2021年1月3日 星期日

黃石國家公園(Yellowstone National Park) - 地質和自然簡介

 地質歷史

黃石國家公園的地底下是一個超大的岩漿庫,長60公里,寬29公里,高5~12公里不等,也因為其規模是北美最大的火山系統,爆發力度異常龐大所以被稱做超級火山,由下圖可看出黃石國家公園的火山活動主要發生在過去210萬年間的3次大爆發。

該火山已知最猛烈的一次爆發(也是第一次)發生在210萬年前,一共噴出了約2450立方公里的火山物質,並且創造出了帕克島火山口(Island Park Caldera)。

第二次爆發規模稍小,發生在130萬年前,這次形成的火山口叫亨利支流火山口(Henry's Fork Caldera),名字是紀念以前的密蘇里毛皮公司(Missouri Fur Company)的貿易商安卓.亨利(Andrew Henry);Fork意思是支流,這個地點位於蛇河(Snake River)的支流。在下圖左方藍色字體的Island Park下方仍可以依稀見到一個半圓形的火山口,這就是亨利支流火山口,是目前唯一還看得出火山口形狀的。它的西半部和較早的帕克島火山口重疊,不過帕克島火山口大得多,向東一路延伸至黃石國家公園,因為時間久遠已不可見。

第三次也是最接近現在的大爆發發生在64萬年前,這次噴發釋發了1000立方公里的火山灰、岩石和其它碎屑,其威力是1980年聖海倫火山爆發的1000倍。並產生了一個近1公里深,長72公里寬45公里,沉積了大量石灰岩的陷落火山口。

第三次大爆發後至今,還有約80次左右的小爆發,17.4萬年前的其中一次產生了現今的西拇指湖(West Thumb of Yellowstone Lake)。另外,地底的岩漿庫也在第三次爆發至今,在兩處形成再生圓頂(Resurgent Dome),分別是綠頭鴨湖再生圓頂(Mallard Lake Resurgent Dome)和酸溪再生圓頂(Sour Creek Resurgent Dome),形成的原因就是岩漿庫內的壓力將地表往上推而成的隆起似圓頂的地形,隨著時間的推移,在不同的地方因為岩漿的增加或減少也會產生不同程度的隆起和凹陷,像是黃石湖底下的岩漿庫在最近這個世紀就讓湖底偏南傾斜,使得南岸的樹有部分浸在水中。

熱泉型態
黃石國家公園的熱泉有下圖所示的數種景觀,由左至右分別是泥坑(Mudpots)、溫泉(Hot Springs)、錐體間歇泉(Cone Geyser)、噴泉間歇泉(Fountain Geyser)和噴氣孔(Fumaroles),另外國家公園的頁面還有介紹第6種景觀,就是鈣華梯田(Travertine Terraces)。這些都是因為雨水和雪水滲入地表,再被公園地底深處的岩漿庫加熱後,沿著地底通道上升到地面所產生。

1. 泥坑(Mudpots):形成的原因是微生物將黃石公園地底岩漿庫中產生的硫化氫氣體轉化為硫酸,硫酸再將周遭的岩石和土壤腐蝕成爛泥,可在泥火山和硫磺火口這區看到很多例子。

2. 溫泉(Hot Springs):地底上來的超熱泉水在過程中被接近地表的水冷卻,因此成為溫泉,溫泉的地表開口都較大,讓冷熱水可以對流。不過有時在溫泉內沸騰的水也會導致噴發,讓溫泉表現的也像間歇泉一樣。

3. 噴泉間歇泉(Fountain Geyser):間歇泉和溫泉不同的地方就是間歇泉會不定時或週期性的噴發,通常間歇泉的下方都會有個腔體(pocket),當接近沸點的蒸氣持續累積在腔體內,地底的壓力超過地表的壓力時,蒸氣就會將地底的泉水擠壓噴出。噴泉間歇泉的開口通常很寬闊,噴出的泉水會向各方向溢流。

4. 錐體間歇泉(Cone Geyser):錐體間歇泉和噴泉間歇泉的差別是錐體間歇泉通常在地表開口處較狹窄,所以每次噴發都會噴出很強力的水柱,因為開孔較小,噴出的水都會集中在噴口附近,久而久之泉水中的矽(從火山岩中的玄武岩和流紋岩溶解產生)堆積在噴口周遭,形成錐狀攏起。

5. 噴氣孔(Fumaroles):如果地下通道是幾乎乾的,那地底的岩漿把少量的水加熱變成水蒸氣,在沿著通道上升冒出地面,就成了只會噴氣的噴氣孔,可在噴泉顏料罐這區看到一些不錯的例子,咆嘯山脈(Roaring Mountain)也是一個很好的觀察區域。

6. 鈣華梯田(Travertine Terraces):熱泉從石灰岩層湧出,溶解碳酸鈣後將鈣質層積在週遭,因而形成鈣華梯田,猛獁象溫泉區就是這種景觀的代表。

嗜熱生物
在接下來介紹黃石國家公園的12篇文章中,會常常提到嗜熱生物(Thermophiles),一開始我以為這是嗜熱菌,結果發現在寫的過程中也常常會出現藻類,覺得很納悶,後來在諾里斯盆地的介紹小冊子中,看到了對這個字的解釋,原來它分成下列4種,所以翻譯成嗜熱生物較為正確。它們也是造成黃石國家公園內地熱景觀色彩豐富的原因。

1. 細菌(bacteria)
這個界包含會造成疾病、肥沃土壤、回收物質和供應氧氣、氮氣和水的各種細菌,造成疾病的佔少數,大部分如藍藻類細菌(Cyanobacteria)在地球的生態系統中反而是非常重要的角色,因為早在24億年前它們就是地球上第一種行光合作用的生物,利用光合作用產生氧氣,沒有它們,人類就不可能活在地球上。在黃石國家公園內,細菌指的是能代謝鐵和其他礦物質的菌種,例如棲熱菌(Thermus)可以將砷氧化,使其毒性較低。它們通常會將彼此串在一起形成菌絲,用來抓附有機物質形成小生態系統。另外,研究這裡的細菌對人類也有重大的貢獻,1960年代末期,湯瑪斯.布洛克博士(Dr. Thomas Brock)首先發現了水生棲熱菌(Thermus Aquaticus);數十年後的1993年,凱利.穆利斯博士(Kary Mullis)利用從此細菌分離出的一種叫Taq聚合酶(Taq Polymerase)的東西發明了聚合酶鍊式反應(PCR),可以在生物體外複製特定DNA片段的核酸合成技術,可用來鑑定基因、診斷遺傳疾病、分析遠古DNA、犯罪現場鑑定、治療癌症、診斷愛滋病...等對人類有很大貢獻的功用。

2. 古菌(Archaea)
這個界本來被認為屬於細菌界,但後來發現它們的基因和細菌不同,因此科學家認為它們是在古代溫度較高的地球時代就存在並和祖先沒有太大差異。它們是嗜熱生物中最耐熱耐酸的,住在黃石公園沸騰和強酸的泉水中,這種單細胞生物沒有細胞核,卻有一個特別且很強壯的細胞壁,含有分子和酵素可以將強酸阻絕於外,細胞內部也有酵素讓細胞內的環境不要太酸。在大稜鏡溫泉、諾里斯間歇泉盆地和泥火山區這幾個極熱極酸的地方都可以發現它們的蹤跡,例如諾里斯間歇泉盆地裡的代表大會池(Congress Pool)內的硫化裂片菌(Sulfolobus)。

3. 真核生物(Eukarya)
在這個界中包含了植物、動物和真菌,在黃石國家公園內這類生物大都是以藻類的形態存在,最明顯的就是在諾里斯盆地綠色的溫泉紅藻(Cyanidioschyzon)和黑色和膝接藻(Zygogonium)。較大的真核生物代表為水蠅(ephydird flies),它們棲息在地熱毯上(thermophilic mats),吃週遭的藻類存活,而它們也是蜘蛛、昆蟲和鳥類的食物,另外有些真核生物如鐘形蟲(Vorticella)也會吃嗜熱菌。有一種嗜熱真核生物則對人類有害,為阿米巴原蟲的一種,叫福氏奈格里蟲(Naegleria),人類若是泡溫泉時吸入會引發致死腦膜炎。

4. 病毒(Viruses)
黃石公園內的病毒和一般認為會致病的病毒不同,因為這裡的病毒可以存活在嚴苛的生存條件下,人類的身體對它們來說溫度太低。諾里斯間歇泉盆地裡的代表大會池(Congress Pool)內,發現一種會寄生在硫化裂片菌(Sulfolobus)的病毒。

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