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自然科普：為什麽海底火山不會被海水澆滅？

來源：科普中國

發布時間：2022-12-05

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版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

我們(men) 在災難題材的影視作品中常常會(hui) 看到這樣的場景：海底的火山劇烈噴發，翻攪出可怕的渦流和巨浪……

麵對這個(ge) 畫麵，很多人的腦海中都曾閃過這樣的一個(ge) 問題：

為(wei) 什麽(me) 海底的火山不會(hui) 被海水澆滅呢？

Part.1

火山≠噴火的山

在理解這個(ge) 問題之前，需要先糾正部分人的錯誤印象：火山≠噴火的山。

很多人在想起火山時，第一反應可能是一座高聳的錐形山，正在噴出粗大的煙柱——看上去就好像是一座正在噴火的山。而在火山噴發之後，大麵積飄落的大量白色火山灰，也與(yu) 我們(men) 常見的煙灰極為(wei) 類似，都是細顆粒的灰塵，都是灰白色。所以很多人下意識認為(wei) 火山＝噴火的山。

熾熱的紅色和滾滾黑煙，讓火山看上去確實像是在冒火一樣

（圖片來源：wikipedia）

但如果我們(men) 拉近視角，近距離觀察火山就會(hui) 發現完全不是這樣的。因為(wei) 火山噴發出來的熔岩實際上是一種高溫流體(ti) ，在本質上與(yu) 水並無差別，反而與(yu) 火是截然不同的物質。許多熔岩的近距離照片都可以明顯看出它們(men) 很多時候與(yu) 液體(ti) 無異。

我們(men) 從(cong) 小學習(xi) 物理的時候就知道物質存在三種相態的變化：氣體(ti) 、液體(ti) 、固體(ti) 。與(yu) 相態變化相關(guan) 的則是熔點和沸點。以水為(wei) 例，水的熔點是0℃，沸點是100℃，當溫度低於(yu) 0℃時，我們(men) 見到的固態水——冰；當溫度處於(yu) 0℃—100℃之間時，我們(men) 見到的是液態水；而當溫度高於(yu) 100℃時，我們(men) 見到的則是氣態水——水蒸氣。

這一杯水中就有水的三種相態：氣、液、固

（圖片來源：wikipedia）

基本上所有物質都是這樣，有熔點和沸點，並會(hui) 隨著溫度而改變相態。岩漿則是熔融的岩石——由於(yu) 岩石成分非常複雜，其內(nei) 部不同成分的熔點和沸點均不一致，所以其實大部分岩漿是固液氣混合物。而與(yu) 之相比，火焰則是可燃物在燃燒過程中釋放光和熱以及各種化學產(chan) 物的過程。在火焰中，主要物質成分是二氧化碳、水蒸氣、氧氣、氮氣等氣體(ti) 。

岩漿是熾熱的固-液-氣混合物

（圖片來源：wikipedia）

火焰是熾熱的氣體(ti)

（圖片來源：wikipedia）

理解了火山噴出的是岩漿，而岩漿是高溫熔融體(ti) 而不是火這一點之後，我們(men) 應該就能理解，當海底火山噴發的時候，岩漿進入海水中其實就好像在冷水槽中通入熱水一樣，而不是從(cong) 海底噴出的大火——冷水會(hui) 讓熱水降溫，但卻無法像撲滅火焰一樣，讓熱水消失，除非我們(men) 手動關(guan) 閉熱水水龍頭。

Part.2

海底火山從(cong) 哪裏來？

所以問題到了這裏就變成，既然海底火山如同一個(ge) 不斷噴出熱水的水龍頭，而海水又會(hui) 讓岩漿降溫變成岩石，那麽(me) 巨量的海水無疑能讓噴出來的岩漿都凝固，從(cong) 而堵塞火山口，讓海底火山再也無法噴發吧？

答案是不能。因為(wei) 火山實際上是行星級別的熱量和物質循環的產(chan) 物，地球不死，火山就不會(hui) 停止活動。

整個(ge) 地球其實是遵循著基本的物理和化學規律在運轉的，這些規律並不深奧。比如火山的形成和活動，就可以用熱力學第二定律來解釋——聽起來很專(zhuan) 業(ye) ，但它的克勞修斯表述卻很貼近我們(men) 的生活：熱量總是自發地從(cong) 高溫熱源流向低溫熱源，而不是相反。

如果追溯地球46億(yi) 年的演化曆史就會(hui) 發現這一規律的作用：大約46億(yi) 年前，地球在無數星子的碰撞中逐漸誕生，碰撞的能量轉換為(wei) 熱量，因此，當時的地球是一個(ge) 巨大的岩漿球（整個(ge) 或大部分地表都是岩漿），其表麵溫度高達數千攝氏度。

無數小行星的撞擊下地球就是一個(ge) 紅彤彤的岩漿球，圖片中的環狀就是撞擊產(chan) 生的。

（圖片來源：flickr/Kevin Gill）

隨後，由於(yu) 岩漿是可流動的，因此重的物質下沉，輕的物質上浮（看，這裏又是一條物理規則）。重的物質下沉時，重力勢能會(hui) 轉化為(wei) 熱能；同時，原本分散在星子中的放射性元素也因此而聚集在一起，不斷進行衰變，同時釋放出能量。這些能量讓地球內(nei) 部的岩漿一直處於(yu) 加熱狀態。

但與(yu) 此同時，由於(yu) 宇宙背景溫度很低，平均為(wei) -270℃，所以地球以熱輻射的方式不斷向外傳(chuan) 遞熱量（熱量傳(chuan) 遞三種方式：熱傳(chuan) 導、熱對流、熱輻射，但宇宙中為(wei) 真空，沒有介質，所以地球隻能以熱輻射形式向外傳(chuan) 遞熱量）。

既然傳(chuan) 遞了熱量，那麽(me) 地球肯定要降溫——地表最先降溫，於(yu) 是這裏的岩漿就會(hui) 先冷卻下來形成岩石，這就是最初的地殼了。

地球逐漸冷卻的過程，岩漿會(hui) 形成最初的岩石（圖中黑色）

經過進一步演化後最終形成了原始地殼

（圖片來源：wikipedia/Jack Madden）

到了現在，地球已經演化出地殼、地幔、地核三層結構，其溫度也是從(cong) 地殼到地核越來越高。同時，因為(wei) 重的物質不斷下沉，導致其密度也是越來越高的——地殼平均密度2.8g/cm3，地幔平均密度4.59 g/cm3，地核平均密度11 g/cm3。所以我們(men) 也可以認為(wei) 地殼就是“漂浮”在地幔之上的——就跟木板漂在水上一樣。

地球的三層結構

（圖片來源：123rf）

到了這時候，我們(men) 就可以把地球想象成一個(ge) 火鍋——地核是火爐，能量來源於(yu) 重力勢能以及放射熱能；地幔是火鍋湯底，因為(wei) 火爐的炙烤不斷升溫；地殼則是漂浮在最上層的白菜幫子。在地核加熱下，地幔不斷產(chan) 生熱對流——熱的地幔從(cong) 地核處往上運動，冷的地幔物質從(cong) 地殼之下往下層鑽。

地幔中的熱循環模式，有人認為(wei) 是全幔循環，有人認為(wei) 是上下地幔分別循環

（圖片來源：wikipedia）

而地殼部分相對於(yu) 地幔和地核非常薄，地殼平均厚度隻有17千米（大陸地殼33千米，海洋地殼10千米），就算加上上地幔頂部部分固態岩石後組成的岩石圈，其厚度也隻有100千米左右。與(yu) 之相比，地幔厚度則高達2850千米，因此，在地幔運動的帶動下，這些薄薄的固態岩層必然會(hui) 被撕裂開來，並隨著地幔而運動——就好像火鍋上的白菜幫子會(hui) 因為(wei) 火鍋湯底的翻騰而運動不休一樣。

地球的板塊時刻處於(yu) 運動中

（圖片來源：wikipedia）

被撕裂的地殼的各個(ge) 部分就變成了板塊，而隨著地殼的運動，板塊之間也會(hui) 運動起來，有些板塊之間相互碰撞，有些板塊之間相互分離。從(cong) 常識就能知道，這些相互分離的板塊邊界處又薄又脆弱，其下的地幔物質也很容易突破岩層的封鎖，噴出地表——這樣就會(hui) 沿著板塊邊界形成一長溜火山帶。

而隨著板塊之間分開的越來越遠，板塊邊界處火山噴發後的岩漿冷卻，就形成了薄薄的地層，也就是洋殼——由於(yu) 這裏相對於(yu) 板塊內(nei) 部地層薄很多，因此自然就是低窪地帶，所以就會(hui) 積水形成海洋。事實上海洋也就是這麽(me) 形成的，而海洋的形成也與(yu) 板塊運動息息相關(guan) 。

我們(men) 在目前的地球上就能找到各個(ge) 生長階段的海洋：裂穀-小洋盆-成熟的洋盆-消亡階段的洋盆-死亡即將閉合的洋盆-完全閉合的洋盆。這在地質學中被稱為(wei) 威爾遜循環。

威爾遜循環

（圖片來源：wikipedia）

所以，海底火山實際上就是板塊運動的結果，其中絕大部分海底火山都位於(yu) 板塊分離的邊界。從(cong) 二戰以後，隨著人類對海洋探索的深入，我們(men) 已經發現了漫長的海底火山帶，它們(men) 大多位於(yu) 海洋中間的位置，被稱為(wei) 洋中脊。它們(men) 是世界上最長的山脈，總長度約有8萬(wan) 千米。

地球上的洋中脊分布圖，有洋中脊的地方就有海底火山

（圖片來源：wikipedia）

當然，還有另外一些海底火山。它們(men) 的形成與(yu) 地幔熱柱的活動有關(guan) 係。在地幔處並不是處處均勻受熱的，其中部分地幔物質要比其他地方熱很多，熱了就會(hui) 向上跑，於(yu) 是它們(men) 就會(hui) 形成直達地殼之下的地幔熱柱，地幔熱柱頂端可能還會(hui) 分出不少分支小熱柱來，它們(men) 的活動也會(hui) 頂破薄薄的洋殼的束縛，成為(wei) 不斷噴湧的海底火山。夏威夷島鏈的形成就與(yu) 此有關(guan) 。