在加利福尼亚州和怀俄明州地表深处，潜伏着两座休眠火山，其狂怒程度几乎难以想象。如果它们达到临界状态，它们将在数小时内将美国西部覆盖上厚达数厘米的火山灰。在过去的200万年里，它们至少这样做了四次。类似的超级火山在新西兰和印度尼西亚下方闷烧。
一次超级火山喷发蕴含着一颗小型小行星撞击地球的毁灭性力量，并且发生的频率是小行星撞击的10倍——使得这种爆炸成为人类应该预期的最引人注目的自然灾难之一。除了造成灼热的火山灰流的直接破坏外，活跃的超级火山还会喷出气体，在随后的几年里严重扰乱全球气候。
毋庸置疑，研究人员渴望了解是什么原因导致这些巨型火山爆发，如何预测它们何时可能再次造成破坏，以及它们的后果可能带来哪些挑战。最近对古代喷发物火山灰沉积物中微观晶体的分析，已经指向了一些答案。这些见解，以及用于监测潜在灾难现场的改进技术，使科学家们更加确信，有可能在下一次大爆发之前发现预警信号。然而，正在进行的工作暗示，超级火山排放物可能会引发大气中令人震惊的化学反应，使得此类事件发生后的几个月比之前想象的更加危险。
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几乎所有火山专家都同意，今天生活在地球上的我们极不可能经历一次活跃的超级火山爆发。灾难性喷发往往每数十万年才发生一次。然而，自 20 世纪 50 年代以来，此类事件的巨大规模和全球影响引起了科学界的关注。
早期的敬畏
地质学家最早的发现之一是巨大的圆形山谷的存在——直径约 30 至 60 公里，深达数公里——它们看起来与位于地球上许多最著名的火山顶部的碗状破火山口非常相似。当位于火山喷口下方的熔岩室或岩浆室排空时，通常会形成破火山口，导致上方的地面塌陷。早期的研究人员注意到，这些类似破火山口的山谷靠近地球上一些最大的火山岩沉积物，这些沉积物是在单次事件中沉积下来的，他们意识到他们看到的是比华盛顿州熟悉的圣海伦斯火山大数百甚至数千倍的火山的遗迹。从破火山口的极端规模和估计的喷发物质体积来看，研究人员知道，它们下方的岩浆室必定同样巨大。
由于形成如此巨大的岩浆室所需的大陆地壳和热源非常罕见，因此超级火山本身也很罕见。在过去的 200 万年里，至少有 750 立方公里的岩浆在四个地区一次性爆发：怀俄明州的黄石国家公园、加利福尼亚州的长谷、苏门答腊岛的多巴湖和新西兰的陶波湖。在其他大陆地壳较厚的地区，包括南美洲西部和俄罗斯远东地区，对类似规模的大型喷发的寻找仍在继续。
到 20 世纪 70 年代中期，对过去事件的调查揭示了岩浆室形成和变得危险的一些方式。在黄石公园地表之下，北美构造板块正在温暖、粘稠的岩石浮力柱上移动，该浮力柱穿过地幔上升，地幔是地球内部 2900 公里厚的层，夹在熔融地核和相对薄的外地壳之间。这个所谓的“热点”就像一个巨大的本生灯，融化了足够多的上覆地壳，为过去 1600 万年的灾难性喷发提供燃料。在多巴湖，岩浆室的热源有所不同。该地区位于俯冲带上方，俯冲带是指一个构造板块滑到另一个构造板块下方的区域；这种汇聚产生广泛的加热，主要是通过下沉板块上方地幔的部分熔化。[中断]
无论热源如何，岩浆室中的压力都会随着越来越多的岩浆在上覆岩石的巨大重量下积聚而随着时间的推移而增加。当加压岩浆抬升上覆地壳，足以形成延伸到地球表面的垂直裂缝时，就会发生超级喷发。岩浆沿着这些新的裂缝逐个向上涌出，最终形成一圈喷发口。当喷发口彼此融合时，环内巨大的陆地圆柱体就没有任何支撑了。这个固体岩石的“屋顶”会像房屋的墙壁倒塌时屋顶塌陷一样，以单个活塞或零星块状物坠入下方剩余的岩浆中。这种塌陷迫使更多的熔岩和气体从环的边缘猛烈喷出。
喷发的指纹
然而，谜团依然存在。值得注意的是，正如研究人员很快意识到的那样，并非每个大型岩浆室都一定会灾难性地喷发。例如，黄石公园拥有世界上三个最年轻的超级火山破火山口——它们分别形成于 210 万年前、130 万年前和 64 万年前，一个几乎位于另一个之上——但在这些爆炸性事件之间的间隔期，下方的岩浆室缓慢而平静地释放出相似体积的岩浆。为什么岩浆有时会缓慢地渗出到地表，仍然是不确定的。
通过观察黄石公园喷发出的熔岩和火山灰中捕获的微小晶体的成分，人们已经提出了部分答案，从而为岩浆如何形成提供了新的见解。几十年来，地质学家一直认为岩浆以液态岩石池的形式存在数百万年，并且每次其中一部分倾泻到地球表面时，新的液体都会从下方上升以立即重新填充岩浆室。如果这种概念是正确的，人们会期望发生更多灾难性的、大量的喷发，因为在没有频繁排空怪物岩浆体的情况下，在机械和热力学上都不可行。
旧的观点主要基于所谓的全岩分析，研究人员会对他们收集的每一块拳头大小的火山岩进行一组化学测量。这些数据提供了岩浆演化的重要总体模式，但不足以确定喷出的岩浆的年龄及其形成的深度。
每一块岩石实际上都由数千个微小晶体组成，每个晶体都有其独特的年龄、成分和历史。因此，当 20 世纪 80 年代后期技术进步使分析单个晶体具有良好的精度成为可能时，就像能够阅读书中的单个章节，而不是依靠封底简介来解释故事。研究人员开始看到，一些晶体——以及它们最初形成的岩浆——比其他晶体出现得早得多，例如，一些晶体形成于地下深处，而另一些晶体形成于靠近地球表面的地方。
在过去的 10 年里，地球化学家特别关注一种特别耐用的火山晶体，称为锆石。威斯康星大学麦迪逊分校的约翰·W·瓦利等少数研究人员知道，锆石可以承受极端的热和压力变化而不会损害其原始成分，他们一直在使用锆石来研究地球地壳的早期演化[参见约翰·W·瓦利的《寒冷的早期地球？》；《大众科学》，2005 年 10 月]。1998 年我加入瓦利团队担任博士后研究员时，我们使用黄石公园的锆石来追踪其母岩浆的历史——这反过来又揭示了关于火山未来可能如何活动的重要的线索。
第一步是测量来自黄石公园最年轻的超级喷发物的锆石中不同形式的氧的比率——64 万年前爆炸后产生了熔岩溪凝灰岩，在某些地方，这种化石火山灰沉积物厚达 400 米——以及此后在较温和的喷发期间喷出的较年轻的沉积物。当我完成初步分析后，瓦利和我都很惊讶地看到，这些锆石的氧成分与来自深部、高温地幔的氧成分不符，如果排空的岩浆室总是从下方填充，就应该如此。来自地幔岩浆的锆石会具有独特的特征：当溶解在岩浆中的元素结合在一起形成锆石时，该晶体会吸收明显高比例的氧 18，氧 18 是氧的一种重同位素，其原子核中有 10 个中子，而不是通常的 8 个。[中断]
瓦利和我立即看出，岩浆一定起源于曾经靠近地球表面的岩石。我们研究的锆石相对于地幔中的氧 18 含量较低，而只有当晶体由与雨水或雪相互作用的岩石形成时，才会发生这种贫化。因此，我们怀疑，来自黄石公园两个最古老的超级喷发物的塌陷屋顶岩石一定熔化，形成了在较年轻的熔岩溪灾难和此后较小规模的喷发期间喷出的大部分岩浆。当我们得知来自熔岩溪后喷发物的锆石的年龄跨越了黄石公园火山活动持续的整个两百万年时，这一假设得到了加强。只有当这些古老的锆石起源于最古老的喷发物中，并且如果这些物质后来塌陷回岩浆室并重新熔化以帮助为最新的喷发提供燃料，那么它们才可能存在于最新的火山灰中。
我们的发现意味着，科学家现在可以对黄石公园超级火山以及其他地方的超级火山未来的活动方式做出某些预测。如果黄石公园开始新一轮的小规模前兆喷发——而且它们通常在灾难性爆炸前几周到数百年发生——测试这些熔岩的氧指纹及其锆石的年龄应该揭示下方岩浆室中哪种类型的岩浆含量丰富。如果下一次喷发中的氧 18 含量较低，那么它很可能仍然是由原始岩浆的停滞残余物供给的，到目前为止，它可能更像是一种浓稠的晶体糊状物，而不是爆炸性液体。另一方面，如果新的熔岩带有来自地幔的新鲜岩浆的指纹，并且不包含古老的锆石，那么它很可能来自大量从下方填充岩浆室的新岩浆。这些发现将暗示一个新的火山活动周期已经开始——并且新注入的岩浆室更有可能发生灾难性爆炸。
直接后果
微小的晶体及其同位素特征也揭示了关于超级喷发后果的惊喜——好的和坏的。关于超级火山后果的最佳研究案例之一是主教凝灰岩，这是一种火山层，厚度为数十至数百米，在地表暴露为加利福尼亚州东部的火山台地。这种巨大的沉积物代表了大约 76 万年前长谷超级火山破火山口形成期间喷出的估计 750 立方公里岩浆的残余物。
几十年来，许多地质学家认为，必须发生数百万年的多次不同喷发才能产生广泛的主教凝灰岩。但对微观的、充满岩浆的气泡的仔细研究表明，这些气泡被困在微小的石英晶体中，讲述了一个不同的故事。岩浆离开岩浆室的速度主要取决于两个因素：岩浆的粘度或流动能力，以及岩浆室和地球表面之间的压力差。由于气泡内部的压力与岩浆形成的岩浆室的压力相匹配，因此气泡就像岩浆室本身的微型版本。
芝加哥大学的阿尔弗雷德·安德森及其同事意识到这种对应关系，他们用显微镜研究气泡的大小，以估计岩浆泄漏出来需要多长时间。根据这些实验以及 20 世纪 90 年代的野外观察，地质学家现在认为，主教凝灰岩——可能还有大多数其他超级喷发碎片——是在一次持续仅 10 到 100 小时的事件中喷出的。
自从这项发现以来，研究人员不得不修改他们对超级火山喷发的重建。以下是他们现在普遍期望从长谷和黄石公园发生的规模的事件中得到的结果：这些喷发不是像夏威夷基拉韦亚火山侧面看到的红色熔岩缓慢泄漏，而是以超音速喷射出超热的、泡沫状的气体和火山灰，这些气体和火山灰充满浮力地一直上升到地球同温层，高达 50 公里。当岩浆室上方的陆地塌陷时，巨大的灰色云团（称为火山碎屑流）水平地向破火山口周围爆发。这些火山碎屑流是熔岩和火山灰之间的中间阶段，因此它们移动速度极快——一些资料来源称高达每小时 400 公里；汽车甚至小型飞机都无法逃脱它们。这些火山碎屑流也非常热——600 到 700 摄氏度——因此它们会燃烧和掩埋各个方向数十公里范围内的所有东西。[中断]
尽管火山碎屑流很糟糕，但喷射到大气中的火山灰可能会产生更深远的影响。在喷发地点周围数百公里范围内，可能会持续数天或数周，淡灰色的火山灰会像雪团一样落下。在破火山口 200 公里范围内，大部分阳光将被遮挡，因此中午的天空看起来会像黄昏时分。房屋、人和动物将被掩埋，有时会被压碎。即使在 300 公里外，火山灰也可能厚达半米；与雨水混合后，其重量足以压塌屋顶。更少的火山灰会使电力和中继站瘫痪。少至一毫米的火山灰，很可能会遍布全球一半的地面，这将导致机场关闭并急剧减少农业生产。
只有逐渐地，雨水（因火山气体而呈酸性）才会冲走厚厚的火山灰层。而且由于火山岩和火山灰会漂浮，因此会堵塞主要水道。沿大河流的运输可能会陷入停顿。事实上，最近在墨西哥湾的石油钻探中，在密西西比河三角洲附近发现了一层出乎意料的厚厚的超级火山碎片——距离其在黄石公园的源头超过 1000 英里。只有顺流而下，然后粘附在沉入海底的沉积物上，才能从如此遥远的火山积累如此大量的碎片。
长期影响
研究人员有理由相信，其他后果，即排放到高层大气中的大量有问题气体引起的后果，也将发生，并且可能会持续多年。新的研究表明，其中一些后果可能不如之前担心的那么糟糕，但另一些后果可能会更糟。再次，观察过去喷发物中小副产品的成分具有启发意义。
在构成任何火山喷发物的各种气体中，二氧化硫 (SO2) 对环境的影响最强；它与氧气和水反应生成微小的硫酸液滴 (H2SO4)。这些液滴是戏剧性的气候降温的主要遮阳源，这种降温将在超级喷发后席卷全球。许多研究人员知道地球的水文循环需要数月或数年才能完全冲走酸滴，因此对“火山冬天”做出了世界末日的估计，认为火山冬天将持续数十年，甚至数百年。但在最近几年，其他研究人员发现了证据，大大减少了这种计算。
几乎总是，大型火山喷发后产生的硫酸痕迹会被困在冰雪中，因为酸会从受污染的大气中沉淀出来。1996 年，研究格陵兰岛和南极洲冰芯的研究人员发现了 74000 年前多巴湖超级喷发后的硫酸峰值。那次喷发喷出了 2800 立方公里的熔岩和火山灰，使全球平均气温下降了 5 到 15 摄氏度。这种寒冷的后果无疑是严重的，但持续时间并没有之前想象的那么长：冰记录中的硫酸在短短六年内就消失了；一些研究人员认为它消失得甚至更早。
火山冬天可能比预期的要短，这是一个好消息。但是，过去五年开发的一种新方法，用于研究火山酸雨中氧原子的成分，正在揭示关于大气中二氧化硫长期影响的完全不同的、令人震惊的迹象。为了使 SO2 变成 H2SO4，它必须被氧化——换句话说，它必须从大气中已经存在的其他化合物中获得两个氧原子。究竟哪些化合物起着关键作用，是当前研究中一个备受争议的话题，因此当我在 2003 年开始与约翰·M·艾勒一起在加州理工学院担任工作人员时，他和我在我的黄石公园和长谷史前喷发物的火山灰样本中寻找证据。[中断]
我们开始分析时，重点关注一种特别有效的氧化剂，臭氧。臭氧是一种由三个氧原子组成的气体分子，最著名的是它能保护地球免受太阳有害紫外线的照射。由于某些气体在强烈的太阳辐射下会发生罕见的化学转化，因此臭氧的特征是其所谓的质量非依赖性氧同位素特征存在异常，简单来说，可以将其视为氧 17 的过量。
当臭氧或同温层中任何其他富氧分子与 SO2 相互作用时，它会将其氧同位素特征转移到产生的酸中——也就是说，氧 17 异常在新的酸中持续存在。2003 年，加州大学圣地亚哥分校的地球化学家首次发现，这种特征也保留在后来以酸雨形式落下的酸的氧原子中，以及在酸雨与地面火山灰反应形成的硫酸盐化合物中。
因此，我们在黄石公园和长谷火山灰样本的硫酸盐中发现的氧 17 过量和其他化学模式暗示，大量平流层臭氧被消耗在与这些地区超级喷发物中气体的反应中。其他研究南极洲酸层的研究人员也证明，这些事件可能也侵蚀了平流层臭氧。看起来，超级火山排放物在臭氧层中造成的空洞比它们冷却气候的时间还要长。
预计这种保护性臭氧的损失将导致到达地球表面的有害紫外线辐射量增加，从而导致射线引起的遗传损伤增加。潜在的臭氧破坏的程度和持续时间仍在争论中。空间观测表明，1991 年菲律宾皮纳图博火山喷发后，臭氧层减少了 3% 到 8%。但是，如果发生规模大 100 倍的事件会怎样？简单的算术无法解决这个问题，因为大气氧化反应的细节极其复杂且尚未完全理解。
研究和监测各种规模火山的科学技术正在以所有审慎的速度发展。但无论我们学到多少，我们都无法阻止火山爆发。而对于最灾难性事件的后果，充其量也只是推测性的。然而，好消息是，研究人员现在对可能发生喷发的地点有足够的了解，可以合理地保证近期不会发生此类灾难。