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黄石公园
黃石公園--永不休止的火山活動
以間歇泉和溫泉著名的黃石公園,每年吸引數以百萬計的遊客前往造訪,這些遊客少有人憂慮此區的熱水就是被他們腳下不遠處的巨大岩漿庫加熱的,這裡看不到像富士山那樣明顯的錐狀火山外形,但這裡是貨真價實的一個巨大的火山口,這裡曾經發生過的火山爆發可能是全球規模最大的火山活動。
走進黃石公園你可能看不出那是一座火山,其實它是一座規模很大的火山臼(Caldera),這巨大火山臼形成之前,曾經有過非常壯觀的流紋岩及玄武岩熔岩流及火山碎屑流噴出,因此地底下原先岩漿聚集的岩漿庫空間騰空,在物質大量噴出後塌陷成為火山臼,火山臼邊緣可以看到過去火山活動的熔岩流。
It’snotaquestionof“if”-it’saquestionofwhen…
英國國家廣播公司(BBC)推出了一部名為「超級火山」的影片,假想黃石公園發生火山爆發時的景象,其內容根據目前這些持續進行的地表變形活動監測。
目前雖然沒有火山爆發的徵兆,但如何知道火山什麼時候會噴發?
下一次『超級』火山爆發會在什麼時候發生呢?
監測火山活動:
http:
//volcanoes.usgs.gov/yvo/monitoring.htmlhttp:
//volcanoes.usgs.gov/yvo/monitoring.html
想要掌握火山活動的規模或時間須有相當大量的資訊,目前最常用來監測火山活動的方式有:
1、地震監測:
岩漿庫的活動會引發大量的地震,目前所知活火山都有諧震及群震等地震紀錄。
雖然可以理解火山活動和頻繁地震有關聯,但如何根據地震活動預測火山噴發的時機,仍然是科學家要面臨的最大挑戰。
右圖是阿拉斯加火山活動的個案研究,1992/06/27、08/18以及9/16-9/17(下圖中以紅線標岀)火山噴發前後的地震紀錄,06/27噴發之前的確有很多地震活動,但是8月及9月的火山噴發並未伴隨有先置的地震,而11月及12月雖有大量地震,之後也未發生火山活動。
2、地殼變形:
利用GPS的定位可以紀錄地表的三軸座標,進而計算高程的變化;此外應用衛星合成口徑干涉的方法量測地表變形,可以達到cm級的解析度,以掌握地表高度隨時間的變遷。
3、水文資料:
岩漿庫會產生大量來自地殼深處的火山氣體,也會使地溫明顯上升,因此監測火山氣體及溫泉的水質變化也是一扇監視地下岩漿庫的窗口。
下圖顯示美國西部的黃石火山地區1970年代起地震活動以及持續隆升、下降再隆升的地表高程變形(這是利用衛星合成孔徑雷達干涉測量法__InterferometricSyntheticApertureRadar,INSAR觀測到黃石火山地區的地表變形量地表變形)。
左側縱軸座標代表每一季的地震次數,右側則為累計地震次數。
很明顯地1985年底最後一季地震次數高達近千次,同時地表高程顯示,原本自1985年以來就持續下沉的地表,從1995年起改變成為上升的趨勢。
逛逛(紙上)黃石公園:
1.GoldenGate
2.GrandCanyonofYellowstoneRiver
3.HaydenValley
4.HuckleberryRidge
5.MesaFalls
6.MirrorLake
7.Mt.Everts
8.NarrowsoftheGrandCanyon
9.ObsidianCliff
10.OverhangingCliff
11.PitchstoneFlowatBechlerMeadows
12.PitchstoneFlowNofBechlerMeadows
13.SheepeaterCliff
14.SilverGate
15.SteamboatGeyser
16.TantalusCreek(NorrisGeyserBasin)
17.UndineFalls
18.WashburnHotSprings
黃石公園的火山噴發史黃石公園歷史上的大規模火山噴發活動
火山凝灰岩
年代(百萬年前)
噴發體積(km3)
火山覆蓋範圍(km2)
火山臼直徑(km)
火山臼名稱
LavaCreek
-0.640
1,000
7,500
85x45
Yellowstone
MesaFalls
-1.3
280
2,700
16
Henry’sFork
HuckleberryRidge
-2.1
2,450
15,500
75-95x40-60
BigBendRidge
SnakeRiver
RedMountains
要了解過去的火山活動,必須尋找熔岩流的地層序列,從空中鳥勘比較容易看出來。
右照顯示最近一期火山活動(64萬年前)火山噴發之後陷落的邊緣,高達五百公尺的斷崖(YellowstoneCalderarim),此後大約16萬年前一次較小的噴發形成NezPerceCreekFlow;11萬年前又有WestYellowstoneflow的活動。
在上頁黃石公園地圖的8號位置(NarrowsoftheGrandCanyonoftheYellowstoneRiver),所看到的右圖景觀是1.3百萬年前的活動,在上下兩層暗色(隱約有柱狀結構)熔岩流中夾著流紋岩質火山碎屑岩的巨厚沉積。
從地圖編號1號的GoldenGate是最容易觀察2.1百萬年前規模最大的噴發活動HuckleberryRidgeTuff
http:
//volcanoes.usgs.gov/yvo/history.html
更早以前:
黃石公園是熱點上的噴發活動,歸因於熱柱(plume,一種來自地函底部的大規模岩漿上湧)的存在,噴發活動從一千六百萬年前一直持續到今天。
追溯古老火山口,在現今黃石公園西南側,因為北美板塊向西南方向移動,新的火山口便在東北方出現。
在16.5百萬年前的火山口位於現今內華達北側及奧瑞岡的西南緣,從此以後,新的出口逐漸向東北移動,大約兩百萬年前移動到今天的黃石公園。
"WindowsintotheEarth,TheGeologicStoryofYellowstoneandGrandTetonNationalPark",RobertB.SmithandLeeJ.Siegel,OxfordUniversityPress,2000.
有關名詞:
引自宋聖榮教授文章
http:
//earth.fg.tp.edu.tw/learn/esf/magazine/981202.htm
A火山熔岩流
火山熔岩流為一高溫的熔融液體,溫度可能超過900℃以上,,速度可達每小時100-150英里(Myers等,1995)流經之處的所有物體將全被破壞殆盡。
B.火山碎屑流堆積
火山碎屑流為一密度和溫度都很高的碎屑流,其和沈積作用所產生的碎屑流之最大不同,在於其溫度高且流速快。
火山碎屑流不是因火山噴發所形成的噴發柱崩塌,就是熔岩窿丘崩塌所形成的,所以溫度相當高,目前所知的最高溫度超過攝氏六XX,一般也不低於攝氏一XX,且因其顆粒之間的介質為高溫的氣體,故流速快,所造成的破壞力也大。
PyroclasticFlow。
“pyroclastic”一詞起源於希臘語“pyro”(火)和“klastos”(碎塊),用來描述火山爆炸後形成的岩石火岩漿碎塊。
火山碎屑流是氣體和碎屑的混合物。
火山碎屑流是主要的火山殺手之一,具有極大的破壞性和致命性。
由於其速度很快,因而很難躲避。
1902年西印度群島馬提尼克島Pel岢e火山噴發,火山碎屑流襲擊了St.Pierre城,約30000人喪生(Tilling等,1990)。
日本九州的雲仙火山在一九九一年的噴發,其噴發威力不大,但熔岩窿丘崩塌所引發的火山碎屑流速每小時超過一百公里,使得在另一火山斜坡觀測拍照的火山學家、記者和民眾數十人來不及逃生,而被埋葬於火山碎屑流中。
C.火山灰落堆積
火山灰落堆積是火山灰噴至空中後,再掉落至地表堆積。
有些火山的爆炸威力相當大,其噴發柱可達五十公里的高空,所以火山灰的分布範圍相當廣,影響範圍也大。
例如美國西部聖海倫斯火山在一九八○年的噴發,噴發柱高度約為二十公里,其火山灰往東分布至一千八百公里遠,厚數公分。
D.火山氣體
火山氣體的逸出,如SO2、SO3、H2S、S2、Cl2和Fl2等,除可能對人體直接造成傷害外,硫等之化合物噴入高空,形成非常小的顆粒和硫酸液滴,反射太陽光,讓太陽光無法穿過大氣層到達地表,而影響全球的氣候(圖八);若硫酸液滴與水蒸氣結合形成酸雨落下,也會影響地球環境。
另外,CO2為無昧、無色,比空氣重的氣體,當其由火山口大量逸出時,會取代地表的O2和N2,累積於低窪的凹谷,使生物窒息而死,若未能事先防範,就有可能造成重大傷亡。
如位於非洲中部剛果Niragongo附近的小村莊,在一九八○年中,全村六百多人和所有的家畜,在一夜之間全部窒息而死,就是CO2所造成的火山氣體災害。
E.火山泥流堆積
火山泥流堆積類似一般人所熟悉的土石流,是火山物質混雜大量的水所形成,其成因很多,主要可歸納為二種:
a.熱的火山碎屑流、熔岩流或火山湧浪流在流動的過程中,碰到大量的地表水,如河、湖水或雪而形成,因其形成時,溫度可能還很高,故此種機制所形成的堆積物,稱為熱的火山泥流堆積(hotlahar)。
b.火山噴發後堆積在斜坡上未固結、鬆散的火山灰落堆積物、火山碎屑流堆積物和火山湧浪流堆積物,受到大雨沖刷或地震引起的崩塌,流入河流或湖泊內,都會形成火山泥流,此種機制所形成的堆積物,稱為冷的火山泥流堆積(coldlahar)。
火山泥流堆積如土石流,不僅能淹沒廣大的區域,同時也能沖垮任何建物,如一九八五年哥倫比亞NevadodelRuiz火山和一九九一年菲律賓皮納吐坡火山(圖九)的噴發,前者因噴發所引起的火山泥流,把整個河谷和城鎮淹沒,造成近二千五百人死亡;後者則是火山噴發後,所堆積的未固結火山灰受到豪雨的沖刷侵蝕,引發了火山泥流堆積,雎事前有所防患,未造成人員傷亡,但仍然淹沒及沖毀廣大區域,造成重大的財產損失。
超級火山在哪裡?
http:
//www.geolsoc.org.uk/template.cfm?
name=Super4
火山爆發指數(VolcanicExplosivityIndex)
VEI
Description
PlumeHeight
Volume
Classification
Howoften
Example
0
non-explosive
<100m
1000sm3
Hawaiian
daily
Kilauea
1
gentle
100-1000m
10,000sm3
Haw/Strombolian
daily
Stromboli
2
explosive
1-5km
1,000,000sm3
Strom/Vulcanian
weekly
Galeras,1992
3
severe
3-15km
10,000,000sm3
Vulcanian
yearly
Ruiz,1985
4
cataclysmic
10-25km
100,000,000sm3
Vulc/Plinian
10'sofyears
Galunggung,1982
5
paroxysmal
>25km
1km3
Plinian
100'sofyears
St.Helens,1981
6
colossal
>25km
10skm3
Plin/Ultra-Plinian
100'sofyears
Krakatau,1883
7
super-colossal
>25km
100skm3
Ultra-Plinian
1000'sofyears
Tambora,1815
8
mega-colossal
>25km
1,000skm3
Ultra-Plinian
10,000'sofyears
Yellowstone,2Ma
http:
//volcano.und.edu/vwdocs/eruption_scale.html
21世紀超級火山爆發的機率
Eruptionmagnitude(orVolcanicExplosivityIndex)
Minimumeruptedmass(kg)
Minimumvolumeofmagmaerupted(km3)
Minimumvolumeofash(km3)
Exampleoftypicaleruption
Frequency (averagenumberoferuptionsper100years)
Minimumprobabilityofoneormoreeruptionsofthissizeduring21st C
7(low)
1x1014
40
100
AneventalittlelargerthanTambora1815
0.1-0.5
10-50%
7(moderate)
2.5x1014
100
250
PossiblyKikai,Japan,6000yearsago
0.01-0.06
1-6%
7(high)
8x1014
300
750
Campanian,Italy,35,000yearsago
0.001–0.01
0.1–1%
8(low))
1x1015
400
1000
Taupocaldera,NewZealand,26,000yearsago
<0.001
<0.1%
8(high)
8x1015
3,200
>5,000
AToba-sizeevent
0.0001
Approximately
0%
Thefrequencyofavolcaniceruptionofanysizefallsbyaboutafactorof7foreveryten-foldincreaseineruptionsize. Forthisreason,volcanologistsdescribethesizesofvolcaniceruptionsusingalogarithmicscale(injustthesamewaythatearthquakesaredescribedbythelogarithmicRichterscaleofmagnitude). Thetable,indicatingtherangeofsuper-eruptionmagnitudesabove100cubickilometres ofmagma,isbasedonascalesuggestedbytheCambridgeVolcanologyGroup,(afterMason,B.G.etal.BulletinofVolcanology,inpress,2004). Notethatthelargesteruptionsshownareveryrareindeed.
http:
//www.geolsoc.org.uk/template.cfm?
name=Super3
警報及燈號
Table2.AVIATIONCOLORCODES
GREEN
Volcanoisinnormal,non-eruptivestate.
or,afterachangefromahigherlevel:
Volcanicactivityconsideredtohaveceased,andvolcanorevertedtoitsnormal,non-eruptivestate.
YELLOW
Volcanoisexhibitingsignsofelevatedunrestaboveknownbackgroundlevels.
or,afterachangefromahigherlevel:
Volcanicactivityhasdecreasedsignificantlybutcontinuestobecloselymonitoredforpossiblerenewedincrease.
ORANGE
Volcanoisexhibitingheightenedunrestwithincreasedlikelihoodoferuption,
or,
Volcaniceruptionunderwaywithnoorminorashemission[specifyash-plumeheightifpossible].
RED
Eruptionisforecasttobeimminentwithsignificantemmissionofashintotheatmospherelikely.
or,
Eruptionisunderwaywithsignificantemissionofashintotheatmosphere[specifyash-plumeheightifpossible].
http:
//volcanoes.usgs.gov/#newalerts
真實男主角現身說法
照片中正在野外收集火山熱氣的JakeLowenstern,是真正黃石公園火山觀測所所長,BBC超級火山的影片中這個角色由MichaelRiley(RickLieberman)飾演,雖然製作單位對他及相關研究機構徵詢了許多問題,包括如何監測火山活動?
哪些景象暗示火山即將噴發?
不同的工作由哪些負責人?
在野外時你都做些什麼平常一整天大多待在那兒?
你們會如何逃難?
片中男主角Riley也曾電話長談請
他提供影片中該穿什麼樣的制服、各種火山術語的發音各樣細節。
自從這片子發行之後,不斷有人擔心世界末日即將來臨,網路上也有各式的傳言,例如黃石湖因即將噴發而必須關閉等等,因此真實男主角不得不現身說法,在2005年6月號的Geotimes期刊上發表一篇Truth,fictionandeverythinginbetweenatYellowstone,說雖然他個人對BBC製作過程中徵詢的科學過程給予肯定,但不能認同該片的戲劇效果遠超過眼前真正科學的觀察結果,他強調黃石公園的火山噴發不至於即將發生,也不至於產生超級火山影片中造成世界末日的爆發指數最高等級的噴發活動。
Lowenstern提出很多近年來接觸的媒體報導和從中學習的心得,他讚揚當地媒體的報導比較符合科學的進展,距離遙遠的報紙媒體則過度誇張,例如英國。
更甚的是網路上的誇大災難,有些文章號稱相關的科學家如何關心這座火山可能造成的災難,但所謂的科學家從未提及他們的名或姓,或是說美國地質調查所已經秘密安排兩百多位科學家進入黃石公園調查,Lowenstern很無奈地說,能夠有這麼多科學家來研究黃石公園的火山是他的美夢。
身為一個科學家,的確有不能掌握的問題,但是當他回答媒體或網路上問題時,不得不小心評估不同答案造成的影響。
在這篇文章最後作者道岀:
scienceisultimatelyahumanendeavor—sometimesuncertain,oftencomplex,butalwaysexciting.面對地球過去與未來的環境災變,這當是所有認識複雜地球系統社群的共同心聲。
http:
//www.agiweb.org/geotimes/june05/feature_supervolcano.html
onewhichwefeltwashighlymisleadingaboutactualgeologichazardsandrisksatYellowstoneNationalPark.Theirrevisedprogram,entitledTheTruthAboutYellowstone,wasbroadcastintheUnitedKingdomandelsewhereoverseas.Althoughitwasmuchbetterthantheearlierdraft,ittendedtofocusmoreoncorroboratingSupervolcanothanonprovidinganunbiasedassessmentofcurrenteventsandlikelyvolcanicscenarios.DiscoveryChanneloptedtoreplaceTheTruthAboutYellowstonewithitsowndocumentaryhostedbyTomBrokaw.Overall,thatdocumentarywasbalanced,providingboththescienceandthesensationalwithappropriateperspective.
火山灰的性質
http:
//volcanoes.usgs.gov/ash/properties.html
火山灰是在爆炸式火山噴發時產生的,當大量氣體包裹在融熔的岩漿中,這些氣體不斷被加熱,壓力越來越大的氣體及岩漿水蒸氣衝出地殼噴發到空中,疾速冷卻成火山灰或火山熔岩。
火山灰不是一般燃燒樹木、樹葉或紙張造成的灰燼,它們是堅硬的細小顆粒,一般小於2mm,更小的顆粒可能不到0.001mm,不溶於水,具有腐蝕性,溼的火山灰還會導電。
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