数百万年来，地球上层上演了一场舞蹈，创造了山脉、火山、大陆、山脊和海沟。

构造板块在这一过程中起着关键作用。这些巨大的、不规则的地壳板块——人类居住的固体岩石表面——和底层地幔的上部“漂浮”在更深、更温暖的地幔层上。当两个板块相遇时，有时其中一个板块会让步，最终逐渐下沉到深处，这一过程被称为俯冲。

如果这种现象沿着板块边界的整个长度发生，就会形成一条火山线，称为火山弧。在南美洲的安第斯山脉、南太平洋的汤加、阿拉斯加的阿留申群岛、菲律宾群岛和中美洲等地都有火山弧，它们都是地震和火山频发的环太平洋火山带的一部分。

中美洲弧相对较小，只有680英里长。但它包含了各种不同类型的岩浆，其中一些在地球上是独一无二的。纽约伊萨卡市康奈尔大学的地球化学家埃斯特班·加泽尔说，这是一个“地质天堂”，隐藏着值得调查的秘密。“中美洲拥有丰富的条件组合，可以比较岩浆生成的不同自然实验，”他和他的两位合著者在《2021年地球与行星科学年度评论》上发表的一篇评论中写道。

由于构造板块的俯冲作用，中美洲诞生于曾经是大洋板块的地方。大约1.5亿年前，一个缓慢的过程开始了，火山岛逐渐在南北美洲大陆块体之间形成。大约300万年前，现在由哥斯达黎加和巴拿马组成的地区最终与今天南美洲的北部相连，形成了从阿拉斯加到火地岛的单一大陆。

在过去的11000年里，火山带的这部分有70座火山活跃。正如火山为农业和畜牧业的繁荣创造了肥沃的土地一样，它们也带来了死亡和流离失所的人口。例如，1902年，在该地区发生了一系列地震之后，危地马拉的圣玛丽亚火山爆发了20世纪规模最大、最具爆炸性的火山之一。1968年，哥斯达黎加阿雷纳尔火山爆发，造成78人死亡;2018年，危地马拉的富埃戈火山爆发，造成100多人死亡。

Gazel作为地球化学家在他的祖国哥斯达黎加进行了他的第一次研究。在这篇经过长度和清晰度编辑的采访中，他解释了中美洲的地质如何帮助我们理解地球的进化。

什么是中美洲火山弧?

从墨西哥和危地马拉北部的边界一直延伸到哥斯达黎加中部，这里有几十座火山，但并非所有火山目前都是活跃的。其中包括危地马拉的富埃戈火山和塔朱木尔科火山、萨尔瓦多的圣安娜火山、尼加拉瓜的马萨亚火山和莫莫通博火山、哥斯达黎加的阿雷纳尔火山和Poás火山。这条弧是科科斯板块俯冲到加勒比海板块之下的结果。科科斯板块产生于太平洋的一个山脊上。山脊是海底裂缝，岩浆从中喷发。当岩浆从山脊喷出时，它会推动板块，冷却，结晶，形成新的地壳。

当板块俯冲时，它充满了挥发性元素，主要是水和二氧化碳。在大约37英里深的地方，它们变得不稳定。由于这些深度的高压和高温条件，矿物质会分解，挥发物会以一种非常特殊的形式出现:液体和气体的混合物，这被称为超临界流体或熔体。这种流体与其他物质相互作用，融合了地幔的岩石。这是产生岩浆的过程，岩浆以熔岩的形式来到地表。

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。这个弧线一直在成长和演变，创造出不同的版本。它大约在1.5亿年前恐龙时代开始形成。

构造系统运动并自我调节。例如，科科斯板块沿着圆弧1100公里(680英里)的方向没有相同的俯冲角度;它进入加勒比海板块下面的方式——它的进入角度——在不同的地区是不同的。这会影响电弧的形成。

例如，大约2000万年前，这个弧线位于圣卡洛斯平原——现在哥斯达黎加的北部——和今天尼加拉瓜湖的东部。它类似于今天的马里亚纳群岛(一组由北向南排列，彼此靠近，位于日本东南部的岛屿)。这条弧线一直延伸到今天的墨西哥恰帕斯。

今天，这条弧线更靠近中美洲北部的太平洋海岸和哥斯达黎加中部。你今天看到的大多数火山都有50万到25万年的历史。但也有更年轻的火山。尼加拉瓜的Cerro Negro是最年轻的，建于1867年。

地球进化了，留下了旧版本。地球演化的篇章就写在这些岩石上。

中美洲火山弧的独特之处是什么?

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。意大利各地的岩浆在化学成分上与哥斯达黎加的岩浆相似，但意大利所有的火山都非常相似。

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，但马里亚纳所有火山产生的岩浆彼此非常相似。

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虽然距离很近，但在岩浆上却显示出重要的地球化学差异。在如此小的区域内发生的极端数量的变化使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。

为什么会有这么多的变化?

区域变化受俯冲角度和俯冲物质组成的控制。中美洲火山的局部变化受火山体积的控制。非常大的火山有更多来自地幔的熔融物质，变异性较小。相比之下，较小的火山有更多的地球化学变化。大体积的岩浆使信号均匀，小体积的岩浆向我们展示了更多的极端。

中美洲也有较致密的海洋地壳和较轻的二氧化碳ntinental地壳。这意味着什么?它教给我们什么?

这是中美洲非常独特的东西。在马里亚纳海沟，整个弧是在洋壳中发育的。在南美洲的安第斯山脉，整个弧线在大陆地壳中发育。在中美洲，弧线从恰帕斯和危地马拉的大陆地壳开始，当我们进入哥斯达黎加时，我们进入海洋地壳。哥斯达黎加的所有岩浆都是海洋弧岩浆，看起来很像马里亚纳群岛，直到大约1500万年前，情况再次发生变化，哥斯达黎加的岩浆开始看起来更像大陆地壳。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，一个更年轻的地壳开始到达现在的哥斯达黎加，以及加拉帕戈斯海山——太平洋上被淹没的海洋岛屿，曾经类似于现在厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛。这就是所谓的热点，一种从地球下地幔带来物质的热异常。这些岛屿随着板块移动，下沉，最终碰撞并进入哥斯达黎加-巴拿马俯冲带，在那里科科斯板块潜入加勒比海板块之下。

这个板块有一个独特的地球化学特征，可以在哥斯达黎加和巴拿马的火山上看到。从我多年来的大量工作中得出的结论是，哥斯达黎加不是大陆地壳，自从大约1500万年前以来，整个地球上最年轻的大陆地壳地体之一(由板块构造过程中运输的一系列独特而可识别的岩层组成的碎片)是由俯冲系统中这些海底山的融化形成的。所以它也是一个天然的实验室。

科科斯岛(位于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[310英里])是一系列海山的一部分。这些山脉正在进入俯冲带并且正在融化。随着地壳从海洋进化到大陆，它的密度降低，使得哥斯达黎加和巴拿马从海洋中出现。这一过程促成了中美洲地峡的关闭，最终在大约300万年前发生。火山弧的诞生有助于在该地区产生沉积物，构造活动使地表升高，直到完全闭合。

那么，科科斯岛离大陆越来越近了吗?

是的。几百万年后，它会俯冲下来，然后再次以火山的形式出现就像今天哥斯达黎加中部的Poás或Irazú一样，那里的加拉帕戈斯特征非常明显。

你们用什么工具来调查火山弧?

主要的工具是火山喷发后获得的火山岩，因为它们的化学成分是由这些过程控制的。我们用电子显微镜、光谱学和质谱分析来推断它们的起源、年龄和演化。

这些年来你的领域有什么发展?

我开始在哥斯达黎加大学的核研究中心做火山学和地球化学的研究。我从那里开始，因为当时的地质学和火山学都是描述性很强的。核物理研究人员进行了更多的定量测量。当我在美国开始我的职业生涯时，我的科学发展得更加数字化，更少描述性。

在过去的十年里，特别是在过去的五年里，作为一个社区，我们已经转向了一个非常精确和定量的火山学。

这只会继续扩大。我们已经处在这样一个阶段，作为一个现代地质学家，你必须了解地球化学设备，了解编程，了解统计。现在有了机器学习和人工智能，所有这些工具都与现场和实验室数据一起使用。

从地质角度看，这个地区的未来会怎样?

我们必须明白的是，在中美洲，我们生活在一个构造和火山活动区。在面对火山爆发和地震时，预防和良好的建筑在拯救生命方面确实发挥了重要作用。因为火山会不断喷发，地震也会不断发生。这是进化的自然过程。

有什么新的研究出来了?

2024年1月，一个由来自世界各地的专业人士组成的小组将前往哥斯达黎加的Poás火山，测试研究火山过程的新技术，目标是有一天更好地了解如何预测火山爆发。来自美国的组织者是我的博士后导师。

我的实验室刚刚得到了美国国家科学基金会的资助来研究普林尼火山喷发的岩浆成分。普林尼火山喷发是最高震级的喷发，就像摧毁庞贝的维苏威火山喷发一样。它们通常是长硅的，这意味着它们的二氧化硅含量很高。然而，有一组镁和铁含量高的岩浆喷发也有这样的强度。在中美洲，尼加拉瓜的马萨亚火山保持着此类喷发的记录。

中美洲教给我们什么更广泛地讲地球的形成?

如果我们想了解大陆在地球演化的早期是如何形成的，那么最好的研究地点之一就是中美洲。

如果我们想研究俯冲的过程，它是如何开始的以及大陆的组成是如何变化的，我们在中美洲就有这样的历史。

如果我们想研究那些进入地球内部的物质样本，那些“拜访”了俯冲带的地幔并再次出现的物质样本，它们就暴露在危地马拉。

如果我们想了解引发高强度火山喷发的机制，我们有尼加拉瓜和哥斯达黎加火山喷发的记录。

因此，中美洲已经是一个天然实验室，它将继续是一个可以研究许多地质过程的地方。

哥斯达黎加的独特之处还包括尼科亚半岛裸露的海洋地壳和圣埃琳娜半岛裸露的地幔。在圣埃琳娜，我们看到了裸露的陆地地幔，你可以看到被称为橄榄岩的岩石，它们形成于50至70公里(31至43英里)深处，并被构造活动带到地表。这些都是非常独特和有趣的部分，多年来一直是研究的重点，使我们能够更好地了解地幔的结构、组成和历史。

中美洲将继续因其多样性而受到研究:它是一个地质天堂。

文章由Debbie Ponchner翻译

这个故事是Knowable en espa?ol科学系列的一部分，该系列是由HHMI的科学和教育媒体集团支持的，影响或由美国拉丁裔人进行的。

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