2012年5月12日，熔巖從基拉厄維火山 Halema`uma`u 火山湖中飛濺而出。圖片來(lái)源：HVO/USGS。
我被問(wèn)及許多關(guān)于火山爆發(fā)的問(wèn)題，但是更普遍的問(wèn)題是石頭的性質(zhì)——尤其是為什么它們會(huì)熔化，以及它們?cè)谀睦锶刍a(chǎn)生巖漿？對(duì)于地球的內(nèi)部人們有很多誤解，我們生活所在的地址板塊（大陸和大洋板塊）都是坐落于形成地幔的“巖漿?！敝系摹?/font>我之前曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，地球的地幔是始于10~70千米，一直延伸到約2900千米處外部核心的硅酸鹽巖石層，這層巖石組成了地球大部分的體積，但它沒(méi)有熔化，而只是發(fā)生塑性變化的固體。這意味著它可以流動(dòng)，也可以對(duì)流，這也是地質(zhì)學(xué)家們認(rèn)為的板塊運(yùn)動(dòng)開(kāi)始以及維持的方式之一。然而，正如我們所知的那樣，在地球核心巖石是完全熔化的，那么地球如何能有這么多固體巖層，而其他地方確是熔化的呢？
這幅簡(jiǎn)圖揭示了地球上的巖石為什么會(huì)熔化。從圖上的地?zé)岬葴鼐€（圖中實(shí)線）來(lái)看，巖石不應(yīng)該熔化，因?yàn)樗c干地幔固相線（僅靠加熱使地幔巖石熔化的點(diǎn)）從不相交。水的加入使得固相線移到了濕地幔固相線（圖中短虛線）處。地幔的恒溫減壓使得地幔在上升過(guò)程中（圖中粗實(shí)線）能夠與固相線相交。圖片來(lái)源：Erik Klemetti
首先我們問(wèn)個(gè)問(wèn)題：“你要如何熔化一塊巖石？”你腦海中跳出來(lái)的最直接的辦法就是“升高溫度！”。對(duì)于冰來(lái)說(shuō)是這樣的——固態(tài)水在0?C（或32F）時(shí)就會(huì)融化。但對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，我們就遇上了麻煩。事實(shí)上地球還沒(méi)有熱到能熔化地幔巖石的程度，這些巖石是洋中脊、熱點(diǎn)以及俯沖帶玄武巖的來(lái)源。如果我們假設(shè)熔化的地幔由橄欖巖*組成，那么在200千米深處（地幔上層）固相線約為2000?C。然而地?zé)崽荻?/font>（隨著深度增加溫度如何變化）模型卻顯示，如果你沿著地殼深入到200千米深的地幔楔上層，溫度會(huì)在約1300~1800?C，遠(yuǎn)低于橄欖巖的熔點(diǎn)。那么，如果說(shuō)越往上走溫度越低，那么這里的橄欖巖為什么會(huì)熔化形成玄武巖呢？
這幅簡(jiǎn)圖揭示了俯沖帶發(fā)生的熔化現(xiàn)象。向下俯沖板塊中的水在深層溫度升高時(shí)被釋放出來(lái)，造成板塊上方的地幔部分熔融，并形成玄武巖。圖片來(lái)源：Erik Klemetti
好吧，現(xiàn)在你要想的不是如何加熱一塊巖石以使其熔化，而是想想如何改變巖石的熔點(diǎn)（固相線）。讓我們來(lái)想象一塊冰。在冬天，有許多時(shí)候你不想看到冰，但是環(huán)境溫度卻在冰點(diǎn)以下。那么你該怎么辦？一種方法是通過(guò)阻礙水分子間的化學(xué)鍵——從而阻礙固體冰的形成——以讓冰在更低的溫度下熔化。鹽類(lèi)物質(zhì)很容易做到這一點(diǎn)，只要在冰上撒一些氯化鈉或者氯化鉀，冰就會(huì)在0?C以下開(kāi)始融化。對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)，水的作用就像鹽對(duì)冰的作用一樣。把水加入地幔橄欖巖會(huì)使其在更低的溫度下熔融，因?yàn)榈V物之間的化學(xué)鍵被水分子破壞（我們稱之為“變網(wǎng)”）。在俯沖帶（比如喀斯特山脈和安第斯山脈）里，當(dāng)海洋板塊俯沖到另一板塊之下時(shí)，俯沖板塊中的水隨著溫度升高就會(huì)被釋放出來(lái)，這些水上升到它上方的地幔處，使得它在較低的溫度下熔融，然后“砰”一聲，玄武巖就在一種叫做“注流熔融”的過(guò)程中形成了。
這幅圖片顯示了洋中脊地區(qū)減壓熔融過(guò)程。溫度較高的地幔上升，部分熔化形成玄武巖，然后在移向洋中脊側(cè)面的過(guò)程中逐漸冷卻。圖片來(lái)源：Erik Klemetti
等等！地球上最大的火山系統(tǒng)是洋中脊火山系統(tǒng)，哪里沒(méi)有任何的板塊俯沖，地幔也得不到水來(lái)發(fā)生熔融，那么那里的玄武巖是從哪里來(lái)的呢？這次我們要換種方法來(lái)使橄欖巖熔融——我們將它恒溫減壓，這一過(guò)程叫做絕熱提升。地幔發(fā)生對(duì)流，將深處熾熱的地幔物質(zhì)帶到表層冷卻，在冷卻過(guò)程中，地幔物質(zhì)比周?chē)膸r石溫度要高。由于熔點(diǎn)（固相線）隨著壓強(qiáng)的變化而變化，因而在200千米深處2000?C的熔點(diǎn)在50千米深處只有約1400?C。因而，保持地幔物質(zhì)熾熱的同時(shí)減壓，你就可以讓熔融的橄欖巖變成玄武巖！因而，在洋中脊下面（以及在像夏威夷這樣的熱點(diǎn)），地幔一直在上涌，使得減壓熔融過(guò)程一直在發(fā)生。
讓我們回顧一下：在通常情況下，像橄欖巖這樣的地幔巖石不該在地球上地幔熔融——那里還不夠熱。但是，水的加入降低了巖石的熔點(diǎn)。或者通過(guò)給巖石減壓，在某一個(gè)壓強(qiáng)下巖石的熔點(diǎn)會(huì)降低。在上述兩種情況中，玄武巖巖漿就會(huì)形成，由于它比周?chē)鷰r石更熱以及密度更小，它會(huì)向水面滲出……有些就直接噴發(fā)了出來(lái)！
*地幔絕不是均勻的，但我們只關(guān)心所謂的“富集地?！薄@些地幔從未發(fā)生過(guò)熔融，并能產(chǎn)生玄武巖液體。
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