夏威夷群岛火山形成原因与其地质地貌状况综述

题目(中)夏威夷群岛火山形成原因与其地质地貌状况综述
(英)Reviews of the Formation of Hawaii Islands’ Volcanoes and Geological Landform Conditions
姓名与学号平帆 3120100152
指导教师章凤奇
年级与专业 2012级农业资源与环境
所在学院环境与资源学院
夏威夷群岛火山形成原因与其地质地貌状
况综述
平帆
（浙江大学环境与资源学院，杭州）
摘要：本文根据现有资料，对夏威夷群岛即火山岛成因的诸多假设进行探讨，简述夏威夷主要火山岛上的地质地貌状况，并对现今Kilauea夏威夷型喷发和海底火山滑坡等火山构造带来的自然灾害性地质活动进行探讨。

关键词:夏威夷群岛；火山；地质地貌；地幔柱。

Reviews of the Formation of Hawaii Islands’ Volcanoes and Geological Landform Conditions
PING Fan
(Zhejiang University, College of Environmental and Resource Sciences, Hangzhou)
Abstract:According to the data, several hypotheses about the formation of the Hawaiian 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 world.
Key words: Hawaii Islands; Volcano; Geologic Feature; Mantle Plume
1引言
夏威夷群岛地处于太平洋中部，是由由自北西至南东延伸2400千米的19座较大岛屿和其他小岛组成的群岛。

其本身是北太平洋中长约6000千米海底火山链的一部分。

[1]此火山链东起夏威夷岛，北至勘察加的明治海山东侧，熔岩总体积在100万立方千米左右。

东段夏威夷海岭呈北西走向，西段则在中途岛转折后呈南北走向。

[2]
夏威夷群岛中面积较大的有夏威夷岛（Hawaii）、考爱岛（Kauai）、毛伊岛（Maui）等，其中夏威夷岛最大。

夏威夷岛上拥有世界上最活跃的火山之一——基拉韦厄火山（Kilauea），至今仍处于第二阶段运动状态。

2火山形成原因与假设
2.1地幔柱假说
太平洋板块上的夏威夷群岛的年龄由西北方向东南方向递减。

西部最北端年龄为7500-8000万年；转折处的中途岛则降至4310万年，到了西段的Niihau岛，其年龄只有600万年，到最东端夏威夷岛的火山目前仍在喷发。

如果单单是用经典的板块构造理论是无法解释的，原因是该理论只能解释板块交接处的作用，而不能解释太平洋板块内部岩浆活动。

1963年，Wilson提出了热点假说来试图解释夏威夷-天皇海山岛链的形成原因[3]，即运动的太平洋漂过固定的热点后形成连续的、阶梯状的火山。

随后，Morgan发展了热点学说，并提出了地幔柱假说。

（图1：地幔柱假说解释夏威夷火山岛链形成过程）
地质热力作用是盆地发育演化和改造的主要因素，随着研究深入，大陆垂向热力作用及其热力构造陆续被发现，其中地幔热柱型是热力构造中非常重要的类型[4]。

Morgan认为，
热点是下地幔圆柱状地幔柱在地表的表现，这个热点在8000万年中一直处于活动之中。

热点涌出地幔柱，熔融了软流层上部的岩石圈，形成了一个窗口，岩浆由此喷出冷却、堆积，最终形成了火山岛。

[5]
随后太平洋板块移动，但是热点固定不动，窗口与地幔柱脱离后便重新闭合，这样一来其上的火山也无岩浆喷出而熄灭，而新移动到热点上方的太平洋板块又被熔融，形成新的火山岛。

最终这些火山岛组合起来，就形成了现在的夏威夷群岛。

这也就解释了为何夏威夷-天皇海山岛链的火山年龄呈阶梯型分布。

热点-地幔柱假说不仅很好的解释了夏威夷岛链火山的成因，同时也使岛链印证了太平洋板块的运动轨迹，说明板块是向着北方移动的。

2.2热岩区假说
对于上述观点，发表在Science上一篇论文提出了质疑：相关证据表明，夏威夷岛链的海床下方存在一个巨大的热岩区，夏威夷火山的热源正是来源于该热岩区而非地幔柱[6]。

地质学家表示，经过对20年地震数据的分析，他们在夏威夷地区正下方发现了一个800英里宽的热岩区。

麻省理工学院地质学家R.D. van der Hils表示，虽然最新的地质发现，并不能排除夏威夷岛链其他一些火山下方有地幔柱，但可以确定的是地幔柱的主要源头并不是在夏威夷岛链的正下方[6]。

地震X线断层摄影术利用地震波穿行时发出的声音和回声探测地幔柱或者热区，但夏威夷下方的地幔测绘难度极大，因为这一地区距离大型地震传感器网路太远。

相比之下，研究对于历年来地震数据的分析反倒有更为惊人的结果。

这些信号显示，在地下大约410英里的巨大不规则区域：一个盘状岩石区，温度比周围地区高出300至400摄氏度，距离大岛西部370英里至1000英里之间。

研究小组认为这个地幔柱在上下地幔的交界处汇集，而后曲折地伸向群岛下方的地壳，最后涌出岩浆供给夏威夷的诸多火山岛。

这种假设有待进一步的证实。

3 地质地貌状况与特征
正是复杂的形成过程，才使夏威夷岛拥有如此复杂的地质地貌状况。

3.1 火山地质演化
夏威夷群岛上大多火山在岩浆演化上是有规律的。

一般经历四个阶段:
（1）碱性盾前阶段：这期间以下水碱性玄岩、碧玄岩喷发为主；
（2）拉斑玄武岩岩盾阶段：该阶段以大规模拉斑玄武岩喷发为主，形成露出棉絮状的火山盾地。

之前学术界普遍认为夏威夷群岛中Kauai岛是单层盾形火山，但事实上，Kauai 火山岛结构是十分复杂的，夏威夷群岛下地壳中岩墙多而复杂、成排的拉斑玄武岩火山通道从中部高原呈多方向放射状分布。

声纳资料显示，Kauai岛以北、以东、以南2万多平方米的海底被几千立方千米的来自该岛的火山岩屑崩塌物所覆盖。

其他同位素探测资料也阐明Kauai岛至少由两层盾形火山组成，不同层位的火山具有不同的岩浆供应系统[7]。

（3）碱性盾后阶段：以碱性玄武岩和碱性粗安山岩喷发为主，喷发规模减小，火山运动减弱。

（4）碱性复苏阶段：以小规模的火山管道喷溢为特征，主要样式为霞石岩、霞石黄长岩、夏威夷岩等。

这些火山以中心式喷发为主，平面上以偏圆形和圆形为主。

从火山口平面俯视，中部块状构造的熔岩状岩浆岩较多，结晶度较好，而边缘部分为流层状构造，玻璃质碎屑结构的岩石较多，粒度较细，古火山颈岩石地形抗风化能力强。

以Mauna Loa和Mauna Kea火山口为代表，其锥体周围常见的有是有：玻质辉橄熔岩流、拉斑玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩和凝灰岩。

矿石方面的组成则以高温斜长石、富钾斜长石、透长石、高温石英等硅氧化物为主。

[8]
3.2 地貌与地形特征
3.2.1 火山口地形特征
夏威夷群岛上的火山是现代活火山地形中发育最为典型的，该群岛上有圆丘式高山，这是古火山喷发留下的痕迹，岛上还有梯状丘陵，期间还伴有中心式喷发火山和从裂缝中冒蒸汽。

[1]群岛上的火山岛中以最东侧的夏威夷岛为最大，正在活动的最高峰Mauna Kea位于岛上的南部，它与北部暂停活动的Mauna Loa火山构成夏威夷岛的三角形状。

和该岛南部的Mauna Loa海拔4171m，火山口直径约为5km。

这座火山从1859-1975年间异常活跃，喷发周期为3.7年，大规模喷发4次。

最大的一次是1857年，熔岩流动为17km。

3.2.2 火山式海岸线
夏威夷群岛海岸按类型分为火山和珊瑚形成的两大还按类型：火山式海岸和珊瑚式海岸。

其中东部八大岛全都是火山成的岛屿。

由这些火山形成的海岸，由年代久远程度从新至老可分为：
（1）原火山裙式海岸，以夏威夷岛最为典型；
（2）过渡式裙式和崩塌陡壁式海岸，它是一种混合类型，分布较为普遍；
（3）新构造沉陷所形成的的崩塌陡壁式的海岸，它以Niihau岛和Kahoolawe岛最为典型。

3.2.3 火山流水型海湾
夏威夷群岛按成因也可分为火山流水造成的海湾和珊瑚形成的海湾。

下面主要简述火山流水造成的海湾。

总体分来可归纳成六中形式：火山口崩塌湾、火山岛间夹湾、岛间-河口湾、沙堤泻湖湾、山间-湖泊湾和火山岛间连岛湾（见图2）[8]。

（图2）
4当今灾害性地质活动与危机
如今，夏威夷群岛上的火山仍旧活跃，灾害性地质地貌活动也频频发生，且近几年来程度逐渐加剧，对岛上的原住民和旅客构成了一定威胁。

而且潜在大规模的火山运动甚至可能撼动整个西太平洋。

4.1 火山喷发
夏威夷岛上的Kilauea火山是唯一正在喷发的火山，最高点海拔1248米，火山体积194000立方千米。

其喷发类型属于温和式夏威夷型喷发。

当地夏威夷国家火山公园区域的公路和绿地经常会被刚刚涌出的熔岩吞噬。

其中岩浆转变为的绳状熔岩表面十分光滑，还有余温。

熔浆在黑色的熔岩壳下面继续流动，从火山口流出直至海岸线，大量熔岩入海后瞬间被海水冷却，由红变黑，期间放出大量蒸汽。

有时也会发生爆炸，1992年11月24日的爆炸发生在沉降槽中，开始阶段低能量的爆炸从爆炸源向上向外喷发出灼热的岩浆碎石约10米远。

随后更大的爆炸发生时，蒸汽喷泉和白灼岩浆从三角洲边缘的许多不同源头喷发，高度甚至达60米，同时伴随有碎石雨降落到地面。

从1983年1月至今，Kilauea火山已进入能源喷发阶段。

其中新的火山口Puu Oo所喷涌出的岩浆可达460米。

到目前为止，该Puu Oo火山口喷发的岩浆覆盖了35.5平方英里的土地，包括18英里的高速公路和私人道路，破坏了181个居民区，给当地造成了严重的经济损失。

于此同时，火山喷发出的岩浆也使夏威夷岛的面积增加了540英亩的新陆地，在该岛东南部形成了全新的海岸线和黑色沙滩[9]。

4.2 地震海啸
夏威夷群岛上大多数Tsunamis波，发源于几千公里之外的阿拉斯加、堪察加半岛和南
美洲的外海，之后海底断层引发了地震颤动引起的水波横越深海，其移动速度725km/s[10]。

如此以来，便会引起灾难性的海啸。

在2006年的Kuril岛海啸中，边缘波被ADCP检测到沿着Oahu岛南部海岸线传播。

随着传播时间延长，最大海平面高度出现在所有频率的Tsunamis 波叠加时刻[11]。

而在另一个岸边峡谷里，海水上升至17米高，这次淹没了大部分的希洛和其他城市地区，死亡人数达150人。

4.3 海底火山滑坡
通过分析夏威夷岛Kilauea火山东南坡上20个GPS台网的长期记录，Cervelli与其研究小组发现，海底火山侧翼的崩塌速度正在加快。

2000年11月，GPS台站检测到火山东南侧20千米长、10千米宽的巨大块体以每天6厘米的速度滑向海洋。

相比于每年几毫米的板块运动速度，这样的崩塌速度简直是天文数字[12]。

这样的崩塌虽然是短暂的，但如果Kilauea火山东南翼崩塌（可能性很小，但是也不能排除可能性），造成的后果将不堪设想。

Cervelli对于该可能性做了计算机模拟。

模型设定40千米长、20千米宽、2千米厚的块体活动了60千米。

那该次崩塌预计导致的海啸将有1.72×1019J的能量（相当于4100兆吨TNT），海啸将波及280°的弧度范围模型预示海啸波将以30米的高度登陆北美西海岸，到达南美顶端是将衰减到10米[13]。

在一定条件下，海底火山崩塌所引发的海啸则足以撼动整个环太平洋的国家。

5结束语
综上所述，夏威夷群岛独有典型火山运动的地质构造和地貌特征，是研究当下研究火山运动的最佳观测地点之一。

虽然其火山岛链的形成原因和海底火山的崩塌状况还不明晰，但笔者相信，在不久的将来，科学研究者将对此做出更加合理的解释。

我们也将对地球本身的地质运动有更为深入的了解。

参考文献
[1] 万延森, 刘昌荣. 夏威夷群岛的地貌特征[J]. 海洋科学进展, 1991, 2: 006.
[2] 刘钰. 夏威夷-皇帝海山链成因研究进展[J]. 2006.
[3] Eck J, Chainey S, Cameron J, et al. Mapping crime: Understanding hotspots[J]. 2005.
[4] 杨焱钧, 周海, 吴涛, 等. 地幔柱的构造特征及岩石学和地球化学特征研究[J]. 长江大学学报 (自科版) 石油/农学中旬刊, 2013 (9).
[5] Duncan R A, Richards M A. Hotspots, mantle plumes, flood basalts, and true polar wander[J]. 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 Hawaii[J]. Science, 2011, 332(6033): 1068-1071.
[7] Holcomb R T, 龚建明. 出露于夏威夷考爱 (Kauai) 岛上的双层盾形火山[J]. 海洋地质动态, 1998, 2.
[8] 万延森, 刘昌荣. 夏威夷群岛的地貌特征[J]. 海洋科学进展, 1991, 2: 006.
[9] 林邦慧, 竺敏. 夏威夷岛的 Kilauea 火山 (综述)[J]. 地震地磁观测与研究, 1998, 3.
[10] Cox D C, Morgan J. Local Tsunamis and Possible Local Tsunamis in Hawaii: By Doak C. Cox and Joseph Morgan[M]. Hawaii Institute of Geophysics, University of Hawaii, 1977.
[11] Bricker J D, Munger S, Pequignet C, et al. ADCP observations of edge waves off Oahu in the wake of the November 2006 Kuril Islands tsunami[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(23).
[12] Segall P, Desmarais E K, Shelly D, et al. Earthquakes triggered by silent slip events on Kīlauea volcano, Hawaii[J]. Nature, 2006, 442(7098): 71-74.
[13] Ward S N, 李娟. 滑坡的夏威夷海底火山[J]. 世界地震译丛, 2002, 5: 009.。