美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目與2018年夏威夷基拉維厄火山噴發(fā)概況

Walter Mooney

引 言

在美國，尤其是美國西部、阿拉斯加和夏威夷等地區(qū)，火山噴發(fā)的危險性極高。為了減少火山災(zāi)害的影響，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）成立了火山災(zāi)害項目（VHP）。該項目對美國危險火山進行監(jiān)測和研究，廣泛收集并分析地球物理和地質(zhì)數(shù)據(jù)，以確保人民生命財產(chǎn)安全，并向公眾、科學家以及災(zāi)害政策制定者傳達相關(guān)信息。作為美國最活躍的火山之一，夏威夷基拉維厄火山是火山災(zāi)害項目（VHP）的重點監(jiān)測對象（圖1）。該火山幾乎保持持續(xù)噴發(fā)狀態(tài)，使周圍地區(qū)遭受了巨大的災(zāi)害。因此，很有必要對該火山的地質(zhì)歷史和現(xiàn)今活動狀態(tài)進行詳細研究，盡量減少火山災(zāi)害的危害。

美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目（VHP）介紹

（一）項目介紹

美國地質(zhì)調(diào)查局的火山災(zāi)害項目是美國內(nèi)政部的一部分，負責管理5個火山監(jiān)測站的運行與維護。每個火山監(jiān)測站負責一片特定的火山危險區(qū)域內(nèi)的活躍火山和潛在活躍火山的監(jiān)測任務(wù)，其中的3個監(jiān)測站位于美國西海岸，另外兩個監(jiān)測站分別位于夏威夷和懷俄明州的黃石國家公園內(nèi)（圖2）。

火山災(zāi)害項目的主要目的是對火山進行詳細研究，弄清其動力過程，以盡量減少火山災(zāi)害風險。通過詳細的火山地質(zhì)填圖工作和年代學測試工作，可以判斷火山噴發(fā)時代和期次，對于評估火山未來可能產(chǎn)生的災(zāi)害具有重要意義?；鹕奖O(jiān)測站對地震、地形變化、水文和地球化學特征進行實時或非實時觀測（圖3），這些火山詳細研究資料對實施火山減災(zāi)計劃具有重大作用。

火山監(jiān)測站根據(jù)監(jiān)測資料的分析結(jié)果，向公眾發(fā)布緊急和遠期的火山災(zāi)害信息，主要包括災(zāi)害及疏散通知、報告、災(zāi)害地圖、災(zāi)害評估及相關(guān)新聞。根據(jù)地質(zhì)記錄，火山監(jiān)測站負責匯編有關(guān)的火山信息，提供火山活動狀態(tài)和遠期活動預(yù)測結(jié)果，并出版火山危險災(zāi)害地圖。短期災(zāi)害評估包括緊急災(zāi)害通告、疏散路線和短期火山災(zāi)害地圖，并通過多種方式傳達給公眾；而遠期火山災(zāi)害評估結(jié)果發(fā)布在美國地質(zhì)調(diào)查局的火山災(zāi)害項目官方網(wǎng)站上。

（二）數(shù)據(jù)收集

1.地震

地震活動觀測是火山監(jiān)測的重要手段之一，主要是通過地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將地震數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)交鹕奖O(jiān)測站進行分析。根據(jù)火山危險等級，地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一般由布設(shè)在火山周圍20km內(nèi)的6～16臺地震儀組成（圖4）。由地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)收集的地震數(shù)據(jù)一般經(jīng)系統(tǒng)自動分析，判斷火山活動性的強弱。同時，科學家通過分析地震數(shù)據(jù)可以預(yù)測火山活動，特別是在火山噴發(fā)前產(chǎn)生的地震群具有重要指示意義。雖然地震群不一定會導致火山噴發(fā)，但地震學家根據(jù)火山構(gòu)造地震（由巖漿和氣體遷移導致的脆性破裂）和低頻地震（由巖漿和氣體上升遷移導致的破裂）和顫動（持續(xù)的高振幅信號；由一系列的巖漿遷移、火山構(gòu)造、地震和低頻地震及氣體因素導致）可判斷地下巖漿遷移和變化過程。

圖1 基拉維厄火山口及美國地質(zhì)調(diào)查局夏威夷火山監(jiān)測站鳥瞰圖

圖2 火山災(zāi)害項目管理的火山監(jiān)測站及相關(guān)設(shè)施。AVO指阿拉斯加火山監(jiān)測站，CVO指喀斯喀特火山監(jiān)測站，HVO指夏威夷火山監(jiān)測站，LVO指長谷火山監(jiān)測站（現(xiàn)為加利福尼亞火山監(jiān)測站CalVO），YVO指黃石火山監(jiān)測站。

圖3 美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目使用的數(shù)據(jù)收集方法

圖4 美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目在華盛頓布設(shè)的地震儀，通常安置在地表之上，便于監(jiān)管

2.地形變

地表形變是一項非常靈敏的火山監(jiān)測技術(shù)手段，厘米級別及以上的地表形變是火山活動狀態(tài)改變的標志。巖漿和流體的遷移過程都可以導致火山內(nèi)部發(fā)生膨脹、收縮和破裂，從而導致地表產(chǎn)生形變。主要的監(jiān)測儀器有：全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器、水平儀、應(yīng)變儀和衛(wèi)星。GPS系統(tǒng)由一系列地球同步軌道衛(wèi)星組成，信號接收器通過接收多顆衛(wèi)星發(fā)射的電磁波可以計算出具體位置。在火山周圍布置多顆GPS信號接收器，是一種相對低成本的地表形變監(jiān)測方法（圖5）。水平儀通常布設(shè)在淺部鉆孔內(nèi)，通過測量水平儀的角度變化而達到淺層地殼形變監(jiān)測的目的。應(yīng)變儀通常由充滿液體的容器或一對平行的板組成，一般埋藏于鉆孔中。由于巖漿遷移導致的地殼形變通常會改變鉆孔的形狀，固定的應(yīng)變儀能監(jiān)測到地殼的變化。干涉合成孔徑雷達（InSAR）形成的雷達圖像可用于遠程繪制整個區(qū)域的地表形變，其精度可達一厘米內(nèi)。通過對比同一區(qū)域的不同時間的InSAR圖像，可以計算出該區(qū)域地表的垂直變化，其優(yōu)點是可以遠程監(jiān)測危險區(qū)域，能在夜間工作且不受大多數(shù)天氣的影響。通過分析上述地形變監(jiān)測數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)，火山災(zāi)害項目科學家可以判斷火山內(nèi)部活動狀態(tài)。

圖5 夏威夷大學在基拉維厄火山邊緣布設(shè)的GPS信號接收器

3.氣體和水

隨著巖漿上升遷移，溶解在巖漿中的氣體會由于壓力的降低而與巖漿分離，密度小于巖漿的氣體，會最先沿著巖漿通道或斷裂逸出到地表。氣體的濃度和排放速率反映了巖漿體的組成成分、規(guī)模和位置分布，所以，在火山監(jiān)測中，逸出到地表的火山氣體的濃度和排放速率是重點監(jiān)測對象。其中，二氧化碳和二氧化硫是火山氣體監(jiān)測中最重要的指標。二氧化碳通常在相對較深處與巖漿分離，因此，二氧化碳濃度的增加可能揭示新的巖漿補給。相反，二氧化硫在相對較淺的區(qū)域與巖漿分離，其濃度的增加可能表明熔巖已上升到地表或正在內(nèi)部噴發(fā)。

氣體采樣方式多樣，主要是在高濃度二氧化碳氣體溢出口布設(shè)多種氣體采集和測試裝置，通過光學和電化學傳感器測量多種氣體成分和參數(shù)，包括溫度和壓力等。氣體采集和測試區(qū)域也可以為噴氣孔、沿著地表微小裂縫和長裂縫，以及沿著新鮮熔巖和火山碎屑流表面（圖6）。此外，使用光譜儀也可以遠程測量某些氣體的濃度，如二氧化硫。

（三）火山災(zāi)害疏散警報

圖6 美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目組科學家在黃石公園的鵜鶘河采集氣體樣品

圖7 美國地質(zhì)調(diào)查局分布于全世界的火山災(zāi)害援助項目（VDAP）

美國地質(zhì)調(diào)查局火山災(zāi)害項目負責發(fā)送火山警報，向公眾傳達火山活動狀態(tài)等信息。該項目負責的5個火山監(jiān)測站向當?shù)氐南嚓P(guān)群體發(fā)送火山活動通知、每日/每周/每月更新狀態(tài)報告、火山航空通告和火山警報。根據(jù)信息接收群體、火山危險性的等級和監(jiān)測站的不同，火山警報類型和通知方式也存在區(qū)別。在火山危險期，火山災(zāi)害項目的科學家需盡快確定火山災(zāi)害類型及危險區(qū)域，以便采取相應(yīng)的緊急措施。并非所有的警報和應(yīng)急計劃都由火山災(zāi)害項目負責處理，例如，火山警報和疏散通知由政府部門執(zhí)行。

（四）火山災(zāi)害援助項目（VDAP）

火山災(zāi)害援助項目（VDAP）主要為其他國家的火山部門提供科學援助，由美國地質(zhì)調(diào)查局和美國外國災(zāi)害援助辦公室在1986年聯(lián)合成立，目前已協(xié)助12個國家處理了70多次火山緊急情況（圖7）。參與該項目的約20名美國科學家旨在為國外科學家和政府部門提供專業(yè)的科學知識和技術(shù)資源，包括在火山噴發(fā)前、噴發(fā)期間和噴發(fā)后提供美國的監(jiān)測工具，如地震、衛(wèi)星、GPS和氣體監(jiān)測裝備等。美國科學家根據(jù)外方科學家的請求，協(xié)助進行火山災(zāi)害監(jiān)測、火山活動預(yù)測、早期預(yù)警評估與制定和國際救援機構(gòu)溝通等工作。

VDAP為合作雙贏的項目，使美國和外國政府都直接從合作中收益。通過協(xié)助其他國家進行火山監(jiān)測與減災(zāi)工作，美國地質(zhì)調(diào)查局火山學家不僅加強了國際合作，而且獲得第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為美國火山災(zāi)害政策的制定提供了科學的經(jīng)驗和方法。

（五）美國地質(zhì)調(diào)查局的五個火山監(jiān)測站

1. 阿拉斯加火山監(jiān)測站

阿拉斯加火山監(jiān)測站（AVO）由阿拉斯加費爾班克斯大學地球物理研究所、阿拉斯加地質(zhì)和地球物理調(diào)查局和美國地質(zhì)調(diào)查局共同管理，主要依靠地震數(shù)據(jù)監(jiān)測整個阿拉斯加的20多座火山（圖8）。同時，結(jié)合衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，阿拉斯加火山監(jiān)測站可以更準確的評估火山活動并向公眾傳達緊急情況。此外，阿拉斯加火山監(jiān)測站還通過電子郵件發(fā)送每周火山活動和調(diào)查報告。

2. 加利福尼亞火山監(jiān)測站

圖8 火山災(zāi)害項目在阿斯拉加設(shè)立的火山監(jiān)測系統(tǒng)

加利福尼亞火山監(jiān)測站（CalVO）于2012年在長谷火山監(jiān)測站的基礎(chǔ)上改建而成，主要負責加利福尼亞州和內(nèi)華達州的14座火山監(jiān)測任務(wù)，監(jiān)測儀器包括GPS和氣相色譜儀等（圖9）。該監(jiān)測站以火山警報的形式向公眾、媒體和政府發(fā)布火山活動危險變化情況，發(fā)布途徑包括電子郵件、電話、傳真和會議。

3.喀斯喀特火山監(jiān)測站

喀斯喀特火山監(jiān)測站（CVO）位于華盛頓州溫哥華市，負責監(jiān)測整個華盛頓州、俄勒岡州和愛達荷州的火山，同時負責美國地質(zhì)調(diào)查局的火山災(zāi)害援助項目（圖10）。該火山監(jiān)測站負責與媒體和公眾交流，并管理美國地質(zhì)調(diào)查局的火山社交媒體。火山監(jiān)測站內(nèi)設(shè)有沉積實驗室，主要為美國地質(zhì)調(diào)查局、大學和其他政府機構(gòu)與合作伙伴測試分析樣品，以更好地了解火山。

4. 黃石火山監(jiān)測站

黃石火山監(jiān)測站（YVO）由8個組織共同建立，歸美國地質(zhì)調(diào)查局管理（圖11）。國家公園管理局、國家自然科學基金委和各大學的科學家共同合作，對黃石火山區(qū)及周邊區(qū)域進行科學研究。研究信息在各個組織中和火山監(jiān)測站之間是共享的，以便美國地質(zhì)調(diào)查局的科學家能夠有效且簡明地將重要研究成果傳達給相關(guān)部門。每個單位負責的研究重點不同，其中猶他大學主要負責地震網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測工作，國家自然科學基金委的附屬機構(gòu)(UNAVCO)負責井下應(yīng)變儀和地震儀的操作，懷俄明州和周邊州的地質(zhì)調(diào)查部門負責與各自地區(qū)的公眾交流信息。在火山爆發(fā)風險相對較低期間，黃石火山監(jiān)測站重點進行更深入的火山研究及其區(qū)域地質(zhì)背景研究，為降低黃石和其他火山災(zāi)害做好充足的準備。

5. 夏威夷火山監(jiān)測站

夏威夷火山監(jiān)測站（HVO）成立于1912年，是美國建立的第一座火山監(jiān)測站，主要負責夏威夷地區(qū)的六座活火山的監(jiān)測任務(wù)，重點監(jiān)測1970年以來發(fā)生過多次噴發(fā)的基拉維厄火山（圖12）。為了保證當?shù)氐陌踩?，夏威夷火山監(jiān)測站建立了實時火山監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，包括野外監(jiān)測站和衛(wèi)星聯(lián)合數(shù)據(jù)分析。夏威夷火山監(jiān)測站同時負責記錄和報告夏威夷地區(qū)的地震活動，這些地震數(shù)據(jù)不僅可用來進行火山監(jiān)測，還可用于夏威夷的地震活動研究。由于夏威夷火山噴發(fā)以熔巖流為主，衛(wèi)星影像常被用于跟蹤熔巖的運動過程。同時，衛(wèi)星影像也用于監(jiān)測火山氣體，特別是記錄火山氣體污染等級。

圖9 加利福尼亞火山監(jiān)測站的科學家正在進行火山監(jiān)測工作

圖10 位于華盛頓州的喀斯喀特火山監(jiān)測站

圖11 黃石火山監(jiān)測站鳥瞰圖

圖12 位于基拉維厄火山口周圍的夏威夷火山監(jiān)測站

基拉維厄火山噴發(fā)概況

（一）夏威夷群島介紹

夏威夷群島由位于北太平洋的八座主要火山島組成（圖13），其中基拉維厄火山是夏威夷地區(qū)五座活火山中最活躍的火山?；S厄火山自1983年持續(xù)噴發(fā)至今，吸引了眾多火山學家對其噴發(fā)進行研究，其中，最近的Pu'u'ō'ō火山錐噴發(fā)是夏威夷近35年來規(guī)模最大、周期最長的熔巖流噴發(fā)。

圖13 夏威夷東南地區(qū)的8座主要島嶼

圖14 夏威夷島的火山分布及規(guī)模

圖15 夏威夷火山的地面火山警報級別圖

夏威夷島，也被稱為大島，位于夏威夷群島最東南部，發(fā)育多座火山，包括L?'ihi火山、Mauna Kea火山、Hualalai火山和Haleakala火山（圖14）。夏威夷最近噴發(fā)的火山為基拉維厄火山（Kilauea）和莫納羅亞火山（Mauna Loa），兩座火山噴發(fā)都很頻繁。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局公布的火山警戒級別和航空顏色代碼指標，基拉維厄火山為“橙色等級”（圖15），表明該火山正在噴發(fā)中，需要對其進行密切的監(jiān)測。

（二）夏威夷群島的起源

夏威夷群島是數(shù)百萬年來無數(shù)次火山噴發(fā)形成的巨大火山峰，部分火山峰比洋底高9km以上。這些高于海平面的火山峰僅代表巨大的夏威夷海底山脊—帝王海山鏈的極小部分，這片區(qū)域包括80座以上大型火山，橫跨太平洋海底，從夏威夷群島延伸到阿留申海溝（圖16）。

世界上大多數(shù)的活火山沿著地殼板塊邊界分布，但夏威夷火山群島分布于太平洋板塊中間（圖17），與最近的板塊邊界相隔3200km以上，是由夏威夷熱點的火山作用形成。

1963年，地球物理學家威爾遜提出了熱點假設(shè)理論，用來解釋板內(nèi)火山活動的成因。他認為，在夏威夷群島等地發(fā)現(xiàn)的異常的火山活動可歸因于地殼板塊之下的超高溫的區(qū)域，這些高溫區(qū)域持續(xù)時間很長，能提供局部的熱能（熱柱），產(chǎn)生的巖漿形成了這些板內(nèi)火山活動。此外，威爾遜還推斷，夏威夷海底山脊——帝王海山鏈獨特的線性構(gòu)造是由太平洋板塊相對地幔中的熱能柱向西北移動造成。威爾遜的假設(shè)現(xiàn)已被廣泛接收，且大量地球物理和地質(zhì)學證據(jù)表明威爾遜假設(shè)中的夏威夷熱點現(xiàn)位于夏威夷地幔位置。

圖17 太平洋板塊構(gòu)造簡圖，顯示夏威夷熱點位于太平洋板塊中間

圖16 夏威夷海底山脊——帝王海山鏈圖

夏威夷群島在局部熱點上向西北逐漸漂移，因此，從西北到東南的主要熔巖的年齡是越來越新的。西北部的熔巖年齡最老，東南部的熔巖年齡最新：其中，Ni'ihau和Kaua'i火山噴發(fā)時代為3.8百萬～5.6百萬年；O'ahu火山噴發(fā)時代為2.2百萬～3.4百萬年；Moloka'i火山噴發(fā)時代為1.3百萬～1.8百萬年；Maui火山噴發(fā)時代為0.8百萬～1.3百萬年，夏威夷主島噴發(fā)時代小于0.7百萬年。有科學家估計夏威夷的火山熱點寬約320km，但為各個火山提供巖漿的垂直通道要窄的多。

（三）基拉維厄火山

基拉維厄火山是一座盾形火山，位于莫納羅亞火山（Mauna Loa Volcano）的東部斜坡上，主要由噴發(fā)出的酸性巖漿組成?；S厄火山位于夏威夷東南部的裂谷帶內(nèi)（圖18、圖19和圖20），與夏威夷其他島嶼的古火山相比，基拉維厄火山島缺乏古老的裸露巖石，因此地質(zhì)學家很難厘清其完整的噴發(fā)歷史?；S厄火山表面只有10%的巖石年齡超過1000年，另外90%的熔巖流被這些最新的熔巖流所覆蓋，其中20%的熔巖流年齡小于200年。

（四）2018年基拉維厄火山噴發(fā)

基拉維厄Pu'u'ō'ō火山噴發(fā)始于1983年（圖21），是500多年來基拉維厄火山東部裂谷帶內(nèi)持續(xù)時間最長、噴發(fā)規(guī)模最大的火山噴發(fā)。熔巖噴泉和熔巖流使當?shù)氐孛蔡卣靼l(fā)生了較大的改變，并多次對當?shù)鼐用裨斐蓻_擊。截至2016年年底，火山熔巖流已覆蓋144km2，噴發(fā)體積約4.4km3，為夏威夷東南海岸增加了1.79km2的新土地?；S厄火山的頂峰在1983年火山爆發(fā)后沉寂了25年，在2007年末，新的活動跡象逐漸出現(xiàn)。2007年11月至12月，二氧化硫排放量和地震活動開始超過正常的背景水平。2008年的前幾個月，氣體排放和地震活動持續(xù)增加，到3月初，這些監(jiān)測參數(shù)比正常水平高好幾倍。2008年初，隨著氣體排放量的增加，Halema'uma'u停車場周圍產(chǎn)生了高濃度的二氧化硫，使國家公園環(huán)形山道于2月20日被迫關(guān)閉。

2008年3月19日凌晨2點58分，基拉維厄峰發(fā)生了一次小地震，與此同時，福馬羅勒地區(qū)也發(fā)生了坍塌，塌陷形成了一個小坑。在接下來的幾個月里，美國地質(zhì)調(diào)查局的地質(zhì)學家偶爾透過厚厚的煙霧看到深紅色的火光（圖22）。

圖18 夏威夷熱點及其形成的火山群島簡圖

圖19 盾狀火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖20 基拉維厄火山地理位置圖

圖21 Pu'u'ō'ō火山噴發(fā)第一天的熔巖流照片

圖22 黎明時分的Halema'uma'u火山口的延時攝影照片

圖23 截至2018年8月1日上午10點，基拉維厄下東裂谷區(qū)熔巖流和裂隙分布圖。圖中紫色區(qū)域表示1840年、1955年、1960年和2014—2015年熔巖流的噴發(fā)

圖24 8號裂縫的航拍照片，熔巖沿著裂縫流到海里

2014年6月27日，Pu'u'ō'ō火山口東側(cè)翼形成了新的裂縫，這些裂縫導致卡瓦萊河停止流動。隨后，新的熔巖流迅速向東部推進，從7月至10月延伸了20km至Pāhoa社區(qū)。

從1997年至今，Pu'u'ō'ō火山的熔巖流一直以平穩(wěn)的繩狀熔巖流覆蓋于熔巖盾之上，部分沿著通道流入大海，偶爾形成新的氣體逸出口。但近期火山口發(fā)生坍塌，火山口增大，火山活動明顯增強。Leilani Estates及周邊地區(qū)的噴發(fā)異常突然，這是由Pu?u?ō?ō的一個破火山口坍塌引起的，破壞力和影響范圍都特別大。

2018年5月3日，位于基拉維厄火山東部裂谷帶低Puna噴發(fā)是一次持續(xù)的火山噴發(fā)事件，與1983年1月3日的基拉維厄火山噴發(fā)有關(guān)。熔巖噴泉的噴發(fā)高達90米，地震和地形變造成Leilani Estates地區(qū)道路破裂，使巖漿和火山氣體沿著裂縫流出和逸出。5月4日，Puna發(fā)生6.9級地震。截至2018年5月27日，Leilani Estates附近共形成了24條裂縫（圖23）。其中最引人注目的是第8條裂縫，它不斷地從火山口向東北方向噴出巖漿（圖24）。

（五）緊急疏散與管理

基拉維厄火山的熔巖覆蓋面積約14.2km2，對當?shù)鼐用竦挠绊懢薮?，其中熔巖摧毀了超過700所房屋。2018年7月的最后幾天，基拉維厄火山裂隙附近的熔巖點燃了樹木和草地，引發(fā)了夏威夷大島的森林大火，使很多房屋化為灰燼。

2018年5月31日，基拉維厄火山東部的Leilani Estates地區(qū)發(fā)布了強制性的24小時疏散命令，拒絕疏散的居民甚至會被警方拘留，緊急疏散了2000多人，并被安排住在避難所和其他臨時住所。

到目前為止，美國地質(zhì)調(diào)查局夏威夷火山監(jiān)測站依然實時監(jiān)測基拉維厄火山日常活動狀態(tài)，并在美國地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站發(fā)布基拉維厄火山噴發(fā)的最新信息。