耦合火山：岩浆如何在地下“窃取”与“交流”

冰岛的法格拉达尔火山（Fagradalsfjall）裂隙系统在 2021 年至 2023 年间多次喷发，随后斯瓦特森基（Svartsengi）裂隙系统似乎取代了它的位置。

1912 年夏天，罗伯特·菲斯克·格里格斯（Robert Fiske Griggs）得到消息，称阿拉斯加海岸外有人居住的科迪亚克岛（Kodiak）遭遇了“末日”。次年，这位俄亥俄大学的植物学家率领了几次探险队中的第一次前往该岛，在那里他和团队目睹了令人不安的一幕：科迪亚克岛被整整一英尺厚的灰烬覆盖。不仅是岛屿，在大陆上一座原有多峰的火山——卡特迈山（Mount Katmai）上，被煤烟覆盖的地貌仍在排放有毒气体。

卡特迈山周围曾是一片郁郁葱葱的河谷。格里格斯后来在调查任务中写道，他发现那里“到处是成百上千，不，是成千上万——字面上看，有数万缕烟雾在盘旋。……有些烟雾喷出千英尺高的蒸汽柱，然后才消散。”这个沸腾嘶鸣了数十年的地方，至今仍被称为“万烟谷”（Valley of Ten Thousand Smokes）。

格里格斯和他的队友们正穿行在 20 世纪最多产的火山活动遗迹中——那是一场持续 60 小时的疯狂爆发，将太平洋西北部的大部分地区掩埋在玛瑙般的积雪（灰烬）之下。喷发释放的气溶胶在大气中停留了很长时间，以至于北半球的平均气温在一年多的时间里下降了 1 摄氏度。

这次喷发不仅让天空变冷，灼烧了整个河谷网络。它还使卡特迈山三座高峰中的两座坍塌，形成了一个深 1 公里、宽 2.5 公里的巨坑。当时，发生的事情似乎显而易见：卡特迈喷发了大部分岩浆，并在其身后留下了一个巨大的深渊。

但真相并不总是显而易见的。20 世纪 50 年代，加州大学伯克利分校的地质学家加尼斯·柯蒂斯（Garniss Curtis）对卡特迈及其周边地区进行了详细的地质测绘，结果显示，喷发并非源自火山现已坍塌的山峰，而是源自西边 10 公里处一个以前从未见过的地壳开口。

经过广泛的实地考察，科学家们得出了结论：卡特迈的三分之二消失了，是因为这个开口“偷走”了卡特迈的岩浆。这个想法当时颇具争议，因为人们一直认为火山是独立行动的，利用各自的地下熔岩供应。但卡特迈和这个被称为“诺瓦鲁普塔”（Novarupta）的开口提供了第一个真实的线索，表明火山可以是相连的，或者说是“耦合”（coupled）的。

在 1912 年的喷发期间，科迪亚克镇被一英尺厚的灰烬掩埋。华盛顿大学通过维基共享资源

在过去的十年里，得益于不断改进的传感器、技术以及更深入的科学认知，研究人员在从夏威夷到希腊、从日本到冰岛的地方都发现了其他耦合火山。华盛顿卡内基科学研究所的火山学家戴安娜·罗曼（Diana Roman）说，每种耦合都是独特的，但从根本上说，耦合火山“似乎在相互交谈”。通过持续的研究，科学家们正在学习如何倾听它们的“对话”。

横向移动

可以将岩浆想象成一种特别阴森的浓汤：固体晶体与充满气体的熔融岩石的炽热混合物。就像汤一样，它有不同的口味。有时它充满了名为二氧化硅的化合物，这使它像油一样粘稠且厚重；有时，二氧化硅含量较低，这使它像热蜂蜜一样具有流动性。当岩浆冲破地球表面时，通常被称为熔岩（lava）。

无论成分如何，岩浆天生具有浮力。迈阿密大学的地球物理学家福尔克·阿梅隆（Falk Amelung）说，总的来说，“岩浆应该是向上运动的”。但诺瓦鲁普塔窃取岩浆的行为提供了第一个暗示：熔岩可能比科学家意识到的更加灵活。牛津大学的火山学家大卫·派尔（David Pyle）说：“我们一直专注于研究岩浆如何从深处到达地表，以至于可能把问题简化成了一维。”

在 20 世纪 50 年代，研究人员通过测绘喷发的降灰范围发现卡特迈并非 1912 年灾难的元凶。灰烬并未围绕卡特迈形成同心圆，而是环绕着诺瓦鲁普塔。

Mark Belan/《量子杂志》

在对卡特迈发现的名为安山岩（andesites）和英安岩（dacites）的火山岩研究中，出现了进一步的证据，它们的化学成分与诺瓦鲁普塔喷出的岩石完全相同。阿拉斯加大学费尔班克斯分校的火山学家兼自然灾害研究员约翰·艾希尔伯格（John Eichelberger）说：“这是一个完美的匹配。”此外，卡特迈坍塌过程中减少的岩石体积几乎完全等于从诺瓦鲁普塔喷射出的岩石体积。

地质学家现在相信，卡特迈下方的岩浆在从诺瓦鲁普塔涌出之前，横向移动了数公里。艾希尔伯格说：“毫无疑问，诺瓦鲁普塔和卡特迈之间存在直接联系。”

但没有人确定岩浆为什么会这样移动。艾希尔伯格说，他想知道情况是否有点像承压井的活动，即地下的压力流体会自然地从一个新的开口流出。在这种情况下，诺瓦鲁普塔的开口可能是由一股向上冲出的岩浆流撞碎地壳形成的。这开启了一个低压通道，卡特迈自身的岩浆便向其横向移动。

那次喷发当时没有现代仪器的监测，所以科学家只能对发生的事情提供最佳猜测。为了积累岩浆可以在耦合火山之间移动的证据，他们需要使用高科技传感器实时捕捉这一过程。

2014 年，他们做到了。

1912 年，卡特迈山的山峰部分坍塌，留下了一个火山口湖。Steven Prorak/Alamy

冰冷的连接

冰岛是一座漂浮的火山堡垒。这部分是因为该国坐落在两个相互分离的构造板块边界上；它不断被拉向两个方向。

2014 年，锅状的巴达本加火山（Bárðarbunga）下方的地震激增，似乎预示着一场喷发迫在眉睫。但地震随后离开了巴达本加，熔岩最终从 45 公里外另一座火山阿斯恰（Askja）境内的几处裂隙中涌出，地点名为霍鲁赫劳恩（Holuhraun）。

这是科学家们第一次看到岩浆似乎在两座火山之间移动了这么远。冰岛气象局火山、地震和形变部门负责人克里斯汀·琼斯多蒂尔（Kristín Jónsdóttir）说，岩浆横向移动这么长的距离，“真的是一段很长的路”。

到 2020 年，这个岛国的另一部分——雷克雅内斯半岛（Reykjanes Peninsula）开始发生震动。科学家在该地区布置了大量传感器，使他们能够以非凡的精度追踪岩浆的地下迁移。他们使用了地震计（可以记录岩浆撞击地壳的声音）以及测量地面形状变化的仪器。

在布置完成后不久，该半岛的法格拉达尔裂隙系统在大约八个世纪以来首次复活。它在 2021 年至 2023 年间反复喷发。随后，在 2023 年底，另一个名为斯瓦特森基（Svartsengi）的裂隙系统接管了。它每隔几个月喷发一次，而法格拉达尔则归于沉寂。

2021 年，冰岛法格拉达尔火山喷发出烟雾和熔岩。

琼斯多蒂尔说：“它们从不同时行动。它们像那样轮流上阵……非常可疑。”看起来，就像巴达本加和阿斯恰一样，法格拉达尔和斯瓦特森基也是耦合的。

在地球的另一端，另一位科学家正在开发工具，将这些岩浆连接转化为地图。

追踪热迹

几十年来，科学家一直利用地震来追踪岩浆，但这项工作通常缓慢且不够精确。直到最近，科学家们还只能手动查阅地震记录图来挑选震动，然后利用数据追踪引起震动的岩浆运动。许多埋藏在背景噪音中的更细微的地震，对肉眼来说是不可见的。

在 21 世纪 10 年代，加州理工学院的地球物理学家扎克·罗斯（Zach Ross）希望改进寻找地震的过程。他利用加州十多年来记录的各种“地震交响曲”训练了一个机器学习程序。最终，该程序识别出的震动是任何人工地震调查所能发现的 10 倍。结果，加州各地以前看不见的断层网络像烟花一样亮了起来。

接着，罗斯尝试将他的寻震算法的新型高级版本应用于夏威夷的数据。夏威夷和冰岛一样，到处都是火山。虽然许多火山已经灭绝或休眠，但其中的两座——基拉韦厄（Kīlauea）和冒纳罗亚（Mauna Loa），仍有能力进行破坏性和致命的喷发。

火山学家很大程度上怀疑基拉韦厄和冒纳罗亚是独立行动的。它们喷出的熔岩化学性质差异巨大，而且没有任何令人信服的证据表明其中一个的喷发会影响另一个。

2019 年，基拉韦厄附近的帕哈拉镇（Pāhala）深处发生了剧烈的地震活动。罗斯将震动记录输入他的算法以生成 3D 地图。在此过程中，他发现了一个巨大的通道系统。

2001 年，徒步旅行者参观圣托里尼的火山口。Rolfsteinar 通过维基共享资源

这个岩浆“循环系统”的核心是一系列水平的储库，被称为“帕哈拉岩床复合体”（Pāhala sill complex）。从这些储库中分支出两条“动脉”，一条通向基拉韦厄，另一条延伸向冒纳罗亚。罗斯说：“我非常清楚地记得，当我们第一次在我的办公室看到那个场景时，我们所有人的反应。那相当令人震惊。”

罗曼说，这两座火山共享一个更深层的岩浆源，但喷发出两种化学性质截然不同的熔岩，这一想法让人们感到“非常不舒服”。但地震证据是不容忽视的；它们似乎是耦合的。

它们的连接似乎有所不同——与其他的耦合火山相比，这里的连接更加多变且不稳定。有时，就像冰岛的火山一样，夏威夷的火山轮流喷发。这可能是因为其中一个从共享源中提取岩浆太猛，导致另一座火山没有多少剩余岩浆可供提取。但在其他情况下，两者会同时喷发。罗曼说，这可能是因为连接它们的“岩浆心脏”充满了如此多的岩浆，以至于两座火山都“充满了能量”。

加入“对话”

圣托里尼岛（Santorini）是一个呈 C 字形的希格斯岛屿，拥有暴烈的火山往事。该火山在公元前 1600 年左右最惨烈的爆发，导致了航海文明米诺斯文明的终结。今天，两个小型的新火山正在其海湾中生长，而另一个名为科伦坡（Kolumbo）的火山——有能力产生可怕的海啸和窒息性气体云——正潜伏在近海的水下。

不出所料，该地区受到了科学家们的全面监测。2024 年，一个名为 Multi-Marex 的德希合作新项目开始在圣托里尼周围的陆地和海床上安装多层传感器。伍兹霍尔海洋研究所的火山学家乔纳斯·普雷恩（Jonas Preine）说，这一努力几乎立即得到了回报；巧合的是，在 2025 年 1 月底，该地区开始颤抖。

大地震震撼了圣托里尼，许多居民因担心喷发而逃离。普雷恩说：“居民们非常担心。”但几周后，地震减少了。与此同时，圣托里尼和科伦坡的地面都发生了收缩。

发生了什么？爱琴海的构造结构非常混乱，充满了交错的断层和无数的火山，这使得查明深处发生的事情变得极其困难。但科学家们在机器学习的辅助下分析 Multi-Marex 数据，很快给出了一个解释：一股岩浆从极深处上升到地表以下仅 3 公里左右。这股岩浆没有足够的动能冲破地表，但它似乎确实从别处“借用”了一些熔岩。

地壳中的另一个岩浆储库（被认为是供应科伦坡火山的）随着其储备的流失而发生了收缩。这无疑是另一个火山耦合的案例——团队希望他们改进的认知能为圣托里尼和科伦坡未来的火山活动提供更准确的预报。

在希腊和夏威夷，以及中非和日本等其他地区，研究人员正在寻找下一批耦合火山。他们知道这些火山可能会表现出各种关联行为，包括轮流喷发或同时喷发。他们现在明白，耦合火山不一定会产生相同类型的熔岩或相同类型的喷发。而且他们知道，绝不能低估岩浆在通往地表的旅途中可能移动的距离，以及耦合火山之间连接的深度。

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重要术语翻译表

英文术语	中文翻译	备注
Coupled volcanoes	耦合火山	地下存在物理或系统联系的火山。
Magma	岩浆	位于地下的熔融岩石混合物。
Lava	熔岩	喷出地表的岩浆。
Lateral movement	横向移动 / 侧向移动	岩浆在地下水平方向的迁移。
Fissure system	裂隙系统	岩浆沿地壳裂缝喷发的系统。
Tectonic plates	构造板块	构成地球表层的巨大岩石块体。
Seismic tremors	地震震动	指由火山活动引起的连续震动。
Ashfall	降灰 / 落灰	火山喷发出的碎屑物沉降过程。
Andesite	安山岩	一种中性的火成喷出岩。
Dacite	英安岩	一种酸性的火成喷出岩。
Sill complex	岩床复合体	平行于岩层侵入的板状岩浆储库群。
Machine learning	机器学习	文中指用于识别细微地震活动的 AI 技术。
Caldera	破火山口 / 锅状火山口	火山喷发后坍塌形成的巨大凹坑。
Plumbing system	管道系统	火山内部和下方的岩浆输送网络。