口下方约5到11英里处延伸。但在这里，iMUSH的新图像也更加细致。传统的火山图像侧重于通过狭窄管道连接到地表的大型岩浆“室”。但新墨西哥大学的地震学家布兰登·施曼特指出，“我们调查得越多，就越意识到在上地壳中存在高比例液体的岩浆室是非常罕见的。”“岩石中可能只有1%到10%的孔隙空间被熔体填充，但这与岩浆室的图像截然不同。”与这种观点一致的是，圣海伦火山下方的岩浆储层似乎更像是一种糊状物，而不是熔体。化学反应可以将岩浆转化为不同的化合物，这些化合物保存在储层的不同部分。

在这个岩浆储存区更下方，另一个惊喜：地震数据显示，有一大块岩石太冷太致密，岩浆无法通过。地震波以高速扫过该区域，表明存在异常致密的物质。由于受到这块岩石的阻挡，上升的岩浆似乎正在绕过这块岩石向东南方向绕行。“岩浆会以最容易的方式上升，”莱斯大学的地震学家艾伦·莱万德说。“我们认为岩浆正在这些高速区域的侧面向上移动，聚集在顶部，然后进入上部岩浆储层。”

了解岩浆运动的完整路径可能有助于预测未来的火山爆发。在1980年圣海伦火山爆发后，地震学家在假定的岩浆管道中探测到深层和异常持久的地震，在世界其他地方的火山爆发之前和之后也发生了类似的地震。“一般的概念是，岩浆正在向火山爆发的途中移动，或者在火山爆发后重新填充储层，”华盛顿大学的地震学家约翰·维达尔观察到。这些所谓的深层长周期地震并不总是预示着火山爆发，有时它们只在岩浆储层排空后才发生。但“当它们开始发生时，意味着有什么东西在移动，火山可能比平时更危险，”他说。

幽灵板块

地震波不是观察地球内部的唯一方式。在我们头顶上方，来自太阳的带电粒子冲击着地球的磁场，并在地球内部产生电流。通过在地球表面布置电磁探测器阵列，地球物理学家可以测量这些电流随时间的变化——而这些变化反映了液体的存在。这种方法被称为大地电磁法。“一旦你开始熔化岩石，它就会像圣诞树一样亮起来，”美国地质调查局的保罗·贝德罗西安说。

iMUSH的大地电磁数据一直备受期待，因为人们希望它们能够解决一个长期存在的争议。先前和更粗略的数据暗示，在圣海伦火山、东部的亚当斯山和北部的雷尼尔山下方存在一个巨大的液体储层。一些地质学家提出，这三座火山可能都坐落在一个巨大的、相互连接的岩浆海之上。

更详细的iMUSH数据没有显示出任何这样的岩浆海，但它们指向了另一种有趣的可能。火山下方的高电导率似乎来自板块构造埋藏的大片含水沉积岩。这些岩石似乎标志着北美洲最后一块主要部分构造拼贴到太平洋西北地区的边缘：一个幽灵板块，曾经是西莱兹亚地区的一部分，现在被埋藏起来，主要位于华盛顿州和俄勒冈州5号州际公路以西。西莱兹亚和北美洲其他地区之间的缝合带可能是一个薄弱区域，来自下方的流体可以通过该区域移动。果然，圣海伦火山似乎就位于该区域之上或非常靠近该区域。

地壳中预先存在的薄弱点也可能解释圣海伦火山下方致密岩块的成因。不断注入缝合带的岩浆可能会逐渐冷却，需要未来的注入绕过这些凝固的侵入体。与地震数据一样，大地电磁数据也揭示了圣海伦火山下方存在致密岩石，岩浆必须绕过这些岩石迁移，尽管这两种方法将岩石放置在略有不同的位置。俄勒冈州立大学从事大地电磁研究的亚当·舒尔茨说，调和这些差异以创建更详细的地下地图“是这个过程中最有趣的部分”。

多种岩浆的构成

然而，最复杂的数据既不是地震数据，也不是大地电磁数据。它们是通过在山上走动、捡起岩石并分析其成分而生成的数据。圣海伦火山喷发出了各种各样的熔岩，这似乎与它们都来自同一座火山相悖。但即使是瞥一眼火山火山口多色和多纹理的墙壁，也能让人感受到解释所有喷发岩石的岩石学——起源、成分和分布——将是多么困难。岩浆上升时，它会“分异、再次上升、结晶、吸收一些物质、同化，最终到达地表，”目前在瑞士工作的岩石学家奥利维尔·巴赫曼指出，他是iMUSH启动和运行的关键人物。地球内部的岩石运动“就像一台大型洗衣机，”他说。

有一种岩石既普遍又说明问题。在火山周围，徒步旅行者可以俯身捡起浮石碎片，浮石是一种浅色的泡沫状岩石，充满了气泡，以至于可以漂浮。在手持放大镜下观察，岩石看起来扭曲变形。气泡被拉伸成长长的卷须状，仿佛熔岩在凝固时被撕裂开来。

这种岩石为1980年火山爆发的猛烈程度提供了一个线索。它由一种称为英安岩的物质组成，该物质含有相对较高比例的二氧化硅。二氧化硅使岩浆变得粘稠，从而堵塞火山的喷口并滞留其中包含的气体。这就是1980年火山爆发如此强烈的原因之一：粘稠的英安岩滞留在火山下方，积聚压力，直到火山北翼的崩塌为压力提供了一个逃逸的途径。

但圣海伦火山在其历史上喷发过许多其他种类的熔岩。在其南侧，熔岩洞穴像夏威夷火山中看到的熔岩洞穴一样，穿过流淌的玄武岩。1980年之前的锥体形成于过去2500年，部分由造山安山岩组成。一座火山怎么能产生如此不同种类的熔岩呢？

iMUSH的巨大成功将是解释1980年爆发中致命的英安岩岩浆，同时解释火山其他岩浆类型的起源。美国地质调查局的科学家道尼卡·L·布拉特、托马斯·W·西森和W·本·汉金斯最近发表了一种新的解释，既借鉴了iMUSH的结果，也借鉴了之前的发现。他们的假设取决于范德比尔特大学-美国地质调查局联合团队先前对锆石进行年代测定的工作，锆石是倾向于在高二氧化硅岩浆中形成的晶体。来自圣海伦火山熔岩中的锆石经历了反复的加热和冷却循环，“就像揉面团一样，”西森说。在数千年的时间里，来自下方的熔岩注入似乎反复加热了糊状区域。当它进行热循环时，岩浆从周围的地壳岩石中吸收二氧化硅，使圣海伦火山的熔岩具有其特有的粘性。当足够的能量进入系统时，转化的岩浆会强行到达地表。

但有时来自下方的岩浆注入力量足够强大，可以直接穿过储存区域的中心，几乎没有改变。正如喀斯喀特火山观测站的地球物理学家韦斯顿·特伦所说，来自地球深处的新鲜岩浆可以“从地幔中冲出，基本上跳过储存，立即喷发”，这就解释了圣海伦火山有时喷发的流淌的玄武岩。

如果这个模型得到证实，它可能会对世界各地产生影响。许多臭名昭著的猛烈火山主要喷发英安岩岩浆，包括菲律宾的皮纳图博火山、希腊的锡拉火山和印度尼西亚的喀拉喀托火山。如果地震、气体排放或其他信号可以与地下岩浆的加工过程联系起来，火山学家可能会有另一种预测危险火山爆发的方法。“我们在研究危险火山方面的缺点之一，”西森说，“是我们通常不知道它们何时准备爆发，直到岩浆到达上地壳，在那里它会产生地震和地面变形。”了解岩浆如何在地下被“烹饪”——它如何在化学上分离，它如何与周围的岩石相互作用——可能表明它即将要做什么。

为不可避免的事情做准备

今天，圣海伦火山很安静。观看火山口的游客和在其山坡上工作的科学家无需担心意外爆发。但火山的平静不会持久。自1980年火山爆发以来，有几次——最近一次是在2016年——火山口下方相对较浅的地震群指向了岩浆的运动。地震并不意味着火山爆发迫在眉睫，但“系统正在重新充能，”华盛顿大学的克里格说。“这座火山已经开始为下一次爆发积蓄力量。”

太平洋西北地区的地质学家和应急规划人员从1980年的火山爆发中吸取了深刻的教训。当一座危险且不可预测的火山隆隆作响时，他们将永远不会再让人进入几英里以内。但火山除了爆炸性喷发外，还带来许多其他危险。如果像以前喀斯喀特火山爆发那样的火山灰降落今天再次发生，它们将摧毁下游的大型社区。火山泥流可以在几乎没有预警的情况下咆哮而下。目前，雷尼尔山被认为比圣海伦火山危险得多，因为它体积更大，附近居住的人口更多，雷尼尔山就在西雅图和塔科马的东南方。超过15万华盛顿居民生活和工作在雷尼尔山过去几千年发生的泥流之上。

iMUSH的结果为地质学家提供了关于圣海伦火山下方正在发生的事情的更详细、但也更复杂的图景。这幅图景正在产生一种关于意味着有事情发生的地下信号的新视角，这些信号以前没有被很好地理解。当下一次火山爆发发生时——无论是在圣海伦火山还是其他地方——更好地掌握这些细节可能意味着生死攸关。