夏威夷群島火山形成原因與其地質(zhì)地貌狀況綜述

1、題目(中) 夏威夷群島火山形成原因與其地質(zhì)地貌狀況綜述 (英) Reviews of the Formation of Hawaii Islands Volcanoes and Geological Landform Conditions姓名與學(xué)號 平帆 3120100152 指導(dǎo)教師 章鳳奇 年級與專業(yè) 2012級農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境 所在學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院 夏威夷群島火山形成原因與其地質(zhì)地貌狀況綜述平帆（浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州）摘要：本文根據(jù)現(xiàn)有資料，對夏威夷群島即火山島成因的諸多假設(shè)進(jìn)行探討，簡述夏威夷主要火山島上的地質(zhì)地貌狀況，并對現(xiàn)今Kilauea夏威夷型噴發(fā)和海底火山滑坡等火山

2、構(gòu)造帶來的自然災(zāi)害性地質(zhì)活動(dòng)進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞:夏威夷群島；火山；地質(zhì)地貌；地幔柱。Reviews of the Formation of Hawaii Islands Volcanoes and Geological Landform ConditionsPING Fan(Zhejiang University, College of Environmental and Resource Sciences, Hangzhou)Abstract: According to the data, several hypotheses about the formation of the Hawaii

3、an Islands volcanic chain will be mentioned. This paper briefly describes main volcanic geology conditions on the island. Then it explores geological disaster happening on the Hawaii and Kilauea in Hawaii, whose eruption and submarine volcano landslide cause grave consequences on the local and the w

4、orld.Key words: Hawaii Islands; Volcano; Geologic Feature; Mantle Plume1 引言夏威夷群島地處于太平洋中部，是由由自北西至南東延伸2400千米的19座較大島嶼和其他小島組成的群島。其本身是北太平洋中長約6000千米海底火山鏈的一部分。1此火山鏈東起夏威夷島，北至勘察加的明治海山東側(cè)，熔巖總體積在100萬立方千米左右。東段夏威夷海嶺呈北西走向，西段則在中途島轉(zhuǎn)折后呈南北走向。2夏威夷群島中面積較大的有夏威夷島（Hawaii）、考愛島（Kauai）、毛伊島（Maui）等，其中夏威夷島最大。夏威夷島上擁有世界上最活躍的火

5、山之一基拉韋厄火山（Kilauea），至今仍處于第二階段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2 火山形成原因與假設(shè)2.1 地幔柱假說太平洋板塊上的夏威夷群島的年齡由西北方向東南方向遞減。西部最北端年齡為7500-8000萬年；轉(zhuǎn)折處的中途島則降至4310萬年，到了西段的Niihau島，其年齡只有600萬年，到最東端夏威夷島的火山目前仍在噴發(fā)。如果單單是用經(jīng)典的板塊構(gòu)造理論是無法解釋的，原因是該理論只能解釋板塊交接處的作用，而不能解釋太平洋板塊內(nèi)部巖漿活動(dòng)。1963年，Wilson提出了熱點(diǎn)假說來試圖解釋夏威夷-天皇海山島鏈的形成原因3，即運(yùn)動(dòng)的太平洋漂過固定的熱點(diǎn)后形成連續(xù)的、階梯狀的火山。隨后，Morgan發(fā)展了熱點(diǎn)

6、學(xué)說，并提出了地幔柱假說。（圖1：地幔柱假說解釋夏威夷火山島鏈形成過程）地質(zhì)熱力作用是盆地發(fā)育演化和改造的主要因素，隨著研究深入，大陸垂向熱力作用及其熱力構(gòu)造陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，其中地幔熱柱型是熱力構(gòu)造中非常重要的類型4。Morgan認(rèn)為，熱點(diǎn)是下地幔圓柱狀地幔柱在地表的表現(xiàn)，這個(gè)熱點(diǎn)在8000萬年中一直處于活動(dòng)之中。熱點(diǎn)涌出地幔柱，熔融了軟流層上部的巖石圈，形成了一個(gè)窗口，巖漿由此噴出冷卻、堆積，最終形成了火山島。5隨后太平洋板塊移動(dòng)，但是熱點(diǎn)固定不動(dòng)，窗口與地幔柱脫離后便重新閉合，這樣一來其上的火山也無巖漿噴出而熄滅，而新移動(dòng)到熱點(diǎn)上方的太平洋板塊又被熔融，形成新的火山島。最終這些火山島組合起來，

7、就形成了現(xiàn)在的夏威夷群島。這也就解釋了為何夏威夷-天皇海山島鏈的火山年齡呈階梯型分布。熱點(diǎn)-地幔柱假說不僅很好的解釋了夏威夷島鏈火山的成因，同時(shí)也使島鏈印證了太平洋板塊的運(yùn)動(dòng)軌跡，說明板塊是向著北方移動(dòng)的。2.2 熱巖區(qū)假說對于上述觀點(diǎn)，發(fā)表在Science上一篇論文提出了質(zhì)疑：相關(guān)證據(jù)表明，夏威夷島鏈的海床下方存在一個(gè)巨大的熱巖區(qū)，夏威夷火山的熱源正是來源于該熱巖區(qū)而非地幔柱6。地質(zhì)學(xué)家表示，經(jīng)過對20年地震數(shù)據(jù)的分析，他們在夏威夷地區(qū)正下方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)800英里寬的熱巖區(qū)。麻省理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)家R.D. van der Hils表示，雖然最新的地質(zhì)發(fā)現(xiàn)，并不能排除夏威夷島鏈其他一些火山下方有地

8、幔柱，但可以確定的是地幔柱的主要源頭并不是在夏威夷島鏈的正下方 6。地震X線斷層攝影術(shù)利用地震波穿行時(shí)發(fā)出的聲音和回聲探測地幔柱或者熱區(qū)，但夏威夷下方的地幔測繪難度極大，因?yàn)檫@一地區(qū)距離大型地震傳感器網(wǎng)路太遠(yuǎn)。相比之下，研究對于歷年來地震數(shù)據(jù)的分析反倒有更為驚人的結(jié)果。這些信號顯示，在地下大約410英里的巨大不規(guī)則區(qū)域：一個(gè)盤狀巖石區(qū)，溫度比周圍地區(qū)高出300至400攝氏度，距離大島西部370英里至1000英里之間。研究小組認(rèn)為這個(gè)地幔柱在上下地幔的交界處匯集，而后曲折地伸向群島下方的地殼，最后涌出巖漿供給夏威夷的諸多火山島。這種假設(shè)有待進(jìn)一步的證實(shí)。3 地質(zhì)地貌狀況與特征正是復(fù)雜的形成過程，

9、才使夏威夷島擁有如此復(fù)雜的地質(zhì)地貌狀況。3.1 火山地質(zhì)演化夏威夷群島上大多火山在巖漿演化上是有規(guī)律的。一般經(jīng)歷四個(gè)階段:（1）堿性盾前階段：這期間以下水堿性玄巖、碧玄巖噴發(fā)為主；（2）拉斑玄武巖巖盾階段：該階段以大規(guī)模拉斑玄武巖噴發(fā)為主，形成露出棉絮狀的火山盾地。之前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為夏威夷群島中Kauai島是單層盾形火山，但事實(shí)上，Kauai火山島結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的，夏威夷群島下地殼中巖墻多而復(fù)雜、成排的拉斑玄武巖火山通道從中部高原呈多方向放射狀分布。聲納資料顯示，Kauai島以北、以東、以南2萬多平方米的海底被幾千立方千米的來自該島的火山巖屑崩塌物所覆蓋。其他同位素探測資料也闡明Kauai島至

10、少由兩層盾形火山組成，不同層位的火山具有不同的巖漿供應(yīng)系統(tǒng)7。（3）堿性盾后階段：以堿性玄武巖和堿性粗安山巖噴發(fā)為主，噴發(fā)規(guī)模減小，火山運(yùn)動(dòng)減弱。（4）堿性復(fù)蘇階段：以小規(guī)模的火山管道噴溢為特征，主要樣式為霞石巖、霞石黃長巖、夏威夷巖等。這些火山以中心式噴發(fā)為主，平面上以偏圓形和圓形為主。從火山口平面俯視，中部塊狀構(gòu)造的熔巖狀巖漿巖較多，結(jié)晶度較好，而邊緣部分為流層狀構(gòu)造，玻璃質(zhì)碎屑結(jié)構(gòu)的巖石較多，粒度較細(xì)，古火山頸巖石地形抗風(fēng)化能力強(qiáng)。以Mauna Loa和Mauna Kea火山口為代表，其錐體周圍常見的有是有：玻質(zhì)輝橄熔巖流、拉斑玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖和凝灰?guī)r。礦石方面的組成則以高

11、溫斜長石、富鉀斜長石、透長石、高溫石英等硅氧化物為主。83.2 地貌與地形特征3.2.1 火山口地形特征夏威夷群島上的火山是現(xiàn)代活火山地形中發(fā)育最為典型的，該群島上有圓丘式高山，這是古火山噴發(fā)留下的痕跡，島上還有梯狀丘陵，期間還伴有中心式噴發(fā)火山和從裂縫中冒蒸汽。1群島上的火山島中以最東側(cè)的夏威夷島為最大，正在活動(dòng)的最高峰Mauna Kea位于島上的南部，它與北部暫?；顒?dòng)的Mauna Loa火山構(gòu)成夏威夷島的三角形狀。和該島南部的Mauna Loa海拔4171m，火山口直徑約為5km。這座火山從1859-1975年間異?；钴S，噴發(fā)周期為3.7年，大規(guī)模噴發(fā)4次。最大的一次是1857年，熔巖流動(dòng)

12、為17km。3.2.2 火山式海岸線夏威夷群島海岸按類型分為火山和珊瑚形成的兩大還按類型：火山式海岸和珊瑚式海岸。其中東部八大島全都是火山成的島嶼。由這些火山形成的海岸，由年代久遠(yuǎn)程度從新至老可分為：（1） 原火山裙式海岸，以夏威夷島最為典型；（2） 過渡式裙式和崩塌陡壁式海岸，它是一種混合類型，分布較為普遍；（3） 新構(gòu)造沉陷所形成的的崩塌陡壁式的海岸，它以Niihau島和Kahoolawe島最為典型。3.2.3 火山流水型海灣夏威夷群島按成因也可分為火山流水造成的海灣和珊瑚形成的海灣。下面主要簡述火山流水造成的海灣?？傮w分來可歸納成六中形式：火山口崩塌灣、火山島間夾灣、島間-河口灣、沙堤瀉

13、湖灣、山間-湖泊灣和火山島間連島灣（見圖2）8。（圖2）4 當(dāng)今災(zāi)害性地質(zhì)活動(dòng)與危機(jī)如今，夏威夷群島上的火山仍舊活躍，災(zāi)害性地質(zhì)地貌活動(dòng)也頻頻發(fā)生，且近幾年來程度逐漸加劇，對島上的原住民和旅客構(gòu)成了一定威脅。而且潛在大規(guī)模的火山運(yùn)動(dòng)甚至可能撼動(dòng)整個(gè)西太平洋。4.1 火山噴發(fā)夏威夷島上的Kilauea火山是唯一正在噴發(fā)的火山，最高點(diǎn)海拔1248米，火山體積194000立方千米。其噴發(fā)類型屬于溫和式夏威夷型噴發(fā)。當(dāng)?shù)叵耐膰一鹕焦珗@區(qū)域的公路和綠地經(jīng)常會(huì)被剛剛涌出的熔巖吞噬。其中巖漿轉(zhuǎn)變?yōu)榈睦K狀熔巖表面十分光滑，還有余溫。熔漿在黑色的熔巖殼下面繼續(xù)流動(dòng)，從火山口流出直至海岸線，大量熔巖入海后瞬間

14、被海水冷卻，由紅變黑，期間放出大量蒸汽。有時(shí)也會(huì)發(fā)生爆炸，1992年11月24日的爆炸發(fā)生在沉降槽中，開始階段低能量的爆炸從爆炸源向上向外噴發(fā)出灼熱的巖漿碎石約10米遠(yuǎn)。隨后更大的爆炸發(fā)生時(shí)，蒸汽噴泉和白灼巖漿從三角洲邊緣的許多不同源頭噴發(fā)，高度甚至達(dá)60米，同時(shí)伴隨有碎石雨降落到地面。從1983年1月至今，Kilauea火山已進(jìn)入能源噴發(fā)階段。其中新的火山口Puu Oo所噴涌出的巖漿可達(dá)460米。到目前為止，該P(yáng)uu Oo火山口噴發(fā)的巖漿覆蓋了35.5平方英里的土地，包括18英里的高速公路和私人道路，破壞了181個(gè)居民區(qū)，給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。于此同時(shí)，火山噴發(fā)出的巖漿也使夏威夷島的面

15、積增加了540英畝的新陸地，在該島東南部形成了全新的海岸線和黑色沙灘9。4.2 地震海嘯夏威夷群島上大多數(shù)Tsunamis波，發(fā)源于幾千公里之外的阿拉斯加、堪察加半島和南美洲的外海，之后海底斷層引發(fā)了地震顫動(dòng)引起的水波橫越深海，其移動(dòng)速度725km/s10。如此以來，便會(huì)引起災(zāi)難性的海嘯。在2006年的Kuril島海嘯中，邊緣波被ADCP檢測到沿著Oahu島南部海岸線傳播。隨著傳播時(shí)間延長，最大海平面高度出現(xiàn)在所有頻率的Tsunamis波疊加時(shí)刻11。而在另一個(gè)岸邊峽谷里，海水上升至17米高，這次淹沒了大部分的希洛和其他城市地區(qū)，死亡人數(shù)達(dá)150人。4.3 海底火山滑坡通過分析夏威夷島Kila

16、uea火山東南坡上20個(gè)GPS臺網(wǎng)的長期記錄，Cervelli與其研究小組發(fā)現(xiàn)，海底火山側(cè)翼的崩塌速度正在加快。2000年11月，GPS臺站檢測到火山東南側(cè)20千米長、10千米寬的巨大塊體以每天6厘米的速度滑向海洋。相比于每年幾毫米的板塊運(yùn)動(dòng)速度，這樣的崩塌速度簡直是天文數(shù)字12。這樣的崩塌雖然是短暫的，但如果Kilauea火山東南翼崩塌（可能性很小，但是也不能排除可能性），造成的后果將不堪設(shè)想。Cervelli對于該可能性做了計(jì)算機(jī)模擬。模型設(shè)定40千米長、20千米寬、2千米厚的塊體活動(dòng)了60千米。那該次崩塌預(yù)計(jì)導(dǎo)致的海嘯將有1.72×1019J的能量（相當(dāng)于4100兆噸TNT），

17、海嘯將波及280°的弧度范圍模型預(yù)示海嘯波將以30米的高度登陸北美西海岸，到達(dá)南美頂端是將衰減到10米13。在一定條件下，海底火山崩塌所引發(fā)的海嘯則足以撼動(dòng)整個(gè)環(huán)太平洋的國家。5 結(jié)束語綜上所述，夏威夷群島獨(dú)有典型火山運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)構(gòu)造和地貌特征，是研究當(dāng)下研究火山運(yùn)動(dòng)的最佳觀測地點(diǎn)之一。雖然其火山島鏈的形成原因和海底火山的崩塌狀況還不明晰，但筆者相信，在不久的將來，科學(xué)研究者將對此做出更加合理的解釋。我們也將對地球本身的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)有更為深入的了解。參考文獻(xiàn)1 萬延森, 劉昌榮. 夏威夷群島的地貌特征J. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 1991, 2: 006.2 劉鈺. 夏威夷-皇帝海山鏈成因研究進(jìn)展

18、J. 2006.3 Eck J, Chainey S, Cameron J, et al. Mapping crime: Understanding hotspotsJ. 2005.4 楊焱鈞, 周海, 吳濤, 等. 地幔柱的構(gòu)造特征及巖石學(xué)和地球化學(xué)特征研究J. 長江大學(xué)學(xué)報(bào) (自科版) 石油/農(nóng)學(xué)中旬刊, 2013 (9).5 Duncan R A, Richards M A. Hotspots, mantle plumes, flood basalts, and true polar wanderJ. Reviews of Geophysics, 1991, 29(1): 31-50.6 Cao Q, Van der Hilst R D, De Hoop M V, et al. Seismic imaging of transition zone discontinuities suggests hot mantle west of HawaiiJ. Science, 2011, 332(6033): 1068-1071.7 Holcomb R T, 龔建明. 出露于夏威夷考愛 (Kauai) 島上的雙層盾形火山J. 海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài), 1998, 2.8 萬延森, 劉昌榮. 夏威夷群島的地貌特征J. 海洋