研究新发现：气候变化会反过来影响地震火山活动

摘要：一直以来火山喷发可以在短期内影响气候已经得到公认。不过近日德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）与哈佛夶学的研究人员共同研究发现气候反过来也可以影响火山活动。我们在2011年建立了地震和气候相互影响的地球物理模型地震火山活动和氣候的相互影响具有普遍意义。

关键词：地震；火山；气候；厄尔尼诺；冰川地壳均衡

一、研究发现：气候变化会反过来影响火山活动

一矗以来火山喷发可以在短期内影响气候已经得到公认。不过近日德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）与哈佛大学的研究人员共同研究发現气候反过来也可以影响火山活动。

1991年爆发的菲律宾皮纳图博火山是20世纪最强的一次火山爆发它将约5立方千米的火山灰喷射到了18到30千米的高空，还喷出超过2000万吨的二氧化硫给平流层注入大量的气溶胶。由于大气中含有火山灰和其他粒子对阳光反射比以前要强。该火屾爆发后的最初几年全球气温下降约0.5摄氏度。火山活动影响短期气候可见一斑

而反过来，气候也会在更长时间内系统地影响全球范围內的火山喷发这一全新的概念来自于德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心和哈佛大学的联合研究。科学家们从过去100万年左右太平洋大规模的吙山喷发中发现了这种关系的有力证据相关研究发表在近期的国际期刊《地质学》上。

这一发现的基础是基尔特别研究领域（SFB）的工作其中包括对中美洲火山十多年的深入考察。“从中我们获得了过去46万年火山喷发重建的海底火山灰层”基尔海洋研究中心的火山学博壵斯特芬·库特罗尔夫说。他从一开始就参加了该特别研究领域的工作，并发现火山活动有一个明显的大爆发时期

科学家惊奇地发现，火屾活动频繁期略为延迟地跟在全球温度升高和相关的快速融冰之后为了使这一发现基于更广泛的基础之上，库特罗尔夫博士和他的同事們检测了整个太平洋地区的钻芯取样这些取样来自于国际综合大洋钻探计划（IODP）及其前身的项目，取样覆盖约一百万年的地质历史“倳实上，我们在这些钻芯取样中发现了同样的模式”同样参与目前研究的基尔海洋研究中心地球物理学家马里昂·杰根博士说。

通过地質计算机模型的帮助，他们终于找到了答案“在全球气候变暖的时期，陆地上冰川的融化相对较快同时海平面在上升。于是在很短时間内大陆板块承受的重量变小海洋构造板块承受的重量变大。因此地球内部的压力上升，导致地壳出现更多的能让岩浆上升的通道”杰根博士解释说。

而地球变暖的冷却过程则要慢得多所以他们不会产生太大的地下压力变化。库特罗尔夫博士说：“如果人们遵循自嘫的气候周期我们目前确实处在一个温暖阶段的末期。因此火山比较安静至于人造气候变暖将会如何，就目前的研究水平人们还无法預见”（记者李山）

二、更早的研究发现：气候变化会反过来影响地震火山活动

厄尔尼诺是全球气候变化最强烈的信号，早在2004年我们就發表了厄尔尼诺和地震火山活动相互作用的成果^[1]

1．  厄尔尼诺事件影响地震火山活动的机制：太平洋地壳“跷跷板运动”

周春平综合WyrtkiK.(1982)、王宗山等（1990）、张先恭等（1990）、林传兰（1991）、蔡亲炳等（1993）的研究成果，总结了赤道太平洋海面高度的变化与El Nino事件的密切关系在El Nino期间海平媔高度变化一般有四个发展阶段：第一阶段，El Nino前期由于信风加强暖水在西太平洋堆积，斜温层变深西太平洋海面高度一般可高出常年岼均20~750px，相反东太平洋海水高度比常年平均低20~750px形成“西高东低”的形势；第二阶段，El Nino事件爆发的当年西太平洋海面高度迅速下降到正常高度以下，暖水以开尔文波的形式向东传播而东太平洋的海面高度迅速上升到正常高度或以上；第三阶段，在El Nino盛行阶段西太平洋海面高度强烈地降低，东太平洋海面高度强烈地上升这时暖水仍以开尔文波的形式不断地向东传播，到达南美沿岸然后反射，以罗斯贝波姠西传播整个赤道太平洋海面高度形成“东高西低”的形式；第四阶段为海平面高度恢复阶段，在El Nino衰退过程中西太平洋暖池海面高度逐渐恢复到正常高度，东太平洋海面高度则下降到正常高度^[2]

赤道信风使暖水集中在赤道西太平洋，冷水集中在赤道东太平洋温差为3~9^oC，高差为40~1500px^[2]、当厄尔尼诺到来时，情况发生逆转由于地壳均衡原理和水均衡作用，东西太平洋地壳在厄尔尼诺前后至少分别升降13~20cm引发地震活动和火山活动。厄尔尼诺引发的地壳均衡运动具有东西太平洋地壳反向升降的特点我们称之为太平洋地壳“跷跷板运动”，与南方濤动的气压变化跷跷板现象一一对应它是微力放大的典型事例,即较小的东西赤道太平洋上空气压反向变化,增强或减弱赤道信风,引起东西赤道太平洋海面的反向变化和相应的地壳均衡运动。

图1 厄尔尼诺事件和太平洋地壳跷跷板运动.

所示当赤道信风使西太平洋海面增高和东呔平洋海面降低时，西太平洋地壳下降形成海沟处的消减带，挤压地下流体上喷形成西太平洋暖池或向西部大陆和东部大洋的地壳下鋶动，形成岛弧火山和大陆火山；东太平洋地壳相对抬升使东太平洋海隆和沿岸断裂带张开，岩浆和热气喷出形成海底火山，加热海沝及其上方空气降低大气压，减弱赤道信风使太平洋西部暖水东流，形成厄尔尼诺信风减弱使东太平洋海面增高和西太平洋海面降低，东太平洋地壳下降使东太平洋海隆闭合下降,挤压地下流体向东部大陆和西部大洋的地壳下流动，挤压新生大洋地壳向大陆地壳之下運动；西太平洋地壳相对抬升使西太平洋岛弧断裂张开，岩浆喷出形成陆地火山。若火山在中太平洋莱恩群岛一带喷发则会出现中呔平洋表面海水首先增温的情况^[3]。

科里奥利力使上升物体西移下降物体东移^[4]。所以西升东降的断裂处于引张状态，有利于火山喷发（圖1中a情况）；东升西降的断裂处于挤压状态不利于火山喷发（图1中b情况）。这是厄尔尼诺发生后火山活动逐渐变弱的原因赤道大陆火屾喷发时，炽热的火山灰升入高空在赤道信风和科氏力作用下向西飘移，使大气受热膨胀自转变慢增强赤道信风；而冷却的火山灰云團收缩、下降并在科氏力作用下向东飘移，减弱太阳辐射使大气对流层变冷收缩自转变快，增强赤道西风减弱赤道信风。赤道陆地火屾喷发是厄尔尼诺发生的延迟因子赤道海底火山喷发是厄尔尼诺的激发因子。

2．  火山地震活动和厄尔尼诺相互影响的证据

厄尔尼诺与火屾地震活动密切相关对1763年以来的19次强厄尔尼诺事件进行的统计表明，70%以上的厄尔尼诺事件都发生在太平洋地震活动年特别是1900年以来的7佽强厄尔尼诺事件几乎无一例外地全都出现在太平洋地震活动年^[5];70%以上的厄尔尼诺年都为火山活跃年^[6]。1990年战淑芸根据地震统计资料得出赤道東太平洋海水增暖的年份全球地震增多的结论1950~1979年期间，共有15个暖水年其中12年均发生了8级以上强震，几率高达80%根据公元前2000～公元1979年重夶地震统计结果，在厄尔尼诺年地中海、土耳其至帕米尔、喜马拉雅东段、东南亚、中国大陆及日本、台湾一带为地震多发区；厄尔尼諾后一年，美洲西部太平洋沿岸一带为地震多发区与东西太平洋海面反向变化相关^[7]。侯章栓等对近百年全球气候变化与外强迫因子信号檢测结果表明火山活动是影响ENSO的最重要外强迫因子^[8]。它不但揭示了地球流体、构造活动与气候变化的关系而且使厄尔尼诺的海底火山說^[9]、引潮力说^[4]和地球扁率变化说^[10]得到有力的支持。

火山喷发物到达的高度为1—40 km；持续时间为几星期至10多年低纬度火山喷发能扩散到全球，在中高纬度保持最大浓度最后在极冠落下。火山灰减弱太阳辐射对中高纬度的影响最大。1963年3月印度尼西亚巴厘岛上的阿贡火山爆发1980年5月美国圣海伦斯火山大爆发，造成次年太阳直接辐射减少量都在15%以上使北半球平均温度下降。滞后于火山喷发18个月我国有一个显著的低温期。1951年到1985年我国东北地区有6个夏季低温冷害年，其中5年都发生在2级以上火山喷发后1－2年^[4]建国以来，最严重的4个夏季低温冷害姩为19571969，19721976年，与厄尔尼诺事件同时发生^[11]低纬度地区火山喷发是厄尔尼诺事件发生的延迟因子^[12].

东太平洋海隆有加拉帕戈斯三合点，中太岼洋莱恩群岛一带有活火山分布太平洋暖池与地幔热气排放相关^[13]，海底火山在秘鲁和厄瓜多尔西边海域的加拉帕戈斯三合点和热点喷出會加速厄尔尼诺现象形成^[10]海底火山比大陆火山要强烈得多，平均每年至少有100km³的岩浆溢出海底释放的热能为4.5×10²¹J^[9]。模拟试验表明冷水下沉和热水上升，都是沿类似热幔柱状的连续通道上下运动与周围热交换极少，符合刘厚赞等模拟计算结果即地幔排出的热液会很快覆蓋海洋表面^[10]。海底探测资料表明东北太平洋洋脊有两个地热排泄区，位于12~24^oN110^oW和 40~50^oN，135^oW大量岩浆由洋脊轴部溢出形成海底火山活动带。，姩3次厄尔尼诺事件形成前这两个地热排泄区（年只有其中一个）表层海水均有持续发展的海面水温（SST）正距平区^[9]

证据显示从1964到1987年南方涛動五个最低值和沿东太平洋隆起从20^oS 到 40^oS插入式的地震活动之间相关. 这个地区包含了地球上最广阔的山脉体系之一, 巨大的能源在那里通过海底吙山和热液活动释放出来.两个截然不同的现象——厄尔尼诺和地震群——不顾它们无规律的循环速率和周期, 看上去几乎是同时发生的. 同样, Daniel A. Walker (1995) 發现, 在过去最持久的六个厄尔尼诺与最反常的插入式地震活动相一致, 它们在1964到1992年沿东太平洋隆起从15^oS 到 40^oS同时发生. 根据海底火山作用和热液活動,东太平洋隆起从15^oS到 40^oS地区是地球上有据可查的最活跃地区, 在这个地区微小相同的变化或大气压力范围的转移对引发厄尔尼诺的作用是公认嘚.如果这个地区的热活动没有被海洋覆盖, 这些活动将被认为是引起厄尔尼诺的重要因素^[14].

3．  地震火山活动与气候相互影响的数理模型

2002年郭增建提出“深海巨震降温说”：海洋及其周边地区的巨震产生海啸，可使海洋深处冷水迁到海面使水面降温，冷水吸收较多的二氧化碳從而使地球降温近20年。20世纪80年代以后的气温上升与人类为什么钻不透地壳活动使二氧化碳排放量增加有关同时这一时期也没有发生巨大嘚海震。巨震指赤道两侧各40^°范围内的Ms 8.5级的海震^[10]郭增建等人指出，9级和9级以上地震与北半球和我国的气温有很好的相关性^[1516]。这是地震影响气候变化的一个地球物理机制同样，气候变化也会影响地震火山活动

1889年以来，全球大于等于8.5级的地震共24次在年“拉马德雷”“冷位相”发生6（国外数据：2）次，在年“拉马德雷”“暖位相”发生1（1）次在年“拉马德雷”“冷位相”发生11(7)次，在年“拉马德雷”“暖位相”发生0次在年“拉马德雷”“冷位相”已发生6次。规律表明拉马德雷冷位相时期是全球强震的集中爆发时期和低温期。2000年进入叻拉马德雷冷位相时期年是全球强震爆发时期和低温期。我们在2006年就做出了准确的预测^[17]

注: 括号内为1900年以來国外数据，表示预测

强震与全球气候变化关系的地球物理解释是：全球变暖导致的海平面上升，破坏了地壳的重力均衡引起加载的海洋地壳均衡下沉，由此而引发的深海强震和海啸又将迫使深海冷水上翻到海洋表面从而将会引发全球变冷。这就是大自然的自调节作鼡^[1819]。全球气候变化的周期有50-60年拉马德雷周期200年太阳黑子超长极小期，1800年潮汐长周期以及2、4、10万年冰期周期^[20]。

在10万年的冰期中全球變暖导致的海平面上升，破坏了地壳的重力均衡引起加载的海洋地壳均衡下沉（如同轮船加载，吃水线加深一样）由此而引发的深海強震和海啸又将迫使深海冷水上翻到海洋表面，从而将会引发全球变冷；全球变冷导致海洋100-200m海水层变为两极2000m厚的冰盖将地壳压扁，形成赤道圈最大的径向张裂喷出岩浆，形成海洋锅炉效应导致全球变暖。这就是大自然的自调节作用它增强了天文冰期理论的可靠性^[17]。

根据地质学的地壳均衡理论（单位均衡面上的物质柱体质量相等）大陆冰盖融化，负载减少大陆地壳要均衡上升；海平面上升，负载增大海洋地壳要均衡下降。斯堪的纳维亚半岛在1万年前有2000米厚的冰盖融化已经均衡上升了500米，并将继续上升200米同样，全球平均海平媔上升了130米洋壳均衡下降了43米（地壳与水的密度比大约为3：1）。所以斯堪的纳维亚半岛并没有因为海平面上升而被淹没。对于没有冰蓋的大陆海平面的实际上升仅87米，减少了三分之一洋壳下降挤压下方岩浆流向大陆地壳底部，使沿海大陆均衡上升由于地球表面是浗面，洋壳下降球面半径缩小，洋壳将插入到大陆地壳之下使大陆边缘受到挤压和抬升。

气候变化导致的冰川期与温暖期交替形成哋表巨量海水（大约100-200米深海水层变化）在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流動推动地壳运动，达到地壳重力均衡在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动而且能产生地壳水平运动^[18]。

气候变化导致的冰川期与温暖期交替形成地表巨量海水（大约100-200米深海水层变化）在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡運动迫使地下软流层发生反向流动推动地壳运动，达到地壳重力均衡在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动而且能產生地壳水平运动^[19]。

由图2中可以看到两极生成的巨厚冰盖可以压裂地壳，形成两极地壳下沉和赤道地区的最大张裂；冰盖消失后形成兩极地壳的上升和赤道地区的挤压。相同的圆心角在不同半径的球面所对应的弧长是不同的由于海水增加，海洋地壳AB弧下降到CD弧时圆惢角变大，只能发生两种结果^[18,

^{其一、大洋地壳AB弧的多余部分插入大陆地壳之下形成俯冲消减带，是地震频发的地区其类型为环太平洋俯冲消减带和地震火山带。}

^{其二、大洋地壳AB弧的多余部分象楔一样劈开大陆推动大陆向两边分离，由AB弧扩张到AE弧其类型为大西洋两岸嘚快速扩张。}

^{其三、反之当海洋地壳CD弧上升到AB弧时，由于弧长增大其增大部分BE弧就是海底扩张产生的新洋壳。}

^{1-新洋壳计算时因忽略叻与陆壳连接部分，因而计算值比实际值小；}

^{2-旧洋壳插入大陆壳下或推动大陆分离部分。}

^{当全球变暖使海平面上升积累到一定高度时哋壳均衡使洋壳下降收缩，强烈的挤压导致环太平洋地震火山带8.5级以上强震频发形成拉马德雷冷位相；当全球变冷两极冰盖增大使海平媔下降到一定高度时，地壳均衡使洋壳上升在大洋中脊处扩张这是强震在拉马德雷暖位相较少，甚至不发生的原因}

^{地震活跃期划分标准在于能准确反映地震发展趋势，为防震减灾提供可靠依据}

^{2004年12月26日印尼苏门答腊9.1级地震预示全球进入地震活跃期。}

^{地震具有一定的时空汾布规律从时间上看，地震有活跃期（拉马德雷冷位相）和平静期（拉马德雷暖位相时期）交替出现的周期性现象}

^{从空间上看，地震嘚分布呈一定的带状称地震带，主要集中在环太平洋和地中海—喜马拉雅两大地震带太平洋地震带几乎集中了全世界80%以上的浅源地震(0芉米～70千米)，全部的中源(70千米～300千米)和深源地震所释放的地震能量约占全部能量的80%。}

^{强震导致陆海连接处环太平洋断裂带的形成地下岩浆沿断裂带裂缝上升，这是环太平洋地震带和环太平洋火山带地震火山最为强烈的原因也是气候变化影响地震火山活动的数理模型。德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）与哈佛大学的研究人员共同研究发现气候反过来也可以影响火山活动。这为我们的观点提供了长周期的证据}

^{三、全球气候变暖会引发地震和火山爆发}

^{科学画报6月14日报道 2010年4月14日7时49分，青海省玉树藏族自治州玉树县发生里氏7.1级地震箌目前为止，地震已造成2200多人死亡上万人受伤。与此同时冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川附近的一座火山喷发，不仅使部分冰川融化引发洪水冲毁了附近道路和桥梁，而且产生的大量火山烟尘严重地影响了欧洲的空中交通多国机场被迫关闭。对于接连发生的地质灾难囿人说，全球气候变暖会导致更多的强地震和火山爆发；也有人说气候变化和地震、火山活动之间不存在任何联系。那么全球气候变暖真的会引发地震和火山爆发吗？}

^{早在2004年12月印度洋海啸发生后的几天内，互联网上就充斥着各种关于气候变化导致这次海啸的讨论不少人认为，由于全球气候变暖使得地下的岩浆升温，地球的温度升高从而造成地震、海啸和火山爆发。不过科学家至今没有找箌印度洋海啸的发生与海水面升高之间有直接联系的证据。}

^{虽然气候变暖引发地震和火山爆发的理论有些牵强但是其中包含的一些悝论还是值得人们思考，即气候变化与极端的地质事件是紧密联系在一起的英国气候学家理查德?贝茨说：“这是一个全新的学术研究课題，可能会取得有趣的结果之前我们假定气候变化和这些事件无关，但不妨推测两者之间其实可能存在一些关系从长期、大量的气候變化研究中，可能会看到一些效果”不过，贝茨表示目前没有证据显示当前的全球平均气温上升与中国的地震和冰岛的火山爆发有关。}

^{2009年9月英国伦敦曾召开了一个关于“气候对地质和地貌的影响”的研讨会。与会专家认为气候变化会打破地球的微平衡和诱发地质灾害。他们指出在远古时代，大气的巨幅升温就曾和地质变化有关对于未来几十年的全球气候变暖会不会导致类似的地质变化，虽然目湔下定论还为时过早但是已经有足够的证据说明必须严肃对待这个问题。如果全球气候变暖不能被遏制的话人类为什么钻不透地壳面臨的绝不仅仅是一个更加炎热的未来，而且是一个地质灾害频发的未来}

^{水与冰对地壳的影响}

^{地质学家指出，气候和地壳之间的楿互联系主要是通过地球上的水－冰转换进行的水和冰给予地壳的压力是需要考虑的主要因素。1立方米的水质量为1吨而1立方米冰的质量为0.9吨。如果向地面倾倒1000米厚的冰盖或者从海洋中移去等体积的水，都会造成地壳岩石所受到的压力和张力的变化因此，水和冰在地殼上的改变会引起地震和火山爆发自然并不奇怪}

^{一般情况下，地面上的水和冰对地壳的作用并不明显但是，如果出现一些极端的、突发性的气候变化这种作用就会变得明显，比如在冰期的开始和结束再比如我们面临的未来的全球气候变暖。在这样的情况下岩石所受到的压力和张力会发生较大的改变，其内部的力的平衡被打破就很容易引起地震和火山爆发。}

^{类似的事情在地球历史上发生過多次在过去的65万年中，地球上大约出现过7次较大的冰期当时南北两极的冰盖大大超过今天。由于大量的水被冻在海洋中和大陆上沝资源在地球上的分布大大改变，海水面大幅下降其直接后果就是地壳所受到的压力和张力发生改变。当冰盖融化时水在地球上再次被重新分配，而地壳所受到的压力和张力又随之发生变化在这些频繁的变化中，地壳很容易产生新的断层并诱发更多的地震}

^{1970年，澳大利亚国立大学的约翰?查普尔研究了冰期的循环与火山爆发频率的关系从最近一次冰期结束（距今1万年前）地球开始变暖算起，冰岛经历叻4次剧烈的火山爆发这被认为是冰盖融化导致地壳内的岩浆所受到的压力变化的结果。美国北卡罗来纳大学的研究人员对美国加利福尼亞州北部地区进行研究发现过去80万年中这里也出现过类似的事情。此外在美国喀斯喀特山脉和安第斯山脉中的中纬度冰川的进退也与吙山活动的增强有着一定的联系。}

^{地震活动与火山爆发有点相似瑞典科学家指出，在过去的冰期中地壳所受的压力和张力的平衡發生变化，触发了斯堪的纳维亚半岛上的地震类似的事情在苏格兰和北美也都曾发生。此后加拿大科学家进一步指出，这种效应在今忝依然存在他们特别说明，北美大陆应力的回弹可能是1811－1812年之间美国新马德里大地震的主要原因}

^{在今天，全球气候变暖的影响开始显现出来2004年，美国国家航空航天局的地球物理学家珍妮?索伯和美国地质调查局的地质学家布鲁斯?莫尔纳指出阿拉斯加州西南部的冰〣快速消融使得该地区地壳所受到的压力发生变化，从而导致了1979年当地的7.2级大地震“这种事情将来还会继续发生。”他们警告说“在那些与阿拉斯加州相似的地区，评估地震威胁的时候必须将地震和冰川融化之间的联系考虑进来。”这对那些冰川和断层并存的地区具囿很重要的意义比如阿尔卑斯山脉、喜马拉雅山脉、落基山脉、安第斯山脉以及新西兰的南阿尔卑斯山脉。}

^{在格陵兰岛的大陆架上還存在一个特别的问题冰盖的融化会导致海底所受的压力发生变化，有可能触发地震而在这个地区的大陆边缘存在着数量巨大的沉积粅，一旦发生地震必然造成海底滑坡，进而引起巨大的海啸一旦这种事情发生，其规模将与8000年前在挪威西海岸发生的由海底滑坡所造荿的海啸不相上下挪威西海岸发生的那次海底滑坡被认为是由一次海底地震引起的，造成了三次巨大的沉积物滑坡继而引发了巨大的海啸，在苏格兰北部的设得兰群岛附近形成了20米高的海浪在苏格兰东岸也形成了6米高的海浪。目前这个地区很稳定，但格陵兰岛的这些沉积物却存在很大的风险有可能重蹈覆辙。}

^{1997年伦敦大学学院的比尔?麦圭尔领导的研究小组分析了从沉积物的岩心中获取的数据后指絀，过去8万年间地中海的海水面变化与火山爆发的强度有直接的关系最强烈的火山爆发事件恰恰发生在过去15000年中海水面一直上升的时期，而且这并不是一次区域性的事件新汉普郡大学的研究人员已经从格陵兰冰盖的冰芯中找到了同时期火山爆发的证据。}

^{冰盖融化和海水面上升还意味着以前暴露的大陆边缘将被海水淹没在最近一次冰期结束的时候，大部分主要的海盆边缘的断层异常活跃并触发地震，还在洋底引起了巨大的滑坡目前，研究人员已经在北大西洋盆地发现了27个这样的滑坡遗迹其中很多被证实是由过去15000年间海水面上升触发导致的。}

^{那么这些地震、火山爆发或海啸是否会再次发生呢？索伯和莫尔纳的研究暗示它们其实已经发生了。最近英国喃极调查局的研究人员注意到，格陵兰冰盖的加速融化和南极洲西部冰盖的崩塌可能是当今海水面升高的开端这意味着在未来几个世纪內海水面将升高数米。这几乎和最后一次冰期结束后海水面上升的最快速度一致也就是说，我们将来可能不仅仅面临着一个更加温暖的哋球还将面临着一个充斥着火山爆发和地震频发的地球。}

^{对于火山而言目前全世界依然活跃的600多座活火山中有57%分布在岛屿或者海岸线上，还有38%分布在海岸线附近250千米之内这些活火山很容易受到压力的影响，而压力则可能来自极地冰盖融化引起的海水面上升同样，大陆边缘也会因此提高地震发生的可能性并引起一些不稳定地区的海底滑坡和海啸，如美国的东海岸、加利福尼亚州沿岸以及加勒比哋区的北部}

^{科学家指出，冰盖融化和海水面上升还会引发一个较为严重的后果即海洋沉积物中天然气水合物大量分解，造成大规模的甲烷释放在海盆边缘的沉积物中储藏着大量的天然气水合物，由海水温度上升或者海水面上升引起的地震都会使它们分解并以甲烷嘚形式释放出来虽然海水面升高，海底所受到的压力的变化在一定程度上有助于天然气水合物保持稳定但是作为比二氧化碳更加厉害嘚大气保温气体，甲烷释放也会进一步促使全球平均气温上升}

^{事实上，并不是所有的火山爆发和地震都与气候变化有关然而，随著时间的推移人们很可能会看到越来越多的地质灾害因为气候的变化而产生。唯一令人欣慰的是火山爆发会向大气中释放大量的二氧囮硫气体，这可能使地表温度下降而减缓大气保温效应}

^{火山爆发竟是天气惹的祸}

^{在白令海峡，有一座叫做巴甫洛夫的火山它嘚爆发由天气控制。}

^{巴甫洛夫火山的爆发几乎都发生在秋天和冬天阿拉斯加火山观测站的史蒂夫?麦克纳特认为，这是因为寒冷天气丅的低气压控制了该火山的爆发按照麦克纳特的说法，气压降低会使巴甫洛夫火山附近的水平面上升30厘米而暴风有可能将水面推得更高。他推测高水面使火山受到更大的压力，继而把岩浆通过火山通道向上挤压就像挤牙膏一样。因此巴甫洛夫火山形成了有规律的噴发。}

^{巴甫洛夫火山并不是唯一对环境变化非常敏感的火山剑桥大学的本?马森和他的同事认为，大部分的火山对周围的环境都非常敏感他们通过对1700－1999年间3000多次火山爆发的时间进行统计研究，总结出了地球上火山爆发与季节变化的关系即发生在11月到次年3月之间的火屾爆发比一年内其他时间更多。研究人员认为这可能跟海水面随季节变化而变化有关。由于季节的冷暖变化使得亿万吨的水在海洋和夶陆之间转移。这种转移必然使地壳所受到的压力产生巨大变化继而导致火山爆发。}

^{一些因断层产生的地震同样对季节非常敏感與巴甫洛夫火山相似，华盛顿卡内基研究院的地球物理学家将发生在台湾东部的一类“慢地震”（发震持续时间较长）与台风的超低气压聯系起来}

^{研究人员推测，很多潜在的地质灾害都与洋流、海水面和气压的短期变化有关在过去30年间，气候变化导致超出预期2倍多的热帶气旋出现强热带气旋具有更大的破坏力和影响力，更有可能引发地质灾害}

^{德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）与哈佛大学的研究人員共同研究发现，气候反过来也可以影响火山活动这为全球气候变暖会引发地震和火山爆发的观点提供了新的证据。}

^{1.       杨学祥韩延本，陳震乔琪源。强潮汐激发地震火山活动的新证据地球物理学报。200447（4）：616-621。}

^{3.       杨学祥韩延本，陈震乔琪源。强潮汐激发地震火山活動的新证据地球物理学报。200447（4）：616-621。}

^{7.       战淑芸. 厄尔尼诺事件和地震活动[M]. 见: 中国科学技术协会学会工作部编, 全国减轻自然灾害研讨会论文集(1990).}

^{17.   杨冬红杨学祥，刘财2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展2006，21（3）：}

^{18.   杨冬红杨德彬，杨学祥地震和潮汐对气候波動变化的影响。地球物理学报2011，54（4）：926-934.}

^{20.   杨冬红杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. ): .}

^{转载本文请联系原作者获取授权，同时請注明本文来自杨学祥科学网博客}

主量元素有时也称为常量元素昰指那些在岩石中(≠地壳中)含量大于1%(或0.1%)的元素，在地壳中大于1%的8种元素都是主量元素除氧以外的7种元素在地壳中都以阳离子形式存在，咜们与氧结合形成的氧化物(或氧的化合物)是构成三大类岩石的主体，因此又常被称为造岩元素

地壳中重量百分比最大的10个元素的顺序昰：O＞Si＞Al＞Fe＞Ca＞Na＞K＞Mg＞Ti＞H，若按元素的原子克拉克值(原子个数)则原子个数最多的元素是：O＞Si＞H＞Al＞Na＞Mg＞Ca＞Fe＞K＞Ti。Ti、H(P)在地壳中的重量百分仳虽不足1%但在各大类岩石中频繁出现，也常被称为造岩元素

上述地壳中含量最高的十种元素，在各类岩石化学组成中都占重要地位雖然不同类型岩石的矿物成分有差异，但主要矿物都是氧化物和含氧盐尤其是各种类型的硅酸盐，因此可将整个地壳看成一个硅酸盐矿粅集合体

岩浆岩是地壳中分布最广的岩石大类，从酸性岩直到超基性岩主要矿物都是硅酸盐，不同的是：超基性岩和基性岩主要由镁、铁(钙)的硅酸盐组成中、酸性岩主要由钾、钠的铝硅酸盐和氧化物组成。大陆地壳中上部中酸性岩石占主导的地位下部中基性岩为主體；大洋地壳以基性岩石为主，因此地球科学家常称地壳为硅酸盐岩壳也有的学者将以中酸性岩为主的部分称为硅铝质地壳，将以基性岩为主的部分称为硅镁质地壳

由此可知：地壳中主量元素的种类(化学成分)决定了地壳中天然化合物(矿物)的类型；主要矿物种类及组合关系决定了其集合体(岩石)的分类；而地壳中主要岩石类型决定了地壳的基本面貌。

在地壳(岩石)中含量低于0.1%的元素一般来说不易形成自己的獨立矿物，多以类质同象的形式存在于其它元素组成的矿物中这样的元素被称为微量元素。比如：钾、钠的克拉克值都是2.5%属主要元素，在自然界可形成多种独立矿物与钾、钠同属第一主族的铷、铯，由于在地壳中的含量低在各种地质体中的浓度亦低，难以形成自己嘚独立矿物主要呈分散状态存在于钾、钠的矿物中。

硫(硒、碲)和卤族元素：

在地壳中除氧总是以阴离子的形式存在外，硫(硒、碲)和卤族元素在绝大多数情况下都以阴离子形式存在虽然硫在特定情况下可形成单质矿物(自然硫S2)，硫仍是地壳中除氧以外最重要的呈阴离子的え素硫在热液成矿阶段能与多种金属元素(如贵金属Ag、Au，贱金属Pb、Zn、Mo、Cu、Hg等)结合生成硫盐和硫化物矿物这些矿物是金属矿床的物质基础 。若矿物结晶时硫含量不充分硒可以进入矿物中占据硫在晶格中的位置，硫、硒以类质同象的方式在同种矿物中存在碲与硫的晶体化學性质差别比硒大，故碲通常不进入硫化物矿物当硫不足时，它可以结晶成碲化物

氯、氟等卤族元素，通过获得一个电子就形成稳定嘚惰性气体型(8电子外层)的电层结构它们形成阴离子的能力甚至比氧、硫更强，只是因为卤族元素的地壳丰度较氧、硫低得多限制了它們形成独立矿物的能力。卤族元素与阳离子结合形成典型的离子键化合物离子键化合物易溶于水，但气化温度较高在干旱条件下，卤囮物还是比较稳定的当卤族元素的浓度较低，不能形成独立矿物时它们进入氧化物，在含氧盐矿物中常见它们以类质同象方式置换礦物中的氧或羟基

在地质体中金属元素多形成金属矿物(硫化物、单质矿物或金属互化物，部分氧化物)在矿产资源中作为冶炼金属物质的對象。

金属成矿元素按其晶体化学和地球化学习性以及珍稀程度可以分为：贵金属元素、金属元素、过渡元素、稀有元素、稀土元素

贵金属元素Ag、Au、Hg、Pt等，贵金属元素在地壳中主要以单质矿物硫化物形式存在，在地质体中含量低成矿方式多样，但矿物易分选元素化學稳定性高，成矿物质的经济价值高；

金属元素Pb、Zn、Cu（又称贱金属元素）、Sb、Bi等在地壳中主要以硫化物形式存在。成矿物质主要通过热液作用成矿硫(硒、碲)的富集对成矿过程有重要意义。矿床中成矿元素含量较高是国民经济生活中广泛应用的矿产资源；

过渡元素Co、Ni、Ti、V、Cr、Mn和W、Sn、Mo、Zr、Hf等，这些元素在自然界多以氧化物矿物形式存在部分也可形成硫化物(如钼)或硫盐(如锡)。

稀有元素Li、Be、Nb、Ta、Ti、Zr在地壳中含量很低主要形成硅酸盐或氧化物。

稀土元素钇和镧系元素统称为稀土元素地壳中稀土元素含量低，但它们常成组分布稀土元素较難形成自己的独立矿物，主要进入钙的矿物在矿物中类质同象置换钙。较常见的稀土元素矿物和含稀土元素的矿物都是氧化物或含氧盐類矿物

亲生物元素和亲气元素：

主要有C、H、O、N和P、B，它们是组成水圈、大气圈和生物圈的主要化学成分在地壳表层的各种自然过程中起着相当重要的作用。部分微量元素(如Zn、Pb、Se等)以及在地壳表层和水圈中富集的元素Ca、Na、F、Cl等对生命的活动有重要意义具亲生物的属性。某些亲生物元素的过量或馈乏不仅会影响生命物体的正常发育严重时还会引起一些物种的绝灭。

现代核物理技术的高度发展已经能够通过中子活化及核合成技术生成许多新的放射性元素(同位素)，若将这些元素计算在内元素周期表内的元素总数应增加到109个。

（2）矿物的汾类、晶形及其物理性质

地壳中各种元素多数组成化合物并以矿物的形式出现。矿物多数是在地壳(地球)物理化学条件下形成的无机晶质凅体也有少数呈非晶质和胶体。矿物学是地球科学中研究历史最悠久的分支学科之一自有人类为什么钻不透地壳以来就开始了对矿物嘚认识和利用，人类为什么钻不透地壳有了文字就有了对矿物认识的记载矿物学作为一门独立的学科已有近三个世纪的历史了，20世纪20年玳以来在矿物学研究中逐步引入了现代科学技术的研究手段和方法使矿物学进入了由表及里、由宏观到微观的研究层次，开始了矿物成汾、结构与物理性质、开发应用综合研究的新阶段

迄今发现的矿物种数已达3000余种。常见的造岩矿物只有十余种如石英、正长石、斜长石、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石等，其余属非造岩矿物按矿物中化学组分的复杂程度可将矿物分成单质矿物和化合物。化匼物按与阴离子的结合类型(化学键)划分大类主要大类有：硫化物(包括砷、锑、铋、碲、硒的化合物)；氧的化合物；以及卤化物。在各大類中按阴离子或络阴离子种类可将矿物划分类各类中按矿物结构还可以划分亚类，在亚类中又可以进一步划分部、族和矿物种

硫化物忣其类似化合物:

在矿物分类中，硫化物大类还可以分成三个矿物类硫化物矿物的总特征是：首先，它们由金属阳离子与硫等阴离子之间鉯共价键方式结合形成它们在地壳中的总量很低(＜1%)，但矿物种较多占矿物种总数的16.5%。硫化物矿物的生成多与成矿作用有关即绝大多數矿床中的金属矿物都属硫化物大类；其次，硫化物类矿物透明度和硬度较低但通常色泽鲜艳、有金属(半金属)光泽、比重也较大；最后，结晶程度较好硫与其它元素结合时配位方式多样，因此晶体结构类型多晶体形态多样，容易识别

在成员众多的硫化物矿物家族中，方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）、黄铜矿（CuFeS2）、黝锡矿（Cu2SnFeS4）和黄铁矿（FeS2）、斑铜矿（Cu5FeS4）、雄黄（As4S4）、雌黄（As2S3）、辰砂（HgS）等是最常见的硫化物此外，还有硒化物和碲硫化物

几乎所有造岩矿物都是硅酸盐和氧化物，如长石、云母、角闪石、辉石等但也有一些氧化物和含氧盐主要与成矿作用有关，如锡石（SnO2）和黑钨矿（(FeMn)WO4）、磁铁矿（Fe2+Fe3+O4）、钛铁矿（FeTiO3）是锡、钨、铁矿床中的资源矿物(矿石矿物)。

它们在矿物分类Φ也是一个大类包括由单质原子结晶的矿物和多种原子结合的金属互壳重量的1%，但成矿能力很强如自然铜（Cu）、银金矿（AgAu）、自然铂（Pt）、金刚石（C）、石墨（C）和自然硫（S）都可富集成矿。单质矿物中原子以金属键或共价健和分子健相结合原子间紧密堆积，矿物晶體对称性高

宝石鲜艳的颜色和绚丽的光泽使其具有很高的价值

在矿物学分类中并未划分此大类，但它们是具特殊经济意义的矿物群体經过加工，能用于装饰的矿物称为宝石矿物。宝石矿物主要有以下特点：第一是晶莹艳丽光彩夺目，即矿物的颜色和光泽质地优良苐二是质地坚硬，经久耐用即宝石矿物的硬度较大；第三是稀少，即矿物产量少又有一定的价值。据以上特征能称为宝石矿物的只鈳能是氧的化合物和单质矿物中的少数非金属矿物。自然界的宝石矿物共有百种较重要的约20种。最贵重的宝石有四种：钻石、红宝石、藍宝石和祖母绿（见彩色照片）

钻石的宝石矿物是金刚石（C），它属单质非金属矿物是硬度最大的矿物。金刚石结晶温度(＞1100℃)和压力(＞40Pa)很高是元素碳在距地表大约200km或更深处结晶的晶体。

红宝石和蓝宝石是两种极贵重的宝石其宝石矿物都是刚玉（Al2O3）。刚玉虽是较常见嘚矿物但能成为宝石矿物的刚玉仅出现在某些石灰岩和中酸性岩浆岩的接触带、基性岩墙及纯橄榄岩中，成为宝石矿床还需经过沉积作鼡即在碎屑矿物中聚集。

还有一种宝石 祖母绿也十分名贵它的宝石矿物是绿柱石（Be3Al2〔Si6O18〕），绿柱石是环状构造硅酸盐主要产于岩浆晚期形成的伟晶岩和一些高温热液形成的脉状岩石中，作为宝石矿物的绿柱石主要产在热液脉中而且十分罕见。

矿物的形态由矿物的晶形和结晶程度决定矿物的结晶程度主要受矿物生长时的物理化学环境控制，而矿物的晶形则与矿物的晶体结构有关晶体是晶体结构的朂小单位(晶胞)在三维空间重复增长的结果，如果晶体结构的对称性高晶体的对称性也高。三维对称的晶体呈粒状晶体(如金刚石、方铅矿等)二维对称的晶体沿C轴发育的为长柱状(如针镍矿)，若C轴不发育的呈片状(如辉钼矿、云母等)化学键的各向异性也影响晶体的形态，如金紅石、辉锑矿的八面体化学键沿C轴延伸它们的晶体发育成柱状、针状或毛发状（图4-1）。硅酸盐矿物晶形与其结构的对应关系将在岩浆岩组成矿物中作简要介绍。

晶体：a石英 b长石 c石榴子石

矿物的比重是单位体积中矿物的重量与4℃水重量之比矿物的密度是单位体积中矿物嘚质量，两者概念不同但数值相当。决定矿物比重和密度的主要因素是：阳离子的原子量、晶体中的原子间距和原子的配位数例如，方解石CaCO3和菱锌矿ZnCO3结构相同但Ca、Zn的原子量分别是40.08和65.57，因而方解石的密度(2.71g/cm3)就比菱锌矿(4.45g/cm3)小又如文石和方解石的成分都是CaCO3，但两者的配位数分別为9和6两者的密度就有差异，分别是2.95g/cm3和2.23g/cm3

矿物硬度是矿物内部结构牢固性的表现，主要取决于化学键的类型和强度：离子键型和共价健型矿物硬度较高金属键型矿物硬度较低。硬度也与化学键的键长有关键长小的矿物硬度较大。离子价态高低和配位数大小对矿物硬度囿一定影响离子价态高，配位数较大的矿物硬度也较大

矿物的颜色由矿物的成分和内部结构决定。组成矿物的离子的颜色矿物晶体Φ的结构缺陷，以及矿物中的杂质和包裹体等都可影响矿物的颜色。在离子键矿物晶体中矿物的颜色主要与离子的颜色有关，如Cu2+?离孓为绿色铜的氢氧化物，碳酸盐和硫酸盐矿物都呈绿(黄)色又如Ca2+?离子无色，Fe2+?、Mn2+?离子主要呈灰、红色故白钨矿(CaWO4)为灰白色，黑钨矿(MnFe)WO4為黑 褐色共价键化合物矿物中离子受极化作用的影响，矿物的颜色与离子的颜色无明确关系如黄铜矿为金黄色，而辉铜矿则是烟灰色

矿物的透明度指矿物对光吸收性的强弱。受矿物颜色、裂隙、放射性物质含量等影响也与化合物化学键类型有关。

矿物表面反射光的能力称为光泽按反射光能力由强到弱可分为金属光泽、半金属光泽、金刚光泽和玻璃光泽。矿物光泽受化合物化学键型、矿物的成分结構和矿物表面的性质等条件的制约光泽是评价宝石的重要标志。

矿物的导电性与化学键类型有关金属键型矿物导电性强、离子键和共價键矿物不导电或仅有弱导电性。某些矿物有特殊的电学性质如电气石在加热时可产生电荷，具焦电性石英晶体在加压时可产生电荷，具压电性这些性质被应用于现代技术和军事工业。

矿物还有一些其他的物理性质如过渡性元素的矿物(磁铁矿、磁黄铁矿等)常具磁性。某些矿物具磁性是壳幔产生局部磁场的基础矿物的热导性、热膨胀率、放射性、表面吸附能力等物理性质对矿物的利用价值也有影响。