圣海伦斯火山

美国境内活火山

圣海伦斯火山（St. Helens），位于美国西北部华盛顿州，喀斯喀特山北段。北纬46.2°，西经122.18°，海拔2549米，为成层火山。圣海伦斯火山是包含160多个活火山的环太平洋火山带的一部分，因火山灰喷发和火山碎屑流而闻名。

形成演变

1980年以前，圣海伦斯火山形成了一个圆锥形的年轻火山，有时被称为美国的富士山。圣海伦斯火山形成于4万至5万年前的九个喷发时期，是全新世喀斯喀特山脉最活跃的火山。在2200年前，特弗拉火山、熔岩穹丘和火山碎屑流爆发，形成了圣海伦斯较古老的建筑物。19世纪的历史性火山爆发起源于北侧的山羊岩地区，早期的定居者目睹了这一过程。

位置境域

圣海伦斯火山位于美国太平洋西北区华盛顿州的斯卡梅尼亚县，西雅图市以南154千米，波特兰市东北85千米处，北纬46.2°，西经122.18°，是喀斯喀特山脉的一部分。

地理环境

地质

圣海伦斯火山是活火山，由英安岩，安山岩组成。

地貌

圣海伦斯火山成层火山，海拔2549米。

所属山脉

圣海伦斯火山位于喀斯喀特山北段，喀斯喀特山脉是太平洋海岸山脉的一部分。从美国加利福尼亚州北部向北延伸，绵亘至加拿大不列颠哥伦比亚省的南部，全长1100多千米，海拔1800一2500米。山脉自南向北增高，其中段被哥伦比亚河切割成峡谷。山脉大部分为熔岩和火山喷出物覆盖，尤其在南段，火山锥林立，部分尚在活动中。

火山活动

活动历史

圣海伦斯火山在全新世共有44次喷发活动，其中VEI大于3喷发活动共有10次。

圣海伦斯火山在最近的地质历史上频繁喷发，以及在过去三十年里的两次喷发表明，它很有可能再次爆发。此外，在过去的五个世纪里，这座火山已经发生了四次大规模的爆炸性喷发，影响了太平洋西北部地区，并向下风输送了大量的火山灰。

圣海伦斯火山历史

圣海伦斯火山早期爆发的时期是距今大约40000至35000年前的“猿猴峡谷时期”（Ape Canyon Stage），然后是距今20000至18000年前的“美洲狮时期”（Cougar Stage），和距今约13000至8000年前的“雨燕溪时期”（Swift Creek Stage）。现代时期被称作“灵湖时期”（Spirit Lake Stage），约3900年前开始至今，灵湖时期以前的时期被统称为祖先时期。祖先与现代时期的主要区别在于喷发岩浆的构成成份。祖先时期的岩浆包含英安岩和安山石，而现代时期的岩浆则成份复杂，包含橄榄石、玄武岩、英安岩和安山石等等。

圣海伦斯火山在距今37600年前的更新世，即猿猴峡谷时期开始成长，并喷发出英安岩和安山石的轻石和火山灰。36000年前，一次大规模的火山泥石流沿火山泻落，而泥石流在圣海伦斯火山的所有爆发周期中都扮演着重要的角色。猿猴峡谷时期在距今约35000年前结束，接下来的是长达17000年相对平静。祖先时期的部分火山锥在爆发中分裂，并在距今14000到18000年前的冰河时期被冰川搬运移动。

第二个爆发期即美洲狮时期于距今约20000年前开始，持续约2000年。灼热轻石的火山碎屑流和火山灰以及火山岩穹顶的增长都在这一时期发生。之后又出现了5000年的平静期，直到雨燕溪爆发期开始，代表性的现象是火山碎屑流，穹顶增长和火山灰对附近地区的覆盖。雨燕溪爆发期在距今8000年前结束。

史密斯溪和松木溪爆发期

公元前约2500年，持续了4000年的平静被史密斯溪爆发期的开始打断。火山喷出大量火山灰和棕黄色轻石，覆盖了几千平方千米的土地。通过火山灰层体积判断，公元前1900年发生的火山爆发是圣海伦斯火山在全新世发生的为人所知的最大规模爆发。这一爆发期一直持续到约公元前1600年，喷发出的物质在80千米外今天的瑞尼尔山国家公园堆积了46厘米厚。喷发物最远在北至加拿大阿尔伯塔省的班夫国家公园，南至俄勒冈州东部都有踪迹。喷发在整个范围内的物质体积总计可能有10立方千米之多。接下来火山又沉静了约400年。

公元前1200年左右火山再度苏醒，松木溪爆发期由此开始。这一时期持续到约公元前800年，以爆发规模较小为特征。无数粘稠炽热的岩浆沿山而下，停留在附近的山谷里。公元前1000年到公元前500年之间一次大规模的火山泥流填埋了路易斯河谷65千米长的一段。

城堡溪和糖碗爆发期

接下来的爆发期是城堡溪（Castle Creek）爆发期，于公元前400年开始，特征是火山岩浆组成成份的变化，即新出现的橄榄石和玄武岩。1980年前的火山顶就是在这个时期开始形成的。在之前常见的碎屑岩石之外，这一时期的显著特征是大量的岩浆流。大量的安山石和玄武岩岩浆覆盖了山的一部分，公元100年的一次岩浆流一直流到了路易斯和卡拉玛河谷。其他成份，比如因其岩浆管（lava tube）系统而得名的山洞玄武岩，从其喷发口一直流到15千米之外。在公元1世纪里，火山灰流沿了北侧之河川和卡拉玛河谷移动了50千米远，甚至可能达到了哥伦比亚河。接下来的400年是火山的平静期。

糖碗爆发期十分短暂，且于火山的历史中其他爆发期有截然不同的特点。它带来了1980年之前唯一一次明确的定向爆炸式的爆发。岩浆首先安静从火山流出并形成了一个穹顶，接下来发生了至少两次猛烈的爆炸，产生了少量的火山碎屑，爆炸堆积物，碎屑流和火山泥流。

卡拉玛和山羊石爆发期

在约1480年，持续了700年的平静期被打破，大量的灰白色英安岩轻石和火山灰开始喷发，标志着卡拉玛时期的开端。1480年发生的爆发比1980年5月18日的爆发规模还要大几倍。接下来又一次规模堪与1980年相比的爆发在1482年发生。火山灰和轻石在东北9.5千米处堆积了1米厚；在80千米外也有5厘米厚。大量的火山碎屑流和火山泥石流接着顺山南坡而下，冲进卡拉玛河。

这一为期150年的爆发期中，岩浆中的硅土成份有所减少，爆发产生的安山石火山灰形成了至少8层深浅相间的地层。成块的安山石岩浆从火山口沿山东南侧而下。后来，火山碎屑流盖过安山石岩浆，流入卡拉玛河河谷。最终英安岩在火山口上填满了以前爆炸形成的弹坑，形成了几百米高的火山丘。火山丘侧面的大块部分脱落，以碎石形态覆盖在火山锥上。侧向的爆发在火山口东南壁上开出了一个缺口。卡拉玛时期在约1647年结束时，圣海伦斯火山达到了其最高的海拔，也形成了高度对称的外形。接下来的150年里火山再一次回归平静。

1800年开始的山羊石爆发期持续了57年，这也是第一个对圣海伦斯火山爆发的口头和书面描述共同存在的时期。与卡拉玛时期类似，山羊石爆发期开始于英安岩火山灰爆发，随之而来的是安山石岩浆，最后在英安岩火山丘形成时达到顶峰。在规模上，1800年的爆发可能与1980年的爆发接近，但没有对山峰造成毁坏。火山灰向东北飘散到华盛顿州中部和东部，爱达荷州北部，和蒙大拿州西部。1831年到1857年接连发生了至少十余次小规模爆发，其中还包括在1842年发生的一次相对规模较大的爆发，喷发口就在山北坡山羊石或其附近。

现代爆发期

在1980年3月20日，圣海伦斯火山经历了一场里氏4.2的地震。烟雾于3月27日开始从火山口冒出。到4月末，圣海伦斯火山的北面开始凸起及膨胀起来。毫无先兆的情况下，强度5.1级的第二次地震于5月18日发生，引发了山北坡大规模的塌陷，造成了历史记载以来最大的一次岩屑山崩。山体内的岩浆喷发形成了大规模的火山碎屑流，夷平了附近600平方千米的植被和建筑物。在火山爆发指数（en:Volcanic Explosivity Index）中，这次爆发被列为普林尼式爆发（Plinian eruption）。

山北坡的塌陷混杂着冰、雪和水形成了火山泥流。泥流沿Toutle河及Cowlitz河前进了若干千米，摧毁了一路的桥梁和伐木场。总共三百万立方米的物质被泥流运送到了南方27千米外的哥伦比亚河里。

剧烈的火山灰喷发持续了9个多小时，烟柱高度达到了海平面以上20到27千米。烟柱以每小时95千米的速度向东飘移，中午时到达爱达荷州。5月18日大约下午5:30，垂直烟柱的高度开始减小，较小规模的喷发一直持续到了几天之后。

圣海伦斯火山爆发的能量总共相当于三亿五千万吨TNT炸药，或者27000枚广岛原子弹，又或者7倍于人类建造测试过的最大当量核武器沙皇炸弹（Tsar Bomba）的威力。它喷出了2.8立方千米的物质。山北坡的塌陷使圣海伦山的海拔缩短了将近400米，留下了一个1.6到3.2英里宽，800米深的火山坑，北面留有巨大的缺口。爆发一共使57人丧生，还杀死了将近7000头大牲畜（鹿、角鹿和熊），以及附近渔业孵化场的约一千二百万条鱼。有超过200所住宅，300千米长的公路和25千米铁路遭毁坏。

在1980年到1986年之间，圣海伦斯火山的火山活动持续不断。新的岩浆形成了新的火山丘，大量的小规模爆炸和造丘爆发时有发生。从1989年12月7日到1990年1月6日，以及1990年11月5日到1991年2月14日，火山发生爆发，有时还伴随着火山灰形成的巨大云团。

在1980年的火山喷发中，山顶的400米高处因坡面塌陷而被移走，留下了一个长2x3.5千米的马蹄形火山口，现在部分被熔岩熔岩穹丘填满。

2004年之后的火山活动

圣海伦斯火山在2004年的10月1日再度活跃起来，最初的特征是成百上千次的小规模地震，随后则几次喷出蒸气和火山灰。

熔岩在2004年10月11日达到了火山表层，在已有火山丘的南侧形成了新的火山丘。这一成长从2005年一整年一直持续到2006年。过程中的一些现象被观察记录下来，比如“鲸背”，包含着冷却固化的岩浆受挤压形成的长柱。这些现象都相当不稳定，在形成后很快就倒塌消失了。2005年7月2日，鲸背的一角折断坠落，造成的落石把烟尘送到了几百米高的空中。

2005年3月8日发生了一次火山活动。喷出的11000米高的烟雾和灰尘云从西雅图（美国华盛顿州）也能看到。这次小规模的喷发是造丘运动积蓄压力的一次释放，伴随着喷发的是一次2.5级地震。

另一个在火山丘上形成的现象被成为“鳍”（fin）或“板”（slab）。大约半个足球场大小的冷却了的火山岩以每天2米的速度被推着向上升。

2006年6月中，岩板开始在频繁的岩崩中破裂，同时还在不断的受挤压上升。这时火山丘的最高高度是2301米，仍然比2005年7月鲸背坍塌前的高度要矮。2006年10月22日下午3:13，一场3.5级地震使Spine7脱落，引起的火山丘的崩塌把火山灰烟柱送到了火山口西面2000米的空中，烟柱接下来很快消散了。同年11月19日，大片的冷凝水蒸汽烟柱使媒体推测火山发生了小规模爆发。然而美国地质调查局的喀斯开火山观测站（Cascades Volcano Observatory）并没有发现明显的火山灰云团。火山从2004年开始的持续活动被认为主要是火山口内涌出的岩浆缓慢建造火山丘和挤压的结果。

火山灾害

在圣海伦斯火山活动的可能性包括恢复熔岩穹丘生长、玄武岩或安山岩特弗拉火山喷发和熔岩流、英契岩特弗拉火山爆发和火山碎屑流以及横扫火山上山谷的大型熔岩流。

旅游资源

圣海伦斯火山地区现已成为美国国家火山的名胜地，政府为旅游者开辟了一条专用通道，也利用这个场所来教育人民，宣传火山喷发的危险性。

这座海拔2591米的火山是美洲最活跃的火山，过去一段时间，圣海伦斯火山一直不太安分。高高的火山口经常会喷出浓浓的烟雾，站在火山附近还可以感到大地在微微颤动，地质学家将此称作“火山的低水平爆发”。尽管如此，当地政府还是解除了对圣海伦斯火山的登山禁令，想要近距离接触火山的人可以像他们一样，带上背包上山了。不过，有“低水平爆发”，就意味着危险依然存在。当地政府提醒游客，在活火山上游览随时可能出现意外，因此一定要格外注意安全。

科学研究

美国地质调查局在火山上开展了全面深入的火山监测项目，以发现新的火山活动迹象，并与联邦、州和地方机构合作，制定危机计划和风险缓解策略。

由于1980—86年和2004—2008年的火山爆发，圣海伦斯火山拥有喀斯喀特山脉所有火山中最好的地震监测网络。它也是华盛顿州和俄勒冈州级联最活跃的地震活火山。太平洋西北地震台网（PNSN）平均每个月有22个地震事件，而在火山爆发期间，这些事件的数量要多得多。虽然1970年代在圣海伦斯山附近安装了几座地震站，但1980年为应付从那年3月开始的动乱，安装了第一个完整的地震站网。从那时起，数以百万计的地震以及其他非地震信号（如岩崩、爆炸、雪崩、冰川地震、直升机）被记录下来。PNSN地震目录包括前兆活动（1980—1986年和2004年喷发之前）、与间歇性爆发性喷发相关的地震活动（1980年）和穹窿生长（1980—1986年和2004—2008年），以及喷发之间相对平静的时期（1987 — 2004年和2008年至今）。该台网记录的地震资料已用于许多研究，包括:

全球定位系统（GPS）

GPS数据记录了地球表面某一特定时间点的精确三维位置。通过比较不同时间的位置，就有可能知道发生了多少移动。

倾斜仪

在2004年至2008年圣海伦斯火山熔岩穹丘建筑喷发的整个过程中，发生了异常浅的、有规律间隔的“鼓点”地震，火山口内安装了一个倾斜仪网络，以测量可能的相关地面变形。倾斜仪记录了数以千计的倾斜事件，但每一个事件持续的时间太长，不能直接由鼓点地震引起。

影像监测

多种类型的照相机图像用于监测圣海伦斯火山的活动，包括地面数码照片、航空照片和网络摄像头图像。基于地面的数码相机可以设置在对科学家来说太危险而无法进行长期实地工作的地区，并且可以提供高质量的本地活动图像，通常集中在一个地区，几乎是实时的。航拍照片提供了一个广阔地区活动的视角。网络摄像头可以实时提供广泛和集中的视角。所有的图像都可以用来测量火山活动类型的速率和强度。例如，可以比较来自空中和地面照相机的时间序列照片，以分析地物的变化，并计算运动速度或体积的变化。

火山气体监测

火山释放的气体与地表下岩浆的类型、数量和深度直接相关。科学家测量不同火山气体的类型和数量，以便更好地了解火山的行为。天然气产量的增加或组成天然气的化学成分的变化可能是火山活动增加的第一个地表迹象。自从1980年在圣海伦斯山开始进行气体排放研究以来，基本上使用了所有收集样本的技术:直接测量地面上的喷气孔、空中测量喷发羽状物以及分析水化学中气体的含量。

热力特征监测

通过分析喷发火山的热特征，科学家们可以更好地了解活火山的活动过程。热成像数据，特别是与其他监测技术（如地震活动性、GPS测量和气体排放）一起使用时，有助于确定潜在火山灾害的性质。在2004年至2008年圣海伦斯火山爆发期间，卡斯卡德斯火山观测站的工作人员用直升机上安装的热红外（TIR）相机和光学相机并排监测火山活动。CVO的工作人员进行了观察飞行，从火山爆发时每天两次到火山爆发后熔岩穹丘突出时（天气允许的话）每周几次。热测量区分了冷热喷发事件和构造，有助于描述喷发序列。热成像显示，火山口熔岩穹丘是由一系列缓慢喷出的熔岩刺组成的。

岩石学监测

火山岩的化学和物理特征可以在连续喷发期间进行研究，以帮助科学家更好地理解火山内部发生的变化。这称为岩石学监测，最好与实时和近实时数据（如地震、变形和气体）结合使用。为了将火山监测应用于预测火山危机期间的事件，必须在火山爆发后不久收集新的样本。然而，分析样本可能需要几天的时间，因此这些方法通常不能在非常短的时间内（即，每小时或每日）火山爆发预测。然而，岩石学监测确实能让火山学家了解岩浆储藏区域的情况（如温度、粘度、深度、气体含量）以及岩浆上升的速度。这些因素对于确定火山的爆发程度很重要。对于长时间喷发（如持续数周至数年），岩石学监测在探测可能表明新岩浆正在进入火山系统的变化和帮助预测喷发结束方面具有关键作用。岩石学监测只能对第一次被送到地表的新喷发的新生物质进行，这些物质被称为新生岩石。有些火山爆发，如蒸汽爆炸，是由于浅热液系统的高压而发生的，只把较老的岩石（称为岩屑）带出地表。一些火山喷发的产物可能包括幼年期成分和岩屑成分，但只有幼年期成分才能帮助科学家了解当前的火山喷发。

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