火红的岩浆流入湛蓝的大海，
场面极其壮观，
当红与蓝两种颜色相互交融的时候，
合奏出的是一曲水与火之歌。
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张锦昌· 中国科学院南海海洋研究所研究员
格致论道·湾区 第20期 2022年12月24日
大家好，我是张锦昌，来自中国科学院南海海洋研究所。今天非常荣幸能有机会来到格致论道分享海底火山的故事。
2022年是一个海底火山不安分的年头。在1月15日，太平洋岛国汤加境内的洪阿哈阿帕伊岛发生了火山喷发，引起了全世界的关注。
 

▲ 汤加洪阿哈阿帕伊岛

火山猛烈喷发之后，整个小岛几乎都沉没到了海面之下，造成了汤加整个国家的通讯中断，房屋、道路等建筑物损坏，大气污染以及人员的伤亡。
从卫星图像当中可以清晰地看见，汤加火山喷发出来的火山灰与气体，形成了一个直径约为450千米的火山灰柱，冲向了万米高空，就像原子弹喷发的蘑菇云一样。专家估算，这次汤加火山的喷发能量，相当于一千颗广岛的原子弹。
与此同时，火山喷发产生的巨大能量，推动了整个太平洋的海水，引起了史上罕见的越洋大海啸，最大的海啸波幅达到了1.5米。汤加周边的太平洋国家都受到了这次海啸的侵袭，近的斐济、新西兰，远的日本、智利，都发布了海啸警报。专家分析，这次汤加火山的喷发可能是一百多年来规模最大的一次。
 
▲ 日本樱岛火山
版权归澎湃影像ID:7122087297591410696
汤加火山喷发没多久，2022年1月28日，日本樱岛火山也喷发了，而且还不止一次。于同年6月27日、7月24日，又连续大规模地喷发了两次。这座火山不但学到了汤加火山的暴脾气，一年之内还发了三次脾气，可真是一个脾气糟透了的家伙。
虽然樱岛火山喷发的强度比不上汤加火山，但是它的火山灰柱最高也达到了3400米，相当于6座广州塔的高度。
 2022年11月29日，美国夏威夷群岛上的冒纳罗亚火山，在沉寂了38年之后再度喷发。
炽热的熔岩从火山口奔涌而出，火红的岩浆沿着火山的山坡，就像河流一样流淌，所到之处浓烟滚滚、寸草不生。
 
冒纳罗亚火山是地球上响当当的最大的活火山，出露海平面4170米。如果从海底开始算起的话，整座冒纳罗亚火山可以达到将近9300米的高度，比珠穆朗玛峰还要高。所以刚才提到的汤加火山、樱岛火山跟它相比都只是它的小弟。
火红的岩浆流入湛蓝的大海，场面极其壮观，当红与蓝两种颜色相互交融的时候，合奏出的是一曲水与火之歌。
 

▲ 印尼塞梅鲁火山喷发

也不知道火山们是不是都是约好的，没过几天，12月4日，在太平洋岛国印尼境内塞梅鲁火山也喷发了，导致2000多人离开了他们的家园。巧合的是，2021年在同一天这座火山也喷发了，造成了将近50人遇难以及数千人受灾。
太平洋上的“火环”
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接下来，我就带大家了解一下这些火山。
 
这个是全球火山分布图，红色的三角形标注了地球上所有火山的位置，黄色星星标注了刚才提到的4座火山。不难发现一个规律，这四座火山都在太平洋中。据统计，全球的海底火山约有2万座，太平洋就拥有一半以上。
我给大家温习一下以前在地理课本上学到的一个知识点——环太平洋火山地震带，也称作环太平洋“火环”。这个地带是地球上火山、地震最活跃的地区，刚才提到的日本、印尼、汤加的火山正是在这个火环当中。
你也许会好奇，海底的火山究竟是怎样形成的呢？首先我们要了解一下地球内部结构。火山喷发是地球内部物质和能量输送到地球表面的过程，地球内部有地核、地幔、地壳，地核和地幔很厚，地壳很薄，地核可以分为内核和外核，地幔可以分为下地幔和上地幔。
在上地幔中，有一层平均厚度约300千米的软流层，在软流层里面的物质就像熔融的岩浆一样是可以流动的。在流动的软流层上面就是地球的表面，是一层固体层叫做岩石圈，也称作板块。地球表面这个固体层漂浮在软流层上面，和接下来我要讲的地球表面的板块运动有关。
▲ 视频源自BBC
作为20世纪最重要的科学发现之一，板块构造学说描述了地球内部的运行规律。地球板块内部是坚固稳定的，而板块的边缘是可以活动的。地球内部的地幔对流驱动了地球表面板块的运动，并塑造了地球表面的地形地貌。地球内部轻的、热的物质上涌，板块扩张、增生，形成大洋中脊。与此同时，冷的、重的物质下沉，板块俯冲、消亡，形成海沟。火山就是在这样的地球内部运行规则下的产物。
 
根据地球内部运行的规律，可以把海底火山分为三种类型。第一种是洋脊火山，它形成于板块增生的边界。当板块扩张的时候，海底火山沿着大洋中脊喷发，形成了一条条成千上万公里长的海底山脉。
第二种是岛弧火山，它形成在板块消亡的边界。当板块向下俯冲的时候，它会带着含水和碳的沉积物以及石头进入地球的深部。随着温度、压力的不断升高，岩石发生熔融，岩浆喷发到海底。我们刚才提到的汤加、日本、印尼的火山就属于这种。
还有一种火山，并不像刚才两种形成在板块边界的火山，它形成在板块的内部，我们称它为热点火山。热点是地球深部热物质集中的地方，好比我们家里燃气灶的火源。我们地球内部有这么一个燃气灶的火源，它不断地烤着地球表面的板块，当这个火源把地球表面的板块烤穿的时候，岩浆就会喷发到板块的内部，形成板块内部的火山。刚才提到的夏威夷火山就属于这种类型。
不管是哪一种类型的海底火山，岩石熔融后都会在火山底下构建一个岩浆房。
 岩浆房给火山的喷发提供岩浆，岩浆通过熔岩通道到达火山口喷发出熔岩，熔岩形成熔岩流，冷却了之后就会堆积形成层状的火山结构。
探索地球上最大的火山
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我们研究团队对海底火山的内部结构有浓厚的兴趣，选择了一个极具代表性的海底构造作为研究对象，这是西太平洋的一座巨型海底火山——大塔穆火山（Tamu Massif）。
 
它的名称取自我在美国攻读博士学位时的学校——Texas A&M University（德州农工大学）的英文首字母。
这是十年前我们团队的一项研究，也得到了Nature（《自然》）的报道。图中蓝色曲线勾勒的是人类已经探明的太阳系最大的火山——火星奥林帕斯火山。绿色线勾勒的就是夏威夷的冒纳罗亚火山的轮廓，黄色线勾勒的就是我们研究的大塔穆火山。
通过对比图我们可以看到，大塔穆火山虽然没有冒纳罗亚火山那么高，但是它的宽度、面积、体积都超过了冒纳罗亚火山。所以我们指出，大塔穆火山是地球上最大的单体火山，它的宽度可以跟火星上的奥林帕斯火山相媲美。
 大塔穆火山深藏在几千米深的太平洋海底，它离周边的陆地也有上千公里远，我们需要乘坐现代的海洋科学调查船，带上先进的探测设备，利用卫星和陆地的通讯，才能够对这座海底火山进行详细的海洋科学考察。
这种海陆空联动的调查体系，我们把它比喻成“海洋情报吸尘机”。

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近年来，我们研究团队多次出海调查，与来自世界各地的科研机构、科研人员合作，一起推进海底火山的研究。2015年,我有幸作为联合首席科学家，主持了对大塔穆火山最近的一次海洋科考。
在这次海洋科考当中，我使用了地球物理的方法，我经常把它比喻成“地球医生”。
▲ 图片源自Australian Geoscience
接下来我将给大家简要地介绍两种代表性的方法，第一种叫做多波束海底测深。就像“量身高”一样，它利用的是回声探测的原理，在船上发送多个声脉冲，获取船下的垂直深度，以及与船迹相垂直的一定宽度的面内水深值，从而绘制出高精度的海底地形图。
 
▲ 图片源自张锦昌等
在大塔穆火山海底地形图中，能清晰地看见穹窿状的一整座火山，所以它也叫做盾状火山。它各翼的坡度比较缓和，就像一个大大的煎鸡蛋摊在了海底一样。它高出周边的海底大概4000多米，最大的宽度达到了650千米，总占地面积有30多万平方公里，相当于我们广东、广西两个省面积的总和。
海底地形反映的是火山地表的形态。如果想看看火山内部的结构是什么样，需要给火山“照CT”，这种方法就叫做海洋地震探测。

▲ 视频源自Woodside

我们通过在海面上人工激发地震波，观测和分析地震波在不同岩层当中的传播规律，推断地下的岩层结构。出海时，我们会用大容量压缩空气枪作为震源来激发地震波，同时使用几百个高灵敏的检波器来接收地震波返回的信号。

▲ 视频源自Woodside

有了这些信号，回到室内，就能够在高性能的计算机上，用专业的软件分析和处理数据，最终获取地下的岩层结构。
 
在大塔穆火山的中心，我们采集到一条代表性的地震剖面数据，如上图所示。火山顶峰是火山的主喷发口，喷发出来的熔岩向两翼流动，熔岩流冷却之后堆砌起层状的火山结构。
我们观测得到的结果，与教科书里描述的层状火山基本是吻合的。这就意味着我们通过实际的科学观测，印证了教科书当中的抽象概念。
海底火山会威胁到我们吗？
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说到这里，大家可能开始担心了，这么大一座火山如果喷发的话可了不得。
不用担心，根据大塔穆火山岩石定年的结果，这座火山形成于1亿多年前，早就不再活跃了，是一座古老的死火山。
 1亿多年前的侏罗纪时代还能看到恐龙。那么这座大火山的喷发跟恐龙的灭绝究竟有没有关系？这一点还有待科学证明。
大家可能还担心，我们国家以及周边海域的海底火山是什么情况。
 

▲ 图片源自张锦昌等

从火山分布图中可以看到，我国及周边海域的海底火山主要分布在第一岛链上，也就是中国台湾、日本、菲律宾。这里面有数量众多的岛弧火山，动力比较强，影响也比较大，幸运的是与我们中国大陆还是有段距离。在中国的大陆架上有零星的海底火山，例如在海南岛雷琼地区，但这些火山数量都比较少，影响也比较小。在我们居住的粤港澳大湾区，在海底火山灾害方面还是比较幸运的，相对比较安全。
最后，我们怎样监测海底火山？
 
得益于科技飞速发展，现在我们已经拥有了很多高精尖科技法宝，可以用于监测海底火山，包括海底地震仪、水听器、海底光纤、深拖测量、浮标和锚系。
 
还有我们熟知的一些大国重器，如蛟龙号、奋斗者号、深海勇士号等深潜器；还有远洋大型科考船，科学号、探宝号、雪龙号等等。有了这些先进的海洋科学设备，跟陆地上的基站、雷达，以及空中的无人机、卫星联动起来，构建起的就是一个海陆空全方位的海洋科学观测网。
 
最近国内专家学者提出“透明海洋立体观测网”的概念，它将从空中一直到海底，建立四个层次的立体观测网，包括空中的天基观测网，海平面的海气界面观测网，水体中的水体观测网以及海底的海底观测网。同时依托人工智能和大数据的技术，建立海洋观测数据的处理分析中枢系统，最终实现海洋的状态透明、过程透明、变化透明和目标透明。这就是新一代的全球海洋高时空分辨率的立体观测网。
最后，告诉大家一个振奋人心的消息，我国将建成国家海底科学观测网，在东海、南海建成海底观测系统，实现从海底到海面的长期、连续、实时、原位的综合观测。这个科学观测网将进一步支撑我国海洋强国战略的基础设施建设，进一步提升我国海洋科研的能力和水平，体现我国海洋强国的国际地位。
我的演讲到此结束，谢谢大家！
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