日本活動火山監(jiān)測與減災

藤田英輔

前 言

日本位于歐亞板塊之上，由于長期受太平洋板塊和菲律賓海板塊的俯沖作用，形成了111座活火山，這些火山是環(huán)太平洋火山帶的重要組成部分（圖1）。雖然這些火山時常威脅人類的生命和財產(chǎn)，但同時也為我們帶來了更多的財富。

在日本歷史上，共有30多次火山噴發(fā)造成了人類傷亡，其中造成傷亡人數(shù)最多的火山噴發(fā)記錄是1792年的云仙岳火山噴發(fā)，引發(fā)的海嘯造成了大約15000人死亡。富士山最近的一次火山噴發(fā)發(fā)生在日本寶永四年（1707年），因此被稱為“寶永大噴發(fā)”。“寶永大噴發(fā)”的噴發(fā)模式屬于普林尼式噴發(fā)，噴發(fā)物體積達到7億立方米，覆蓋了整個關東地區(qū)，其中江戶（東京的舊稱）被厚達5cm的火山灰所覆蓋。另一次災難性的火山噴發(fā)為1783年的阿薩馬火山噴發(fā)，該火山位于東京北部，火山噴發(fā)形成的火山碎屑流造成了約1400人死亡，且此次火山噴發(fā)使關東北部地區(qū)長期遭受火山泥石流災害。

因此，研究火山災害防御對人類生命和財產(chǎn)安全具有重要意義，我們需要從科學研究和政策制定方面付出更多努力來減少火山災害。

火山災害防御對策

根據(jù)《災害防御對策基本法》，內閣府制定了火山災害防御機構系統(tǒng)（圖2）。此外，《活火山特別措施法》規(guī)定了活火山附近的人類、生命和工業(yè)的評估與規(guī)劃程序?；罨鹕礁浇牡胤秸块T在安全時期和危機時期都必須嚴格執(zhí)行當?shù)氐臑暮Ψ烙鶎Σ摺?/p>

圖1 日本火山分布圖

與其他自然災害相比，火山災害類型多樣。因此，制定火山災害區(qū)劃圖非常復雜。在火山口附近，主要的火山災害類型為火山拋射物和火山氣體；在火山側翼上，主要的火山災害類型為火山碎屑流、涌浪、爆炸沖擊波和熔巖流。火山灰是影響范圍最廣的噴出物，對于全球氣候影響巨大；泥石流是影響時間最長的火山災害，在火山噴發(fā)很久后仍可形成。

火山災害區(qū)劃圖是在內閣辦公室的指導下，通過對各種火山災害，包括火山灰、火山碎屑流、熔巖流和火山拋射物等分析研究后制定出來的?；鹕綖暮^(qū)劃圖根據(jù)其制作方式可以分為兩大類：一類是經(jīng)驗圖，即根據(jù)歷史噴發(fā)研究和記錄制定的火山災害區(qū)劃圖；另一類是使用數(shù)值模擬生成的災害區(qū)劃圖?；鹕綖暮Ψ秶饕苫鹕絿姲l(fā)規(guī)模決定，數(shù)值模擬制定火山災害區(qū)劃圖的噴發(fā)參數(shù)都在相關文件中有明確規(guī)定。

圖2 日本火山災害防御機構圖

在吸取了2014箱根火山噴發(fā)的教訓后，日本的50座實時在線監(jiān)測火山都成立了“火山防災委員會”（詳見“日本最近的火山災害”）?；鹕椒罏奈瘑T會主要負責制定火山災害區(qū)劃圖、火山預警等級和疏散計劃，主要由縣/市政當局、民防當局、警察、消防部分、救援公司和火山學家組成。

為了應對由火山噴發(fā)引起的泥石流，國土交通省制定了“火山災害應急對策”，主要為火山災害防御提供硬件設施（如泥石流壩）和軟件設施（如實時災害圖）。

火山監(jiān)測與預警

從100多年前開始，火山學家開始利用機械傳感器監(jiān)測火山，特別是地震觀測技術的應用，使火山監(jiān)測與預警能力大幅提高。日本的第一次火山地震記錄是1888年發(fā)生的磐梯山扇形崩塌。在火山區(qū)，地震儀可以監(jiān)測到地下巖漿遷移產(chǎn)生的各種類型的地震波?；鹕綐嬙斓卣穑╒T）形成的地震波形具有很清晰的P波和S波，但其震級比普通地震小?；鹕絽^(qū)地震儀時常會監(jiān)測到長周期事件（LP），可能與地下流體或巖漿的遷移有關。另外，火山顫震等長周期特征事件也可能與地下流體遷移過程有關，特別是火山淺部流體的遷移。

地表形變觀測是火山監(jiān)測重要手段之一，對短期和長期的地下巖漿活動監(jiān)測更靈敏。地表形變觀測一般使用水平儀、應變儀和全球定位系統(tǒng)（GNSS）連續(xù)觀測火山的地表形變狀態(tài)，這些技術已非常成熟，并多次成功的預測了火山噴發(fā)。

日本氣象廳（JMA）負責監(jiān)測和發(fā)布日本火山危險警報。氣象廳負責全國50座重要的活火山的監(jiān)測網(wǎng)絡，這些監(jiān)測網(wǎng)絡通常裝備有地震儀、水平儀、應變儀、次聲和可視攝像機，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)全年24小時不斷的實時傳輸?shù)綒庀髲d的四個火山觀測站和預警中心。同時，大學研究人員會根據(jù)研究項目布設監(jiān)測網(wǎng)絡，這些研究數(shù)據(jù)也會傳輸?shù)饺毡練庀髲d監(jiān)測系統(tǒng)。國立地球科學和防災研究所為全國16座火山建立了“火山監(jiān)測系統(tǒng)”，主要設備為鉆孔型高靈敏度地震儀和水平儀、寬頻地震儀和全球定位系統(tǒng)（GNSS）(圖3)。日本地理空間信息管理局負責的“地理信息網(wǎng)絡” 系統(tǒng)中的1300個GNSS臺站數(shù)據(jù)也被應用于火山活動監(jiān)測與評估。

圖3 日本火山監(jiān)測系統(tǒng)中的16座火山分布圖和火山監(jiān)測系統(tǒng)的主要設備

火山警報一般由日本氣象廳的火山觀測與預警中心根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布，然后通過媒體和當?shù)叵嚓P部門通知到本地居民?；鹕骄瘓笮畔⑼ǔ０ā盎鹕骄瘓蟆焙汀熬瘓蠹墑e”信息。根據(jù)火山危險區(qū)域的不同，“火山警報”分為“預測”“警告”“緊急警告”三種類型?！盎鹕骄瘓蠹墑e”根據(jù)預先制訂的疏散計劃分為五個等級，分別為：等級1：火山活躍性增加；等級2：遠離火山口；等級3：遠離火山；等級4：準備撤離；等級5：迅速撤離。

火山爆發(fā)預測協(xié)調委員會（CCPVE，秘書處位于日本氣象廳）是日本氣象廳的顧問委員會，每4個月舉行一次，主要成員包括大學和研究機構的教授和相關部委的專業(yè)人員。根據(jù)火山爆發(fā)預測協(xié)調委員會的討論結果，日本氣象廳通常會發(fā)布新聞發(fā)布會，例如發(fā)布正在進行的火山噴發(fā)活動情況。然后，地方政府市長會根據(jù)日本氣象廳的火山災害評估結果判斷是否進行緊急疏散。

日本最近的火山災害

通常情況下，我們的火山監(jiān)測網(wǎng)絡能夠監(jiān)測到火山下部的異常信號，并多次成功發(fā)布預警信息以減少災害。然而，確實發(fā)生過很多次我們未成功預測的火山噴發(fā)，尤其是小型射汽噴發(fā)活動。在此，我們總結了日本最近的一些火山噴發(fā)事件。

2011—2018年 新燃岳和霧島山噴發(fā)

新燃岳和霧島火山位于日本九州南部，自2011年來發(fā)生過多次間歇性火山噴發(fā)（圖4）。其中2011年的火山噴發(fā)是過去300年來的第一次巖漿噴發(fā)，其噴發(fā)物體積約為2.1×107～2.7×107m3，火山爆發(fā)指數(shù)（VEI）為3。在主火山噴發(fā)前，發(fā)生了多次小規(guī)模的噴發(fā)活動，而在1月26日劇烈的次布里尼式火山噴發(fā)后，火口頂部形成了熔巖穹隆，并引發(fā)多次不連續(xù)的火山噴發(fā)，并持續(xù)了約3個月。2012—2016年發(fā)生過多次火山地震群，并且GNSS數(shù)據(jù)顯示深度為8km的巖漿房從2014年開始再次膨脹。從2017年9月23日開始，火山地震活動迅速增強，日本氣象局在10月5日將火山警戒等級從Ⅰ提高到Ⅱ。隨后，在10月11日發(fā)生了小規(guī)模的火山噴發(fā)并一直持續(xù)到17日。在2018年3月17日，火山地震活動再次增強，在火山口頂部形成熔巖薄餅，之后也發(fā)生過多次間歇性小規(guī)模噴發(fā)。在新燃岳火山活動期間，巖漿房的收縮和擴張都可以通過地表形變數(shù)據(jù)和地震活動觀測到，火山噴出的火山灰覆蓋了周邊地區(qū)，對農(nóng)業(yè)等行業(yè)造成了巨大的損失。

2014年箱根火山噴發(fā)

2014年的箱根火山噴發(fā)為射汽噴發(fā)，但由于發(fā)生在周六中午，很多登山人員在山頂，導致58人不幸遇難且5人失蹤。在火山噴發(fā)前大約15天，也就是9月10日和11日，這里有地震群記錄，但是自1979年最后一次射汽噴發(fā)以來，這種規(guī)模的地震群活動時常出現(xiàn)。因此，9月11日出現(xiàn)的地震群很難確定為火山噴發(fā)前兆，所以沒有提前提高火山警戒等級。在火山噴發(fā)之后，詳細的數(shù)據(jù)分析顯示在噴發(fā)前的11分鐘有一個前兆地震群，且噴發(fā)前7分鐘出現(xiàn)了明顯的地表快速膨脹形變。

2018年草津白根火山噴發(fā)

草津白根山火山位于東京北部150km，是一座復式火山，主要由白根山、逢之峰、本白根山組成。1805年之后的火山噴發(fā)都發(fā)生在白根山火山口附近，且主要為射汽噴發(fā)?；鹕奖O(jiān)測數(shù)據(jù)顯示湯釜火山口和本白根山下部的淺層熱液系統(tǒng)出現(xiàn)膨脹，使火山警戒等級提高。2018年1月23日，距離湯釜火山口約2km處的本白根火山口發(fā)生了小規(guī)模的射汽噴發(fā)，本次火山噴發(fā)也未成功預測，造成了一人死亡。本次火山噴發(fā)前3分鐘，地震儀和水平儀顯示巖漿房出現(xiàn)膨脹(圖 5)。

圖4 新燃岳火山噴發(fā)（a）2011年噴發(fā)；（b）2018年火山噴發(fā)在火山口頂部形成的薄餅狀熔巖；（c）近8年的基線變化圖；（d）火山口內薄餅狀熔巖的InSAR分析研究；（e）薄餅狀熔巖上固定點的垂直位移變化

圖5 2018年1月23日草津白根山火山射汽噴發(fā)，由V-網(wǎng)絡記錄的地震與水平儀變化前兆現(xiàn)象。紅色箭頭表示噴發(fā)前的傾斜方向。紅色虛線表示火山灰覆蓋邊界，黑色虛線為火山灰分布中心軸

總結與下一步計劃

火山監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析是判斷火山活動性的最基本方法，只有不斷努力，研究火山噴發(fā)前兆異常信號，才能降低火山噴發(fā)造成的災害。此外，提高火山監(jiān)測軟件和硬件技術對于火山災害防御也具有重要意義，例如從工程技術的角度來減少泥石流災害。然而，自然災害的復雜程度遠超我們現(xiàn)在的認知，還有很多問題需要我們不斷研究。

東京都地區(qū)的火山灰沉降對策

富士山位于東京以西約100km處，一旦發(fā)生類似于1707年“寶永大噴發(fā)”規(guī)模的火山噴發(fā)，東京都地區(qū)將會被幾厘米深的火山灰覆蓋（圖6）。對此，政府已開始研究更加切實可行的疏散、后勤保障和除灰對策。

小規(guī)模射汽噴發(fā)監(jiān)測

根據(jù)2014年的箱根火山噴發(fā)和2018年的草津白根山噴發(fā)記錄，小型的射汽噴發(fā)也會出現(xiàn)一些前兆現(xiàn)象，雖然這些異常信號非常微弱且只出現(xiàn)在噴發(fā)前數(shù)分鐘內。因此，很有必要在火山口附近區(qū)域建立密集的監(jiān)測網(wǎng)絡來發(fā)現(xiàn)噴發(fā)前的微小信號，并通過實時預警系統(tǒng)通知疏散。

超級火山噴發(fā)監(jiān)測

超級火山噴發(fā)是指超大規(guī)模的火山噴發(fā)，一般會形成破火山口，是火山災害監(jiān)測的重要對象之一。在日本九州地區(qū)，分布眾多破火山口。日本阿蘇山破火山口是世界上最大的破火山口之一，其南北長約25km，東西長約18km，由27萬年前至9萬年前的四次大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)形成。日本始良火山口直徑約為20km，由2萬9千年前的大規(guī)模噴發(fā)形成。此后，從2萬6千年前開始，沿著始良火山口周圍形成櫻島火山。日本的鬼界破火山口位于九州島的南部，形成于約7300年前，是日本最新形成的破火山口。因此，對于超級火山噴發(fā)，火山學家只能從地質證據(jù)來研究火山口的形成過程，而無法研究超級火山噴發(fā)的前兆現(xiàn)象及其前兆時間。目前，雖然有火山學家提出了一些破火山口形成的理論模型，但這些理論模型仍具有較大的爭議。

日本境內分布著111座活火山，雖然它們?yōu)槲覀內祟愄峁┝吮姸嗷鹕截敻?，但火山監(jiān)測和災害防御仍任重而道遠，希望我們未來能盡量減少火山噴發(fā)造成的災害。

致謝

衷心感謝Setsuya Nakada, Taku Ozawa, Hideki Ueda,Masashi Nagai及 Yuhki Kohno和日本國立地球化學與防災研究所為本文提供照片和插圖。