本文最初发表于Knowable Magazine。
数百万年来，地球的表层进行着一场创造了山脉、 火山、大陆、山脊和海沟的舞蹈。
构造板块在此过程中起着关键作用。这些巨大的、不规则的地球地壳——人类居住的坚硬岩石表面——以及下方地幔上部的板块，“漂浮”在地幔更深、更热的层上。当两个板块相遇时，有时一个板块会屈服，并逐渐沉入深处，这个过程被称为俯冲。
如果这种现象沿着板块边界的整个长度发生，就会形成一条火山带，称为火山弧。除了中美洲，南美的 安第斯山脉、南太平洋的汤加、阿拉斯加的阿留申群岛、菲律宾群岛等地都有火山弧——所有这些都属于 太平洋火山地震带，那里地震和火山活动十分普遍。
中美洲火山弧相对较小，仅长1100公里。但它拥有重要且种类繁多的不同类型岩浆，其中一些在地球上是独一无二的。康奈尔大学（位于纽约州伊萨卡）地球化学家埃斯特班·加泽尔（Esteban Gazel）说，这是一个隐藏着值得研究的秘密的“地质学天堂”。他和他的两位合著者在2021年发表于《 地球与行星科学年鉴》的一篇评论中写道：“中美洲拥有丰富的条件组合，能够比较不同自然岩浆生成实验。”
中美洲诞生于一块曾经是海洋板块的区域，这是构造板块俯冲的结果。大约1.5亿年前，一个缓慢的过程开始，逐渐使火山岛在中美洲北部和南部大陆之间生长。大约300万年前，现在的哥斯达黎加和巴拿马地区最终与现代南美洲北部连接，形成了一个从阿拉斯加到火地岛的单一陆地。
在过去的11000年里，这个太平洋火山地震带的区域有70座火山活动过。火山造就了土地肥沃，促进了农业和畜牧业的发展，但也带来了死亡和人口迁移。例如，1902年，在该地区发生一系列地震后，危地马拉的圣玛丽亚火山 记录了20世纪最大、最具爆炸性的喷发之一。 1968年，哥斯达黎加的阿雷纳尔火山（Arenal volcano）爆发，造成78人死亡；2018年，危地马拉的大火山（Fuego volcano）爆发，造成100多人死亡。
加泽尔在他祖国哥斯达黎加开始了作为地球化学家的初步研究。在这篇为长度和清晰度而编辑的访谈中，他解释了中美洲的地质学如何帮助我们理解地球的演化。
什么是中美洲火山弧？
它是由数十座火山组成的排列，并非所有火山目前都活跃，从墨西哥与危地马拉北部边境延伸至哥斯达黎加中部。其中有危地马拉的大火山（Fuego）和塔胡穆尔科火山（Tajumulco）、萨尔瓦多的圣安娜火山（Santa Ana）、尼加拉瓜的马萨亚火山（Masaya）和莫莫通博火山（Momotombo），以及哥斯达黎加的阿雷纳尔火山（Arenal）和波阿斯火山（Poás）。这条火山弧是科科斯板块（Cocos plate）在加勒比板块（Caribbean plate）下方俯冲的结果。科科斯板块在太平洋的一个海岭处生成。海岭是海底断层，岩浆从中涌出。当岩浆在海岭处涌出时，它会推动板块，冷却，结晶，形成新的地壳。
当板块俯冲时，它会充满挥发性元素，主要是水和二氧化碳。在大约60公里的深度，它们变得不稳定。由于这些深度的巨大压力和高温条件，矿物会分解， 挥发物 会以一种非常特殊的形式释放出来：介于液体和气体之间的混合物，被称为超临界流体或熔体。这种流体与周围的物质相互作用，并融化地幔中的岩石。这就是形成岩浆并以熔岩形式喷发到地表的过程。
这个过程是什么时候开始的？
中美洲的火山活动历史可以追溯到数百万年前。火山弧一直在生长和演变，形成了不同的形态。它大约在1.5亿年前，也就是恐龙时代开始形成。
构造系统会移动和调整。例如，科科斯板块在火山弧1100公里的长度上，其俯冲角度并不相同；它进入加勒比板块下方的角度在不同区域也不同。这会影响火山弧的形成。
例如，大约2000万年前，火山弧位于现在的哥斯达黎加北部、今天的尼加拉瓜湖以东的圣卡洛斯平原（San Carlos plains）一带。它类似于今天的马里亚纳群岛（Mariana Islands）（日本东南方向，彼此靠近并沿南北方向排列的一组岛屿）。火山弧一直延伸到今天的墨西哥恰帕斯州（Chiapas）一带。
如今，在北美洲中部，火山弧更靠近太平洋海岸，在哥斯达黎加中部也是如此。今天看到的大多数火山都有50万至25万年的历史。但也有更年轻的火山。尼加拉瓜的塞罗内格罗火山（Cerro Negro）是最年轻的，形成于1867年。
地球在演化，并留下过去的痕迹。地球演化的篇章就写在这些岩石上。
是什么让中美洲火山弧独一无二？
这是令人难以置信的。从尼加拉瓜到哥斯达黎加的地球化学变化是地球上最极端的。意大利各地都有与哥斯达黎加岩浆化学成分相似的岩浆，但意大利的那些火山彼此之间非常相似。
在西太平洋的马里亚纳海沟，岩浆与尼加拉瓜的岩浆非常相似，但马里亚纳群岛的所有火山产生的岩浆彼此都非常相似。
意大利和马里亚纳海沟相隔数千公里，而哥斯达黎加和尼加拉瓜尽管非常靠近，它们的岩浆却存在重要的地球化学差异。在如此小的区域内存在如此极端的差异，使得中美洲成为地球上唯一具有这些特征的地方，因此是一个独特的自然实验室。
为什么会有如此大的差异？
区域差异是由俯冲角度和俯冲物质的成分控制的。中美洲火山的局部差异由火山的体积控制。非常大的火山有更多的来自地幔的熔融物质，变化较小。相比之下，较小的火山具有更多的地球化学变化。大量的岩浆会使信号均质化，而较小的岩浆量则会显示出更多的极端情况。
中美洲还拥有密度较大的海洋地壳和密度较轻的陆地地壳的组合。这意味着什么，它又教会我们什么？
这对于中美洲来说是非常独特的。在马里亚纳海沟，整个火山弧是在海洋地壳中形成的。在南美洲的 安第斯山脉，整个火山弧是在陆地地壳中形成的。在中美洲，火山弧在恰帕斯州和危地马拉的陆地地壳开始，当我们进入哥斯达黎加时，就进入了海洋地壳。哥斯达黎加的所有岩浆都是海洋火山弧岩浆，看起来非常像马里亚纳群岛的岩浆，直到大约1500万年前，情况才开始再次变化，哥斯达黎加的岩浆开始更像陆地地壳。这告诉我们，这是一个非常动态的区域。
为什么会发生这种情况？
1500万年前，一块更年轻的地壳开始抵达现在的哥斯达黎加，那就是加拉帕戈斯海山（Galapagos seamounts）——太平洋的海底山，曾经就像今天的厄瓜多尔加拉帕戈斯群岛一样。这就是所谓的“热点”，是一种将地幔深处物质带上来的热异常。这些岛屿随板块移动，下沉，最终碰撞并进入哥斯达黎加-巴拿马俯冲带，科科斯板块在那里潜入加勒比板块之下。
这块板块具有独特的地球化学特征，在中美洲的哥斯达黎加和巴拿马火山上都有体现。我多年来大量研究的结论是，哥斯达黎加并非原生陆地地壳，大约从1500万年前开始，俯冲系统中的这些海山融化，形成了地球上最年轻的陆地地壳构造带之一（“构造带”是指由一块独特的、可识别的岩层系列组成，并通过板块构造过程运输的碎片）。所以它也是一个自然实验室。
科科斯岛（Cocos Island）（太平洋上的一个岛屿和国家公园，距离哥斯达黎加海岸约500公里）是一系列海山的组成部分。这些山正在进入俯冲带并融化。随着地壳从海洋地壳演变为陆地地壳，其密度降低，使得哥斯达黎加和巴拿马从海中升起。这个过程促进了中美洲地峡的闭合，最终在约300万年前完成。火山弧的诞生有助于该区域生成沉积物，构造活动抬升了地表，直到完全闭合。
那么，科科斯岛正在靠近大陆吗？
是的。在几百万年后，它将发生俯冲，然后像今天哥斯达黎加中部波阿斯火山或伊拉苏火山（Irazú）一样再次形成火山，在那里可以看到非常明显的加拉帕戈斯特征。
您用什么工具来研究火山弧？
主要工具是火山岩，在喷发后获得，因为它们的化学成分受这些过程控制。我们使用电子显微镜、光谱仪和质谱法对它们进行分析，以推断它们的起源、年龄和演化。
这些年来，您的领域是如何发展的？
我在哥斯达黎加大学（University of Costa Rica）的 核研究中心（Nuclear Research Center）开始了火山学和地球化学的研究。我之所以在那里开始，是因为当时地质学和火山学非常偏重描述性。核物理学研究人员引入了更定量的测量方法。当我开始在美国的职业生涯时，我的科学研究变得更加数值化，描述性减少了。
在过去十年，尤其是在过去五年里，我们作为一个群体，已经迈向了一种令人难以置信的精确和定量的火山学。
这只会继续扩大。我们已经到了一个点，要成为一名现代地质学家，你必须了解地球化学设备、编程和统计学。现在有 机器学习 和人工智能，所有这些工具都与野外和实验室数据一起使用。
从地质学角度来看，这个地区的未来会怎样？
我们必须明白，在中美洲，我们生活在一个构造活跃和火山活跃的地区。在面对喷发和地震时，预防和良好的建筑确实能对挽救生命产生显著影响。因为火山将继续喷发，地震也将继续发生。这是演化的自然过程。
有什么新的研究即将进行？
2024年1月，一个由来自世界各地的专业人士组成的团队将前往哥斯达黎加的波阿斯火山（Poás volcano），测试新技术来研究火山过程，目标是有一天能够更好地预测火山喷发。来自美国的组织者是我之前的博士后导师。
我的实验室最近获得了美国国家科学基金会的资助，用于研究镁铁质成分的普林尼式喷发。普林尼式喷发是最高强度的喷发，就像摧毁庞贝的维苏威火山喷发一样。它们通常是长英质的，即二氧化硅含量高。然而，有一类镁铁质喷发，其镁和铁含量高，但也有同样的强度。在中美洲，尼加拉瓜的马萨亚火山（Masaya volcano）就记录了这样一次喷发。
中美洲如何在更广泛的范围内教会我们地球的形成？
如果我们想了解地球早期演化过程中大陆是如何形成的，中美洲是最好的研究地点之一。
如果我们想研究俯冲过程，它是如何开始的，大陆的成分是如何变化的，我们在中美洲就有这样的历史。
如果我们想研究那些旅行到地球内部、在俯冲带“访问”过地幔又重新升起来的物质样本，它们在危地马拉有暴露。危地马拉的岩石保存了这些样本。
如果我们想了解引发高强度喷发的机制，我们在尼加拉瓜和哥斯达黎加有喷发记录。
所以中美洲本身就是一个天然实验室，它将继续成为许多地质过程的研究场所。
哥斯达黎加在尼科亚半岛（Nicoya Peninsula）暴露的海洋地壳和在圣埃琳娜半岛（Santa Elena Peninsula）暴露的地幔是中美洲独特的额外例子。在圣埃琳娜，暴露着地表的陆地地幔，你可以看到被称为“橄榄石”（peridotites）的岩石，它们形成于50至70公里的深度，并通过构造活动被带到地表。这些都是极其独特且非常有趣的剖面，多年来的研究一直围绕着它们，使我们能够更好地理解地幔的结构、成分和历史。
中美洲将继续因其多样性而被研究：一个地质学的天堂。
文章由Debbie Ponchner翻译
这个故事是 Knowable en español 系列的一部分，该系列关注影响或由在美国的拉丁裔进行的科学研究，由HHMI的科学和教育媒体集团支持。
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
