美國黃石國家公園地下的超級火山的前世今生是怎樣的？

11-29

12年在一本書里看到關於老美黃石公園下有個超級火山，說是爆發了可能會導致世界末日，在網上查了些資料說的都不太詳細，懇請各位詳細介紹

瀉藥…這問題其實很大，因為黃石火山的形成牽扯到了太多的東西。不知道你想了解到什麼程度。這裡只能比較簡單地說一些基本內容和比較熱門的科研關注點，否則詳細的話寫本書都可以。
先看下黃石公園的地圖：

綠色是公園區域，黃色是現在的黃石超級火山口，東西寬45英里（約72千米），南北寬30英里（約55千米），面積有羅德島州那麼大（3個香港特別行政區）。它的東北方向是阿布薩羅卡火山（也在公園內），是另一個火山系統。實際上黃石公園下方的火山是蛇河-黃石熱點（Snake River Plain - Yellowstone hotspot）的一部分。就如下圖：

這一串有顏色的地方就是歷代的火山活動中心，數字代表多少百萬年前。每一個火山活動中心包括了一次或多次的大規模火山爆發。最早的一次是大約1600萬年前，位置是現在的俄勒岡州和內華達州的邊界附近。最近一次是在60萬年以前，它噴發後形成了黃石火山口（Yellowstone Caldera），也就是現在黃石國家公園的東主體。這一串火山活動中心掃過了上千公里的距離。然而並不是火山熱點在移動，而是其上方的北美大陸在移動（板塊漂移），原理就像打點計時器。

這個熱點是怎麼來的呢？確實有點奇怪，因為沒有一點點防備，它是在1600萬年前突然出現的，和它附近的哥倫比亞河玄武岩平原（Columbia River Basalt Plain）形成於同一時間。現在有很多種設想，其中比較主流的有兩個，而這兩個都和美國西海岸的板塊活動有關。

在太平洋東部、美國西海岸，有一個在外行眼裡不太起眼的版塊——胡安德富卡版塊（Juan de Fuca，下圖中粉色區域）。但是這個版塊造就了美國西部多樣的地形地貌，其中就包括黃石。

從圖上我們可以看出，胡安德富卡版塊是俯衝到北美版塊的下方的，這一點毋庸置疑。然而，它在漫長的地球歷史上，俯衝的姿勢究竟是怎樣的，一直都有一些爭議。
第一種設想比較簡單粗暴：

這種設想中，胡安德富卡版塊的俯衝角度比較大，直插地幔深處。俯衝到地幔深處的胡安德富卡版塊殘餘部分攪動深層地幔，導致部分地幔上升，形成了地幔熱柱（也有觀點認為地幔熱柱是地幔中大規模熱循環運動的結果，原本就在那兒，和版塊俯衝無關）。而地幔熱柱後來就發展成了熱點。

這種地幔熱柱來源於地幔深處的設想有個比較大的缺陷：與美國西海岸地震波監測得到的數據不符。地震波在不同溫度的地幔中，傳播速度不同，因此它可以被用來探測地幔中是否存在俯衝地殼的殘餘或熱柱。在溫度較高的地幔中，波的傳播速度較慢。然而在黃石底下，經測量，波速只在地幔的淺層較慢，而在地幔深處，波速並沒有比在常規地幔中慢。由此可見，地幔熱柱不應該是從地幔深處起源的。因此後來有了第二種設想：

這種設想中，胡安德富卡版塊的俯衝角度很小，幾乎是貼在了北美版塊的下方。胡安德富卡版塊長期泡在太平洋底下，岩石中含水，溫度也較低。它貼在了北美版塊的下方以後，逐漸和北美版塊岩石圈的下層形成了一種平衡關係，隔開了溫度較高的地幔。

但是在1600萬年前，由於不堪承受重力的拉扯，貼在北美版塊下方的胡安德富卡版塊發生斷裂，沉入地幔中。高溫的地幔在短時間內填補了胡安德富卡版塊曾經佔據的位置。劇烈的溫差導致了在地幔上層靠近岩石圈的地方（約130km深）發生了劇烈的局部熱循環。一個形成於地幔淺層的地幔熱柱就出現了。

不管怎樣，地幔熱柱出現在了北美大陸的下方，為熱點火山的形成提供了條件。那麼，為什麼地幔熱柱會造就火山呢？因為它比正常的地幔熱得多。我們知道，一般來說，地下越深的地方，溫度就越高。如果我們把正常情況下，溫度和深度的關係畫在一張圖上，就會得到這樣一條地熱線（geotherm，最深只到軟流層）：

我們也知道，岩石也好，岩石中的礦物也好，要保持固態，需要保持一定的溫度和壓強。例如，在大氣壓下，普通的地表岩石會在大約1100攝氏度熔化。往地底下走，在抵達軟流層之前，雖然溫度升高，但由於壓強的增加，岩石的熔點也在上升。因此在這個範圍內，岩石也是固態，在地殼以及地幔上部，會形成岩石圈（軟流層以下的情況和這不同，但並不是說那下面就不是固態了，這裡不多說）。我們可以在圖上再加一條正常情況下的固相線（solidus），在線的左邊的條件下岩石是固態，而線的右邊，岩石中的一些礦物開始融化，形成部分熔融。

現在我們看這兩條正常情況下的線：地熱線一直在固相線的左下方，它們不會相交。換句話說，正常情況下，在岩石圈範圍內，岩石永遠是固態的。好，現在有請地幔熱柱登場。地幔熱柱的溫度比正常地幔高。當它從下方升起，遇到岩石圈之後，就會加熱岩石圈，從而將地熱線向著更熱的右方移動。這樣，地熱線就有機會和固相線相交了，岩石圈下方從而發生了部分熔融，形成了岩漿。

岩漿順著縫隙流向地面，在底下較淺的地方形成了熔岩室，並最終在壓強的作用下噴出地表，形成火山。這就是熱點火山（hotspot volcano，經典的例如夏威夷、加拉帕格斯、百慕大等，黃石也是）形成的原理。

那麼為什麼黃石公園的火山會被稱為超級火山呢？因為它體積大，而且爆發後破壞力大。按照定義，一次超級火山噴發（即指數8以上的火山爆發），會拋射出至少1000立方千米的噴出物。這是什麼概念？做幾個對比：大家所比較熟知的1980年聖海倫火山噴發，整座山都被炸掉一半，但噴出物僅僅為0.25立方千米而已（指數4）；公元79年義大利維蘇威火山噴發，毀掉了龐貝城等好幾座城市，但它噴出的體積也不過3立方千米（指數5）；20世紀最嚴重的火山爆發，1991年菲律賓皮納圖博火山噴發，噴出物僅有5立方千米（指數5）;1883年那次引發大海嘯的印尼喀拉喀托火山噴發，噴出物為20立方千米左右（指數6）；人類歷史上有記錄的最大火山爆發，讓1816年全世界都沒有夏天的坦博拉火山噴發，噴出了150立方千米的物質（指數7）。

再看回答開頭的第二幅圖，每一個色塊代表一個火山活動中心，但是一個火山活動中心裏面可以包括不止一次的大規模火山噴發。其中最右側的火山活動中心就是黃石熱點當前的所在地，也就是黃石公園的所在地，地質學上被稱為黃石高原（Yellowstone Plataeu）。它就是由先後三次大規模噴發所造就的，其中兩次被歸為指數8以上的超級火山爆發，另一次是指數7的噴發。
這三次噴發分別為：

210萬年前的越桔梅嶺噴發（Huckleberry Ridge Eruption），噴出了2500立方千米的噴出物，留下了一個巨大的島嶼公園火山口（Island Park Caldera）其火山灰被直接拋射到了墨西哥北部和洛杉磯附近；

130萬年前的亨利福克火山口噴發（Henry"s Fork Eruption），在黃石的西側形成了梅薩瀑布凝灰岩（Mesa Falls Tuff，因此這一次也叫作梅薩瀑布火山噴發），噴出物為280立方千米，其火山灰被直接拋射到了內布拉斯加和堪薩斯；

64萬年前的熔岩溪火山噴發（Lava Creek Eruption），噴出物為1000立方千米，形成了現在黃石公園內的黃石火山口，其火山灰直接落到了墨西哥灣。

（本人實拍的三張照片。左上是愛達荷境內Huckleberry Ridge噴發出的火山凝灰岩，紅棕色；下方是Mesa Falls的凝灰岩，也在愛達荷境內，泛灰色，但是這個地點並不是特別有代表性；右上是Lava Creek的凝灰岩，在黃石公園內，屬於懷俄明，注意不是河邊那個因溫泉和微生物而形成的構造，而是右上方樹後面的黃色和灰色的凝灰岩）
為什麼黃石公園的火山威力這麼大？這就說來話長了。它和美國西部的地殼構造有關係。首先我們來看一下普通的大陸地殼是什麼樣子的。

簡單來說，一般的大陸地殼分為三層。如圖所示。這三層地殼的含硅量不同。最底下的一層的硅含量為52%左右，中間一層的硅含量為60%-63%左右，而最頂層的硅含量為66%-70%左右。至於這種分層是怎麼來的，可以看我以前的一個回答地球上原本就有岩石嗎？各種岩石都是怎麼來的？ - 守望之夏的回答。
現在地幔熱柱登場，熔化了岩石圈（大陸板塊）的最下層（也就是地幔的頂層），溫度很高的岩漿從下面順著裂縫入侵了地殼。地殼開始部分熔融。根據岩石學家的觀察，岩石中含硅量較高的礦物會率先熔化。因此，岩石被加熱熔融後，先流出來的液體（就是新的岩漿）的硅含量比原來的岩石要高。當這些岩漿經過冷卻再次凝固後，就會形成含硅量更高一些的火成岩。
正常情況下，來自地幔的岩漿會入侵地殼的最下層，將那裡的岩石部分熔融，並形成新的岩漿噴出地表。這種新的岩漿的硅含量比底層地殼高，噴出地表冷卻後會形成玄武安山岩，含硅量在53%-58%之間。有時候，中間層的地殼也會遭受入侵，熔化後形成的岩漿含硅量在60%-69%之間，噴出地表後形成安山岩或英安岩。正常情況下，地殼的上層是不會遭受入侵的。
以上是正常情況，但是黃石顯然是個特立獨行的刺頭。在黃石及附近，火山噴發出的岩漿的含硅量要麼很高（75%，形成流紋岩），要麼很低（52%-53%，形成玄武岩），形成了一種很特別的雙相火山（bi-model volcanism）。

原來，美國西部的地殼處在一個拉伸區域。這個拉伸的形成原理有一定的爭議，其中一種說法是這樣的：
還記得前面說到的胡安德富卡版塊嗎？它在地圖上看起來很小吧。可是在新近紀（晚第三紀）以前，它是一個比較大的法拉倫板塊（Farallon Plate）的一部分，如圖所示。

法拉倫板塊也是一個海洋版塊，俯衝到北美洲和南美洲的下方。它和太平洋板塊之間有一個大洋中脊式的伸展區。可是隨著時間的推移，大陸不停地在漂啊漂。終於，法拉倫板塊的主體部分完全沉到了北美大陸的底下。它的殘餘部分形成了今天的胡安德富卡版塊、可可斯版塊和納茲卡版塊等較小的版塊。今年熱映的科幻災難片《末日崩塌》里的罪魁禍首聖安德勒斯斷層也是同時形成的。雖然法拉倫板塊已經不在了，但曾經橫在法拉倫板塊和太平洋板塊之間的拉伸區域並沒有消失，而是隨著法拉倫板塊沉到了美洲大陸的下面。在它的作用下，美國西部的地殼被拉伸（弧後拉張），形成了一大片盆地-山嶺區域（Basin and Range Province）。這一區域從遙感圖上可以看得很清楚（那些一條一條的山脈和谷地就是拉伸作用形成的。特別是猶他、內華達、亞利桑那這幾個州，以及墨西哥北部）：

由於地殼拉伸，地殼表層比較脆的區域就發生了斷裂，形成了斷層，並成為了這些嶺谷地帶。同時，地殼也變得較薄。

（拉伸前）

（拉伸後）
由於地殼變薄，平時很安全的上層地殼就有了遭到熔岩入侵的可能。黃石也受到地殼拉伸的影響。因此在黃石附近，地幔熱柱熔化岩石圈下層所產生的熔岩流就可以侵入含硅量66%-70%的上層地殼，將其部分熔化，形成了含硅量達到75%以上的流紋岩的岩漿。同時，下層的熔岩流甚至可以直接噴出地表，在蛇河平原和哥倫比亞河平原形成大規模的玄武岩。

（本人在Teton Pass實拍的蛇河玄武岩平原）
我們再說含硅量75%的流紋岩的岩漿。由於含硅量大，這種岩漿粘度很高。其內部的氣體形成氣泡，但因被高粘度的岩漿包圍，它們很難通過膨脹體積來減壓。當這種岩漿在黃石下面聚集，裡面的氣體也越來越多，溫度也越來越高。高溫使得氣體膨脹，但高粘度的岩漿阻止氣體膨脹，因此其內部的壓強變得非常的高。當高壓的氣體最終衝破大量的高粘度的岩漿噴出地表，就會形成猛烈而量大的超級火山爆發。這就是黃石公園的超級火山的來歷。最後一個問題。為什麼人們覺得黃石的火山很危險。為什麼《2012》認為地球就要完蛋了。第一，黃石一旦噴發，肯定會對全球的氣候有嚴重影響。密西西比河以西的美國就直接報廢了，火山灰會通過大氣層覆蓋全球，世界也許會迎來長達數年的冬季。這種人類歷史前所未有的大災難發生了，世界秩序也很可能亂掉。第二，很多人覺得黃石馬上就要爆發了。還記得上面說過的產生黃石高原的三次大噴發么？列出來複習一下：

越桔梅嶺火山噴發（Huckleberry Ridge Eruption）- 210萬年前 - Island Park火山口
梅薩瀑布火山噴發（Mesa Falls Eruption）- 130萬年前 - Henry"s Fork火山口
熔岩溪火山噴發（Lava Creek Eruption）- 64萬年前 - Yellowstone火山口

根據神奇的統計學，下一次大規模噴發貌似就要來了。

（已經遲到了4萬年了好嗎？！）
但是也有科學家認為這種數據並不可靠。馬克吐溫說過：「世界上有三種謊言。謊言，該死的謊言，以及統計學。」上面列出來的僅僅是形成黃石高原的三次大噴發，也就是說，它們僅僅是黃石熱點所引發的大噴發中的最後三次。前面提到過，黃石熱點在美國西北部形成了一連串的火山活動中心，而黃石高原只是這些火山活動中心的最新的一個。在黃石高原的西側，比它更早一點的一個火山活動中心是愛達荷境內的海斯火山活動中心（Heise Volcanism Field，簡寫H）。再往西，則是更早一些的皮卡博火山活動中心（Picabo Volcanism Field，簡寫P）。和黃石高原火山活動中心（YP）由三次主要噴發組成一樣，H和P也都由不同的噴發組成。下圖就是歷次噴發的火山口示意圖。

如果我們把它們都列出來，就會是這樣：

小苦梅峽谷噴發（Little Chokecherry Canyon，圖中的CH）- 934萬年前
凱爾谷噴發（Kyle Canyon，圖中的KC）- 917萬年前
Lost River噴發（Lost River，圖中的LR）- 875萬年前
美洲瀑布噴發（America Falls，圖中的AF）- 784萬年前
黑尾火山噴發（Blacktail，圖中的AV）- 662萬年前
Edie School 火山噴發（Edie School，圖中的ES）- 657萬年前
沃爾科特噴發（Wolcott，圖中的W）- 627萬年前
狼獾溪火山噴發（Wolverine Creek，圖中的WC）- 580萬年前
藍溪火山噴發（Blue Creek，圖中的BC）- 560萬年前
康南特溪火山噴發（Conant Creek，圖中的CC）- 551萬年前
麋角泉火山噴發（Elkhorn Springs，圖中的EK）- 537萬年前
海斯火山噴發（Heise，圖中的H）- 449萬年前
Kilgore噴發（Kilgore，圖中的）- 445萬年前
越桔梅嶺火山噴發（Huckleberry Ridge，圖中的HR）- 210萬年前
梅薩瀑布火山噴發（Mesa Falls，圖中的MF）- 130萬年前
熔岩溪火山噴發（Lava Creek，圖中的LC）- 64萬年前

如果把數據擴展到這個地步，那前面的小數據統計可能就不那麼有說服力了。這並不是說黃石現在不可能爆發。它隨時都可能爆發。但是單純用不完整的數據來估算下一次爆發的年代，是不那麼科學的。

（啊哈...原來你們算錯了...）
另外，黃石火山不僅有大規模噴發，也有小噴發。比如，黃石公園裡面有個比較著名的景點叫做西拇指（West Thumb），那就是17萬年前的一次小噴發以後在黃石湖邊炸出來的一個坑。

（本人在西拇指的實拍。照片上部的這片湖面是一個湖灣，比黃石湖的其他區域深得多，原因就是它和黃石湖的其他部分不是同時形成的，而是形成於一次火山噴發。這個湖灣就是火山口。湖邊有很多間歇溫泉，算是下面岩漿室的出氣孔。）
歡迎圍觀：
知乎專欄：地球的那些事兒
微信公眾號山中雜說 (ShanYeTalking)

補充一下守望之夏的回答
主要有兩點
第一，yellowstone的成因究竟是不是地幔柱引發
第二，俯衝板塊起什麼作用
yellowstone到現在還是個很熱的研究話題這兩個問題都不是100%確定的答案守望的答案中一直圍繞著確定黃石是地幔柱引起這一點來講而事實上並不確定
首先現在tomography的證據在300-400km以下是看不到延伸到深處的低速帶的主要的低速帶都集中在表層一兩百千米如果確實是又比較熱的地幔柱直接上涌那麼這樣接近地表的低速帶應該可以看到延伸到深處的低速「根」
其次各種地球化學的證據都表現了其實yellowstone的岩漿數據點散亂跟別的岩漿沒有本質性可區分的差異如果是深源岩漿理應表現出比較大的區別例如夏威夷火山
第三關於俯衝帶，目前主流觀點大致上已經擯棄了大俯衝角度深俯衝的可能 tomography已經很明顯的展示了從離太平洋近的小角度俯衝到北美中東部變成比較大角度的俯衝的變化並且俯衝的板片在北美大陸下不是整體上面有很多「洞」目前有一種觀點認為 yellowstone的岩漿源其實來自於地幔物質通過這些「破洞」的被動上涌這個被動上涌是因為有冷的板片進入地球內部那自然有東西要出來這樣的一個被動過程而不是地幔柱的主動上涌
當然這些討論爭議也都只是一家之言有很多可以反駁的餘地不是定論所以列出來也只是供大家一個參考和守望之夏的答案對照觀看@守望之夏