2017年全球活動火山時空分布以及阿貢火山噴發(fā)前后的形變特征1

王佳龍 王家慶 鄒 穎 孫嘉祥 馬慶尊

2017年全球活動火山時空分布以及阿貢火山噴發(fā)前后的形變特征1

王佳龍1，2）王家慶1）鄒 穎2）孫嘉祥2）馬慶尊1）

1）中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180 2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

歸納總結(jié)2017年度全球81座活火山的活動情況，共計活動1058座次，平均每周記錄20座活火山的活動信息。根據(jù)火山潛在噴發(fā)的危險性和火山活動的強弱程度對上述火山進行分級描述，火山活動主要反映了地球表層的構(gòu)造活動，其中大角度俯沖帶的弧后火山最為強烈，小角度的俯沖帶、拉張裂谷和走滑為主的板塊邊界火山活動較為平靜，火山活動頻繁的印度尼西亞島鏈?zhǔn)鞘転?zāi)最為嚴(yán)重的區(qū)域。預(yù)計全球火山活動將進一步加劇，印尼島鏈?zhǔn)芑鹕綖?zāi)害威脅的程度依然較大。位于印尼島鏈巴厘島上的阿貢火山自2017年9月開始活動以來，整個噴發(fā)過程極具代表性，監(jiān)測阿貢火山噴發(fā)過程可為全球典型火山噴發(fā)事件研究提供參考。

活火山 火山活動 構(gòu)造活動 火山災(zāi)害 阿貢火山

引言

地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)確定全球范圍的全新世火山約有1500多座（許建東，2011）。火山類型主要為成層火山、復(fù)合式火山、熔巖錐、破火山口、盾狀火山等（劉若新等，1999）。此外，還有眾多火山位于深海海底，它們的噴發(fā)很少能到達水面，因此少有觀察和記錄。大部分火山的形成是板塊運動的結(jié)果，是地球動力學(xué)過程的重要現(xiàn)象（Press等，1982）。全球現(xiàn)今活動構(gòu)造劃分為環(huán)太平洋、大洋中脊和大陸三大構(gòu)造系統(tǒng)（馬宗晉等，2003）。全球火山活動分西太平洋火山活動區(qū)、東太平洋火山活動區(qū)以及大西洋火山活動區(qū)（洪漢凈等，2003，2009）。位于太平洋板塊西南緣的印度尼西亞、菲律賓和日本等國家，擁有的火山數(shù)量為全球正在活動火山數(shù)量的1/3（Siebert等，2010），2017年該區(qū)域活動強度最大的火山為印度尼西亞巴厘島的阿貢火山（王佳龍等，2018a）。

本文數(shù)據(jù)主要來自全球火山計劃網(wǎng)站[1]，該網(wǎng)站由華盛頓國家自然歷史博物館礦物科學(xué)部門（Department of Mineral Sciences，National Museum of Natural History，Washington D.C）的史密森全球火山項目（Smithsonian Institution Global Volcanism Program）支撐，匯集了世界各地活動火山監(jiān)測機構(gòu)的監(jiān)測信息及相應(yīng)的火山監(jiān)測網(wǎng)站鏈接，并于每周四發(fā)布監(jiān)測周報。文中的活動火山指2016年12月30日—2017年12月31日發(fā)生活動并被該網(wǎng)站記錄下來的火山。

通過整理該網(wǎng)站2017年發(fā)布的約858條全球火山監(jiān)測活動信息，總結(jié)2017年度全球火山活動的時空關(guān)系，并針對阿貢火山的噴發(fā)過程進行了追蹤，為監(jiān)測火山噴發(fā)、研究火山活動機理、預(yù)測火山災(zāi)害等提供參考。

1 2017年全球活動火山空間分布特征

火山警戒等級是衡量火山活動危險程度的標(biāo)識，USGS火山災(zāi)害項目[2]將火山預(yù)警等級劃分為正常（Ⅰ級）、咨詢（Ⅱ級）、注意（Ⅲ級）和警戒（Ⅳ級）4個等級，其代表的危險程度依次上升，火山活動越強烈，引發(fā)的火山災(zāi)害也越嚴(yán)重。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Ⅰ級，火山警戒級別為正常，航空顏色代碼為綠色，火山有活動跡象，但活動處于正常范圍內(nèi)，主要表現(xiàn)為火山噴氣及火山灰柱飄散；Ⅱ級，火山警戒級別為低度警戒，航空顏色代碼為黃色，火山活動信號上升，高于正常范圍，主要表現(xiàn)為火山出現(xiàn)熱異常，火山噴氣柱升高，出現(xiàn)火山爆炸聲，火山由正?；顒酉蛭ｋU活動過渡，該類型火山一般不穩(wěn)定；Ⅲ級，火山警戒級別為中度警戒，航空顏色代碼為橙色，火山活動信號進一步上升，具有噴發(fā)的前兆，主要表現(xiàn)為火山地震頻率和強度增大，可以監(jiān)測到熔巖流溢出，熱異常和火山灰柱活動都有所加強；Ⅳ級，火山警戒級別為高度警戒，航空顏色代碼為紅色，表現(xiàn)為火山即將噴發(fā)或正在噴發(fā)。一般情況下，火山的警戒等級隨火山活動的強弱而改變，可能會在數(shù)月內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)變化（張傳杰等，2016）。

圖1 全球活動火山分布

全球活動火山約有80%分布在環(huán)太平洋地區(qū)（Siebert等，2010）。2017年度的活動火山約有90%分布在環(huán)太平洋地區(qū)，其中，太平洋北部阿留申群島、堪察加半島和北方四島等分布12座活動火山，其警戒等級為Ⅱ級和Ⅲ級，警戒等級Ⅲ級的活動火山相對比較活躍；位于太平洋板塊西緣的日本島弧和東部海島分布11座活動火山，警戒等級為Ⅰ級的火山相對比較活躍；位于澳大利亞板塊北緣的印度尼西亞等一系列島鏈，由澳大利亞板塊向北俯沖到緬甸板塊、歐亞板塊和太平洋板塊之下形成，構(gòu)造復(fù)雜，火山活動能量大，2017年此區(qū)域有21座活動火山，包括3座警戒等級Ⅲ級的活動火山，可見其活動頻度和強度都極高。

全球火山分布圖（圖1）的底圖來源于USGS，對其做羅賓遜投影變換，中央子午線設(shè)為155.0°E。若某火山2017年每周均有持續(xù)活動，則將該火山的活動頻率設(shè)為1；若火山全年無任何活動，則將火山的活動頻率設(shè)為0?；鹕降幕顒宇l率一般介于0和1之間，它反映了火山的活躍程度。

2 2017年全球活動火山時間分布特征

2017年全球范圍內(nèi)，平均每月約有30座火山噴發(fā)的記錄，最多達34座，最少為26座（圖2）。年度內(nèi)火山活動數(shù)量和活動強度有逐漸增多、增強的趨勢，表明俯沖板塊活動的加劇?？蓪⒒顒拥幕鹕椒譃?種類型（圖3）：①“冒泡”型，一般活動強度較弱，持續(xù)時間較短，警戒等級一般為I級或Ⅱ級，活動形式主要表現(xiàn)為火山噴氣、火山震顫、火山地震等，通常不會造成地質(zhì)災(zāi)害和影響周圍居民的生活，典型代表有冰島的卡特拉火山（Katla）、美國的希沙爾丁火山（Shishaldin）、印度尼西亞的賽梅魯火山（Semeru）和俄羅斯的朱帕諾夫斯基火山（Zhupanovsky）等；②“持續(xù)”型，基本常年處于持續(xù)噴發(fā)狀態(tài)，警戒等級一般為Ⅱ級或Ⅲ級，活動形式主要表現(xiàn)為火山噴氣、火山地震、巖漿活動、火山碎屑流等，這類火山是全球火山監(jiān)測的重點，對其進行的火山噴發(fā)監(jiān)測和火山災(zāi)害預(yù)防都較為成熟，典型代表有美國夏威夷的基拉韋厄火山（Kilauea）（Fontijn等，2015；王佳龍，2018b）、印度尼西亞的錫納朋火山（Sinabung）、秘魯?shù)乃_班卡亞火山（Sabancaya）和俄羅斯勘察加半島的希韋盧奇火山（Sheveluch），這幾座火山幾乎常年都在活動，火山區(qū)周圍常引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；③“劇烈”型，常年處于穩(wěn)定狀態(tài)，偶爾幾周或幾個月突然爆發(fā)，警戒等級一般為Ⅲ級或Ⅳ級，噴發(fā)的形式主要表現(xiàn)為噴發(fā)柱的突然上升，有時高達幾千米至十幾千米，隨后火山碎屑物質(zhì)噴出火口并造成坍塌，引發(fā)火山碎屑流，最后巖漿溢出形成熔巖流，典型代表有日本的新燃岳火山（Kirishimayama）、菲律賓的馬榮火山（Mayon）以及印度尼西亞的阿貢火山（Agung）（王佳龍，2018a）。

圖2 2017年度全球火山噴發(fā)數(shù)量

圖3 活動火山分類

3 阿貢火山的噴發(fā)過程

全球的活火山主要分布在環(huán)太平洋地區(qū)，此區(qū)域也是著名的“火環(huán)”，而印度尼西亞島鏈?zhǔn)俏髂咸窖笞顬榛钴S的1條“火鏈”（圖4，圖中火山名稱下方數(shù)字，如2003/46/2代表的含義為2003年第1次監(jiān)測到該火山的活動，目前共計活動了46周，2017年度從2月開始變活躍），其居民數(shù)量為世界之最，阿貢火山則是該“火鏈”中最為活躍的火山之一（Self等1996）。阿貢火山的噴發(fā)周期約50年，最近1次噴發(fā)于1963年（Zen等1964；Marinelli等，1968），距今56年。據(jù)印尼國家災(zāi)害管理局[3]（Badan Nasional Penanggulangan Bencana）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，自2017年8月開始，阿貢火山的地震明顯增多，有復(fù)蘇和再次噴發(fā)的前兆，9月份火山警戒等級升至Ⅲ級，10月份開始有噴發(fā)柱噴出，11月噴發(fā)柱急劇上升至4km并開始有巖漿活動，警戒等級也升至最高級Ⅳ級。印度尼西亞島鏈位于澳大利亞板塊與歐亞板塊之間，由于澳大利亞板塊向北的俯沖，在此區(qū)域形成了1套完整的溝-弧-盆體系。5—6級地震的震中主要位于島鏈與巽他海溝之間，與島鏈大致平行，距離島鏈約100—150km，地震震源深度約100km；活火山主要位于島鏈內(nèi)部，巖漿來源大致在深度150—200km板塊的交匯處。由此可見，由澳大利亞板塊俯沖而下的礦物在島鏈下方150—200km處發(fā)生脫水作用，脫水誘導(dǎo)下覆地震的部分熔融，產(chǎn)生低鹽度、鈣堿性巖漿；巖漿上升侵入上覆板塊的巖石圈中。

圖4 印度尼西亞島鏈地震與火山分布

Fig. 4 Earthquakes and volcanoes in Indonesia island chain

4 阿貢火山噴發(fā)過程中的形變

在火山噴發(fā)過程中，前期地下巖漿活動，地表熱異常，火山開始膨脹；當(dāng)壓力達到一定程度后，火山氣體首先沖出，火山通道內(nèi)部的壓力減小，巖漿成分揮發(fā)，火山灰噴出，隨后巖漿補給，巖漿爆炸噴出或溢出火口，后期巖漿冷卻收縮，火口坍塌。目前，阿貢火山處在火山灰的噴發(fā)過程，未出現(xiàn)巖漿溢出。自2017年6月開始，阿貢火山有所膨脹，至2017年12月膨脹近15cm，隨后開始逐漸收縮（圖5）。膨脹的中心位于阿貢火山北側(cè)附近，并未在火山的正下方，說明巖漿通道向北傾斜。

圖5 阿貢火山噴發(fā)過程干涉條紋圖及對應(yīng)的地表形變

采用“二通”法對收集到的SAR復(fù)數(shù)影像進行干涉差分處理。在處理過程中，使用SRTM4 DEM數(shù)據(jù)消除地形相位影響，同時，為保證較高的配準(zhǔn)精度，采用結(jié)合軌道和地形數(shù)據(jù)的圖像配準(zhǔn)技術(shù)，配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.001個像元。由于巴厘島大部分地區(qū)為山地，且氣候溫和多雨，島上植被茂盛，易造成干涉像對的失相干，同時SAR影像在山區(qū)易出現(xiàn)疊掩、透視收縮、陰影等，也將加劇失相干的程度。失相干區(qū)或低相干區(qū)將導(dǎo)致相位解纏誤差，為此，使用迭代自適應(yīng)濾波算法進行降噪處理，并采用基于狄洛尼三角剖分的最小費用流算法（MCF）。首先，對高質(zhì)量的相位區(qū)進行解纏獲得可靠的參考相位模型，再利用參考相位實現(xiàn)對低相干區(qū)域的解纏，從而得到全局的最優(yōu)結(jié)果，最后，經(jīng)過地理編碼獲取了阿貢火山噴發(fā)過程的InSAR形變場。

5 阿貢火山噴發(fā)柱高度變化

阿貢火山自2017年9月開始活動以來，活動特征明顯，淺源小震持續(xù)增多、熱異常明顯。2017年10月后，阿貢火山開始出現(xiàn)不同規(guī)模的爆炸，爆炸產(chǎn)生的火山灰柱上升至高空并隨風(fēng)向飄逸，爆炸的規(guī)模直接決定了噴發(fā)柱的高度。阿貢火山的整個噴發(fā)過程以及爆炸與噴發(fā)柱變化的關(guān)系，如圖6所示。由圖可見，阿貢火山在2017年10月份主要表現(xiàn)為火山地震和震顫，是地下巖漿通過管道向上運移的過程，此時山體表面也開始不斷膨脹，該過程一直持續(xù)到11月27日，當(dāng)日發(fā)生1次劇烈爆炸，造成火山劇烈噴發(fā)，噴發(fā)柱升至海拔4km，大量火山碎屑流順火山翼沖下，當(dāng)?shù)鼐用癖黄冗w移，航班被迫取消；在隨后的3個月內(nèi)，不斷有地下巖漿補給，經(jīng)常性地發(fā)生爆炸并產(chǎn)生噴發(fā)柱；在2018年2月27日之后，巖漿補給減弱，火山警戒等級下降，爆炸規(guī)模減小，噴發(fā)柱高度降低，火山表面逐漸收縮；自2017年9月末至2018年3月末，阿貢火山歷經(jīng)了整個噴發(fā)過程，從開始的地震活動，到噴發(fā)時大規(guī)模爆炸，再到最后階段的平靜收縮，此過程對研究其它“劇烈”型火山具有借鑒意義。

圖6 阿貢火山噴發(fā)過程噴發(fā)柱高度變化

圖7 2015—2018年全球活動火山數(shù)量變化

6 結(jié)論

2017年全球火山噴發(fā)較往年強烈，年度內(nèi)火山數(shù)量和強度均有增大的趨勢（圖7）。其中“劇烈”型火山造成的火山災(zāi)害較為嚴(yán)重，應(yīng)對其加強監(jiān)測和防災(zāi)。活火山主要分布在環(huán)太平洋地區(qū)，位于太平洋西南的印度尼西亞是2017年受災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)，據(jù)印尼國家災(zāi)害管理局的統(tǒng)計，阿貢火山的噴發(fā)造成10萬余人無家可歸。阿貢火山歷時半年多的活動過程從膨脹到收縮，從平靜到爆炸再到平靜，使我們對火山噴發(fā)的過程有了更全面的了解。

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The Temporal and Spatial Distribution of Global Volcanism and the Deformation Characteristics Before and After Eruption of Mount Agung in 2017

Wang Jialong1, 2), Wang Jiaqing1), Zou Ying2), Sun Jiaxiang2)and Ma Qingzun1)

1) The First Monitoring Center, China Earthquake Administration, Tianjin 300180, China 2) Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

In this article we summarize the activities of active volcanoes worldwide in 2017 (until December 31, 2017). There are a total of 81 volcanoes in the world with 1,058 eruptions. On average, 20 active volcanoes are recorded weekly. According to the potential eruption risk and the intensity of volcanic activity, the above volcanoes were classified. The volcanic activity mainly reflects the tectonic activities of the Earth's surface. Among them, the post-arc volcano of the high-angle subduction zone is relatively high, while the volcanic activity of the low-angle subduction zone, the stretched rift, and the plateau dominated by strike-slip is relatively low. The Indonesian island chain, where volcanic activity is high, is one of the regions most affected by the volcanic hazard. Hundreds of thousands of people have to move to shelters. It is expected that the global volcanic activity will further intensify in the next year, and the island chain is still threatened by volcanic hazard. The Agung volcano on Indonesian island chain has been representative of the entire eruption process since its inception in September 2017. Monitoring of the eruption process of the Agung volcano can provide reference for typical volcanic eruptions in the world.

Active volcano; Volcanic activity; Tectonic activity; Volcanic hazard; Agung volcano

10.11899/zzfy20190215

中國地震局地震監(jiān)測預(yù)報司“全球典型火山事件跟蹤”項目

2018-07-04

王佳龍，男，生于1985年。助理工程師。主要從事構(gòu)造地質(zhì)與火山地質(zhì)研究。E-mail：85102605@qq.com

王佳龍，王家慶，鄒穎，孫嘉祥，馬慶尊，2019．2017年全球活動火山時空分布以及阿貢火山噴發(fā)前后的形變特征．震災(zāi)防御技術(shù)，14（1）：423—430．

[1] http://volcano.si.edu/reports_weekly.cfm

[2] https://volcanoes.usgs.gov/vhp/about_alerts.html

[3] https://www.bnpb.go.id