皮克斯動畫工作室發(fā)過一部可愛的動畫電影，叫“Inside out”,。但今天我們要談的不是電影,，而是隨這部電影一起發(fā)布的，一部叫做Lava的動畫短片,。

I Lava You!

這部短片講的是坐落在太平洋中的兩座火山島之間的愛情故事,，故事情節(jié)以歌曲的形式娓娓道來。男主人公叫Uku, 女主人公叫Lele,。Uku的生活由重復(fù)的噴發(fā)期和平靜期組成，他孤獨地在海中生活了很多年，一直期待著有個伴兒,。

孤獨的男主人公Uku,。（不是那只鯨，是后面的山?。﹫D片來源：《Lava》

由于火山活動減弱,，他慢慢停止了噴發(fā)，逐漸被海浪沖擊,、剝蝕,，直到即將沉沒時，他仍然是孤獨一人,。他感到很悲哀,，但他不知道的是，另一座年輕的火山Lele出現(xiàn)在了他所在的海域,，正在海面以下靜靜休眠,。

有一天,，Uku已經(jīng)完全沒入海中,，Lele卻突然發(fā)生了劇烈的海底噴發(fā)，躍出海面,，成為了新的火山島,。但由于Lele背對著Uku，她以為自己是整片海中唯一的火山,。而Uku雖然看見了Lele,，想要與她相伴，但無奈自己已被海水淹沒,，只能感到惋惜,。

女主人公Lele浮出海面。圖片來源：《Lava》

不久以后,，Uku再次發(fā)生噴發(fā),，重新躍出海面，從此陪伴在了Lele身邊,。

Uku和Lele從此過上了幸福的生活,。圖片來源：《Lava》

光從主人公的名字來看，一個叫Uku,，一個叫Lele,，合起來已經(jīng)夏威夷風(fēng)味十足。再加上整首歌以Ukulele這一夏威夷特色樂器來伴奏,，讓人必須聯(lián)想到這群太平洋小島,。

據(jù)導(dǎo)演詹姆斯·墨菲（James Ford Murphy）稱，這個短片的人物原型的確是夏威夷群島中的兩座小火山島。而這部動畫背后,，也的確隱藏了許多與火山學(xué)相關(guān)的有趣知識,。

夏威夷：溫柔的火山

夏威夷不僅有海灘，有熱帶美景,，更有活火山,。只要買張飛往檀香山（Honolulu）的機票，很容易就能降落到這群位于太平洋中間的熱帶島嶼上,。

夏威夷群島,。圖片來源：ttlnews.com

從檀香山所在的O‘Ahu島乘船，往東南方向行駛大約300公里,，即可抵達(dá)大島（Big island）,。來到著名的Kīlauea火山旁，你就能看到原版的,、正在流動的,、鮮紅的巖漿。這種在地面上流動的巖漿,，被稱為熔巖（lava）,。

紅色的、流動的熔巖,，和黑色的,、已冷卻的玄武巖巖石。

除了遠(yuǎn)距離觀看之外,，你還可以走到熔巖旁邊,，近距離觀察它；甚至可以冒險踩一腳,，但必須要在鞋子著火前,，迅速把腳移開。因為這些紅色的熔巖雖然看起來像是燒紅的木炭,，實際上溫度要高得多,，最高可達(dá)到1200攝氏度。

熔巖的外殼由于與空氣接觸,，最早開始冷卻,，冷卻下來的“外殼”能夠保護(hù)藏在內(nèi)部的熔巖，阻止其與空氣接觸,。因此,，內(nèi)部的熔巖往往比“外殼”更慢冷卻。也就是說,，當(dāng)你踏在看起來已經(jīng)變黑,，但剛流出火山口幾個小時的“熔巖”上的時候,，還是應(yīng)該小心為妙。

攝影師Kawika Singson在夏威夷島近距離拍攝熔巖,。

除了著火的危險以外,，夏威夷島的火山足以稱得上和善。然而,，并不是所有火山都容許我們近距離欣賞它（們）的噴發(fā),。

“溫柔”之外，也有“爆發(fā)”

火山的噴發(fā)形式主要包括“溢流式”和“爆發(fā)式”兩大類,。夏威夷火山為典型的“溢流式噴發(fā)”（effusive eruption）,，較為溫和，Uku和Lele就是這樣,。

與之相對應(yīng)的“爆發(fā)式”噴發(fā)（explosive eruption）則更劇烈兇猛,，常常帶來嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

爆發(fā)式火山噴發(fā)以普林尼式噴發(fā)為典型,，通常會產(chǎn)生幾公里到幾十公里高的氣柱,，并產(chǎn)生大量灰黑色的火山灰。典型的普林尼式噴發(fā)包括毀滅龐貝古城的公元79年維蘇威火山噴發(fā),，1883年發(fā)生在印度洋中的喀拉喀托火山噴發(fā),，以及1980年發(fā)生在美國華盛頓州圣海倫火山噴發(fā)，等等,。

英國地質(zhì)學(xué)家在1822年繪制的公元79年維蘇威火山噴發(fā)的假想圖,。圖片來源：biogeo.260mb.net

通常來說,，不同的火山能夠產(chǎn)生形式各異的噴發(fā),。更奇妙的是，即使是同一座火山,，在不同時期和不同的巖漿作用下,，也會形成不同形式的噴發(fā)。這和巖漿的性質(zhì)及巖漿上升過程有很大關(guān)系,。

巖漿（magma）主要由三部分組成：熔體（melt）,，礦物晶體（mineral）和揮發(fā)分（volatile）。其中,，熔體為硅酸鹽流體,；礦物晶體以長石、輝石,、角閃石和橄欖石為主,；揮發(fā)分則主要包括水、二氧化碳和二氧化硫,。

巖漿的主要組成部分是熔體,，其次是礦物晶體,，揮發(fā)份通常最少。

隨著巖漿從地底深處往地表移動,，由于溫度和壓力的變化,，以上三個組分的比例將發(fā)生變化。通常趨勢是礦物晶體的比例越來越大,，熔體的比例減小,。

巖漿從地下數(shù)十公里深處，來到位置較淺的巖漿房（地下儲存巖漿的空間）中,。由于外界壓力顯著減小,，揮發(fā)分從巖漿中溢出，以氣泡形式存在于巖漿房內(nèi),。隨著氣泡體積增大,、數(shù)量增多，巖漿最終將在浮力作用下繼續(xù)上升,，直至噴發(fā)出地表,，這一過程被稱作巖漿上升過程（magma ascent），對火山的噴發(fā)形式起到?jīng)Q定性的作用,。

如果巖漿中氣泡含量多,，巖漿上升速度較快，那么噴發(fā)事件多為“爆發(fā)型噴發(fā)”,。與這一原理類似的生活經(jīng)驗是：搖晃后可樂瓶并突然打開瓶蓋,，可樂會噴發(fā)。搖晃可樂后,，可樂瓶中的二氧化碳從液體中逸出,，瓶內(nèi)氣壓高于大氣壓。一旦快速打開瓶蓋,，二氧化碳將攜帶液體噴出,。該原理與爆發(fā)式火山噴發(fā)類似。

顯然,，夏威夷火山的噴發(fā)機制與以上所述不同,。

實際上，夏威夷火山的巖漿中揮發(fā)分含量較少,，巖漿上升的速度相對較慢,，因此才形成了如此“安靜”的溢流式噴發(fā)。

夏威夷島的玄武質(zhì)熔巖流入海中,。雖然看起來很粘稠,，但玄武質(zhì)巖漿是所有巖漿中粘度最低的一類。圖片來源：malwaretips.com

另外一個影響噴發(fā)形式的要素是巖漿的粘度,。巖漿的粘度由巖漿的成分決定：通常,，巖漿中二氧化硅的含量越高,，巖漿粘度越大。夏威夷島巖漿的成分為玄武質(zhì),，即巖漿中二氧化硅的含量較低,，因此粘度低，而且是所有類型的巖漿中粘度最低的一種,。

正因為玄武質(zhì)巖漿的粘度很低,，所以它們常常從火山口或者地表的裂縫中涌出，像水流一樣順著地面流動,，被稱為熔巖流（lava flow）,。熔巖流往四面八方流動，能夠覆蓋火山口周圍的約數(shù)十到數(shù)百平方公里的范圍,。在夏威夷島,，熔巖能從火山口出發(fā)，一路直下流入海中,，也是難得一見的奇觀,。

每經(jīng)過一次噴發(fā)，新的熔巖流便覆蓋在已經(jīng)冷卻的巖石上,，一層疊一層,，像千層蛋糕一樣堆積起來。由此形成的火山往往坡度很緩（小于10度）,，被稱為盾狀火山（shield volcano）,。最典型的代表就是夏威夷島上的Kīlauea火山。

盾狀火山由不同時期噴發(fā)產(chǎn)生的熔巖流（lava flow）堆疊而成,，通常坡度較緩,。圖片來源：mlhi.org

繞了這么大一圈兒，在解決了這些“打擦邊球”的問題以后,，我們即將迎來最關(guān)鍵的問題：為什么火山活動會出現(xiàn)在夏威夷島上,？為什么夏威夷群島的其他島嶼上沒有火山活動，全部為死火山,？

Uku和Lele是怎么形成的？

夏威夷的火山現(xiàn)象和地質(zhì)學(xué)上很重要的“熱點”（hotspot）理論有關(guān),。

上世紀(jì)70年代,，地質(zhì)學(xué)家們提出，在如今夏威夷島所在的位置底下,，存在一個圓柱狀的地質(zhì)體,，稱為地幔柱（mantle plume）。這個柱體的頭部接觸著巖石圈,，尾部通往地球內(nèi)部,，直達(dá)地核與地幔的邊界（距地表約2900公里深處）,。地幔柱像一個燃燒著的火爐一樣烘烤著巖石圈，使其發(fā)生熔融,，為火山噴發(fā)提供了巖漿來源,。

地幔柱的一端向地球深處延伸，至地核（橙色）與地幔（紅色）邊界,；另一端（頭部）則向外直達(dá)巖石圈底部,。圖片來源：nature.com

地質(zhì)學(xué)家們認(rèn)為，地幔柱是固定不動的,，而地殼是運動的,，因此，地殼中被“烘烤”的位置在發(fā)生變化,。這個原理與我們高中時玩兒過的打點計時器類似,。地幔柱是能夠打出黑點的“針”，地殼是移動的白紙條,。當(dāng)我們移動紙條,，打點器會在紙上留下處于不同位置的黑點，而不同的黑點也反應(yīng)了不同的時間點,。

地幔柱位置固定（圖中紅色部分以下）,，處于軟流圈（圖中黃色部分）以上的板塊（芥末黃色）在發(fā)生移動。由于巖漿在不同的時間點上涌,，因此在板塊的不同位置形成火山島,。圖片來源：wikipedia.org

類似地，在過去的六百萬年中,，夏威夷群島所在的太平洋板塊持續(xù)往西北方向運動,，地幔柱像打孔的針一樣，依次在海底的不同位置,，在五個時間段,，形成了五個點痕，即火山島,。這些火山島組成了夏威夷火山島鏈,。

大約四五百萬年以前，夏威夷群島主要的火山活動集中在位于夏威夷群島最西北部的Kauai島上,，該島是夏威夷島鏈中最“老”的火山島,，形成于3.8至5.6百萬年前。此后,，Kauai島慢慢遠(yuǎn)離地幔柱的位置,，巖漿活動逐漸停止，火山不再噴發(fā),。由于海水侵蝕,，以及山體自身的塌陷,，火山體積越來越小，最終可能被海面淹沒,。

夏威夷火山島鏈中幾座島的形成時間,，從老到新以此為：Kauai, Oahu, Molakai, Maui, Hawaii。其中,，Kauai形成于距今3.8至5.6百萬年（Ma）前,。

夏威夷島則是從七十萬年前起在海底形成的。熔巖流從海底地表涌出,，一層一層地堆積在海面以下,。經(jīng)年累月，它最終突出海面,，成為了火山島,。由于巖漿可以從同一個巖漿房出發(fā)，經(jīng)過不同的“通道”（通常與地層中的裂縫或斷層有關(guān)）涌出地面,，因此在島上形成了不同的火山口,，例如夏威夷島上的Mauna Loa和Kilauea火山。

Uku和Lele是怎么在一起的,？

我們再回頭看lava這部短片,，至少可以推斷出，要發(fā)生動畫里的情形有兩種可能性,。

其一,，Uku和Lele是夏威夷群島中的相鄰的兩座火山島，它們相隔大約50-150公里,。由于Uku先于Lele形成,，我們可以推斷出Uku和Lele的相對方位：Uku在Lele的西北方向。

但在這種假設(shè)中,，兩“人”隔著幾十公里遙遙相望,，的確有點兒費眼力。另外,，Uku既然已經(jīng)隨板塊運動,，“漂”離了地幔柱的位置，不應(yīng)該再“漂”回來,。因此,，很難解釋Uku如何能“起死回生”，達(dá)成美滿的結(jié)局,。

其二，既然Uku和Lele的距離很近,，又能在同一個時間段相繼噴發(fā),、存活,，那么它們可能是由同一源頭的巖漿，通過不同的巖漿通道,，從海底噴出形成,。也就是說，Uku和Lele就像同一棵樹上的兩顆蘋果,，長在兩根不同的小樹枝上,。

當(dāng)養(yǎng)分（巖漿）主要往Uku所在的“枝頭”（火山通道）運輸時，Uku發(fā)生噴發(fā),；巖漿通向Lele所在的“枝干”時,，Lele噴發(fā)。不過,，這個猜想成立的前提是：兩座火山底下存在一個體積巨大的巖漿房,，足以供給兩座火山噴發(fā)需要的巖漿來源；此外,，這個巖漿房在水平方向上的尺寸必須夠大,，才能在海底兩個不同的位置形成兩座火山。

兩座火山由同一個位于深部的巖漿源,，經(jīng)過不同的巖漿通道（樹枝狀）,，最終噴出地表而形成。

當(dāng)然,，以上兩種可能性只是我個人閑來無事生出的猜想,。不過值得一提的是，縱覽世界上幾千座火山,，從研究程度和研究歷史來說,，夏威夷火山可以說是世界第一。因為早在一百多年前,，美國的地質(zhì)學(xué)家們就在夏威夷島建立了一座火山觀察站,，拉開了夏威夷火山研究的序幕。

真·夏威夷的火山研究

1909年,，時任麻省理工學(xué)院地質(zhì)學(xué)院院長的托馬斯·尤格（Thomas Jagger）四處游學(xué)訪問,，去了意大利、日本,，深刻體察到了世界各地人民都在飽受火山噴發(fā)之苦,。當(dāng)他來到夏威夷，看到地面上流動著如此大量的“第一手”研究資料——巖漿時,，他非常興奮,，于是帶領(lǐng)同行的地質(zhì)學(xué)家開始了一系列實地考察。

同時，他意識到自己身為學(xué)界大牛,，除了應(yīng)該搞科學(xué)研究,，還得為人民做出點貢獻(xiàn)。于是,，托馬斯在當(dāng)?shù)厣倘说闹С窒?，?912年，在夏威夷島Kīlauea火山腳下,，建起了美國第一個火山觀測站——夏威夷火山觀測站,。建站的理念是“通過科學(xué)研究，保護(hù)人們的財產(chǎn)和生命安全”,。

2012年,，夏威夷火山觀測站迎來了它的一百歲生日。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站專門登出了主題為Centennial Mahalo的致謝文章（Mahalo在夏威夷語中為感謝的意思）,。

更有趣的是,，托馬斯在一百年以前提出的那個理念——“通過科學(xué)研究，保護(hù)居民財產(chǎn)和生命安全”,，直到今天,，依然是火山學(xué)家們孜孜不倦地追求著的，想要達(dá)到,、但仍未完全實現(xiàn)的終極目標(biāo),。（編輯：Jerrusalem）

本文由十五言的科學(xué)寫作訓(xùn)練專欄“科學(xué)人的秘密發(fā)動機”孵化而成。歡迎科學(xué)寫作同好加入其中,。