大灾变:“挥发性物质的突然暴露”

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


圣海伦斯火山内部增长的隐晶质火山穹丘播下了自身毁灭的种子。如果它是个小东西,它可能已经成为山羊岩的年轻兄弟。太平洋西北地区居民可能已经看到了一些火山烟火表演,另一个穹丘添加到这座建筑物上,然后恢复平静。它几乎不会登上新闻。

但是,这个穹丘与山羊岩不同,它在表面之下不断增长。它使地下水沸腾。由其热量驱动的热液系统引起了一些非常壮观的潜水蒸汽喷发。它严重地使火山的北坡过于陡峭。

并且它一直在增长,直到最后,1980年5月18日上午的地震使整个东西都倒塌了。


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这是一个关于秒的故事。几秒钟内会发生很多事情。整座山都可以改变。

在太平洋夏令时上午 8:32:11 之前,隐晶质火山穹丘一直遵循着火山皮下岩浆团的通常轨迹。热的英安岩正在冷却到液体变成固体的点。随着岩浆冷却,各种矿物质正在结晶;在外部,新鲜的英安岩遇到旧的火山产物,水在热液系统中循环,那里的冷却程度比内部略高,并且可能形成了某种致密的地壳,只有少量(如果有的话)气孔。穹丘的其他部分可能更泡沫状,气体形成的气孔比相对坚固的外边缘更多。但是一切都承受着压力 - 175 巴 - 因此大多数气体都会溶解在熔体中。即使是被岩浆加热的水也没有沸腾。在那么大的压力下,它无法变成蒸汽。

这一切听起来都很安静和愉快,但是处于压力下的气体,包括水蒸气,被强行限制在一个小体积内。它们通常会占据相当大的空间。给它们一个机会,它们就会非常强烈地这样做。

机会在太平洋夏令时上午 8:32:11 以 5.1 级地震的形式到来。不稳定的北坡大约花了十秒钟开始滑动。旧岩石、碎屑、穹丘、泥土和冰川倾泻而下山坡,留下了一个 700 米(2,297 英尺)高、1 公里(3,281 英尺)宽,与垂直方向仅偏离 20° 的陡坡。所有这些东西都一直在压制着隐晶质火山穹丘及其热液系统。现在压力消失了。所有那些被压制的气体现在都可以自由逸出了。

它们并没有立即逸出。在所有挥发性物质发现自己获得自由之后,爆炸几乎花了 20 秒才开始。隐晶质火山穹丘及其热液系统可能尚未完全暴露,膨胀的气体可能正在穿过北坡的残余物向自由的方向前进。但是也有一些复杂的流体动力学需要应对。即使隐晶质火山穹丘已经立即变得不隐秘,爆炸也需要一些时间 - 至少十秒钟以上 - 才能形成。稀疏(膨胀)波必须传播,水需要闪蒸成蒸汽,溶解的气体开始析出(从溶液中逸出),然后涉及多个相的膨胀波才能将蒸汽和火山碎片抛出。

所有这些都是一种复杂(但大大简化)的说法:水闪蒸成蒸汽和从禁锢中释放出来的气体炸开了隐晶质火山穹丘。

关于隐晶质火山穹丘内的岩浆气体还是热液系统中的蒸汽引起爆炸,仍然存在一些争论。大量的英安岩隐晶质火山穹丘被炸飞的事实表明,其自身的气体是主要贡献者。无论哪组挥发物使事物开始移动,一旦蒸汽、岩浆气体、穹丘碎片以及圣海伦斯火山的大量碎块(未被滑坡剥离)从滑坡陡坡的底部喷出,而更多的则从顶部喷出。请注意,滑坡陡坡不是一个静止的特征:它正在作为 2 号块滑落,为膨胀气体逸出留出了充足的空间 - 横向逸出。

这不是火山常见的行为。但是被限制在狭小空间内的气体想要进入更大的空间,而且它们不拘泥于礼节。如果滑坡在山腰留下一个出口,横向爆炸就是它们要走的路。最初只是音速,但是当爆炸到达露天时,它以超音速膨胀。旧岩石碎片、热的穹丘块和沿途拾起的碎屑形成了一团翻滚、沸腾、深灰色的云。向上,重力对其产生阻力;向下,地面残余物会产生干扰 - 但是横向,它找到了畅通无阻的道路。它在喷口周围膨胀超过 90°,并以超过 600 公里/小时(373 英里/小时)的速度冲下山。在图特尔河北支流和南支流的山谷中,大气层即将决定那些仅仅在几秒钟前还在享受美好五月早晨的人们的命运。

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参考文献:

Lipman, Peter W., 和 Mullineaux, Donal R., 编辑 (1981): 1980 年华盛顿州圣海伦斯火山爆发。美国地质调查局专业论文 1250。

特别感谢 Liberty, Equality, and Geology 的 Helena Mallonee 允许使用她的照片;以及 Outside the Interzone 的 Lockwood DeWitt 提供了 关于爆炸前后气体活动的精彩描述

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