湯加海底火山噴發(fā)特征與災(zāi)情啟示

許建東 王佳龍

火山噴發(fā)總體情況

2022年1月14日，南太平洋湯加發(fā)生了一次規(guī)模巨大的火山噴發(fā)，它所產(chǎn)生的能量引發(fā)了整個(gè)太平洋的海嘯。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間1月14日上午7：20湯加王國(guó)洪阿哈阿帕伊島[Hunga Tonga-Hunga Ha'apai（HTHH）]火山發(fā)生噴發(fā)（圖1）。當(dāng)日下午5：10—11：30 Himawari 8號(hào)衛(wèi)星捕捉到噴發(fā)柱（火山灰、射汽物質(zhì)、火山氣體等組成）高出海平面以上18～20千米，噴發(fā)柱寬度達(dá)5千米，并迅速向四周擴(kuò)散至火口周圍240千米的范圍。哈派（Ha'apai）群島的Mango 島和 Fonoi島都有火山灰降落。哈派群島（Ha'apai）和湯加塔布島（Tongatapu）的海岸均發(fā)現(xiàn)了明顯的異常海浪和洋流。1月15日上午7：20再次發(fā)生噴發(fā)，持續(xù)了10～15分鐘。當(dāng)?shù)卣S后發(fā)布了海嘯預(yù)警。湯加、斐濟(jì)、新西蘭和澳大利亞等國(guó)家都有聽(tīng)到爆炸聲，甚至在7小時(shí)后的阿拉斯加都聽(tīng)到了爆炸聲（據(jù)香港天文臺(tái)）。湯加氣象局下午5：30發(fā)布了海嘯預(yù)警。湯加沿海地區(qū)觀察到1.2米的海嘯，在薩摩亞群島[Samoa（美屬）]觀察到0.61米的海嘯，并導(dǎo)致秘魯兩名漁民死亡，加州圣喬治（San Gregorio）的兩名漁民受傷（據(jù)新西蘭先驅(qū)報(bào)）?；鹕絿姲l(fā)導(dǎo)致HTHH大部分被摧毀，Hunga Tonga和Hunga Ha'apai兩島只殘余了小部分（據(jù)BBC）。

圖1 洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)柱 [ 圖片來(lái)源：湯加國(guó)土與自然資源部（MLNR）]

火山地質(zhì)背景與噴發(fā)物理特征

洪阿哈阿帕伊[Hunga Tonga-Hunga Ha'apai（HTHH）]海底火山（南緯20.536°，西經(jīng)175.382°，海拔114米）位于湯加王國(guó)首都努庫(kù)阿洛法（Nuku'alofa）西南約63千米處，屬于哈派（Ha'apai）群島，由Hunga Tonga島、Hunga Ha'apai島和南部新島組成，Hunga Tonga和Hunga Ha'apai兩個(gè)島分別位于HTHH火口緣北部和西北部，距離約1.6千米，南部新島位于HTHH火口緣南部，距離北部?jī)蓫u約3千米（圖2）。哈派（Ha'apai）群島由一系列51個(gè)島嶼和無(wú)數(shù)淺灘和礁石組成，島上共有17人居住，Hunga-Tonga和Hunga-Ha'apai兩個(gè)島嶼無(wú)人居住。

圖2 洪阿哈阿帕伊火山結(jié)構(gòu)圖（據(jù)Simon Barker）

從板塊構(gòu)造角度來(lái)看，洪阿哈阿帕伊島位于克馬德克—湯加（Kermadec-Tonga）俯 沖 帶，位于太平洋—印澳匯聚板塊邊界，俯沖作用形成了地球上第二深的湯加海溝。湯加—克馬德克地區(qū)也是全球大地震和火山高發(fā)區(qū)域。歷史地震活動(dòng)頻繁，自1902年以來(lái)共發(fā)生超過(guò)20次大地震和特大地震，如1917年的MW8.1級(jí)地震、2006年的MW7.9級(jí)地震和2009年的MW8.0級(jí)地震均發(fā)生在湯加地區(qū)。其中，很多大規(guī)模的地震發(fā)生在湯加—斐濟(jì)深部約410～660千米的地幔過(guò)渡帶。太平洋板塊由古老的、寒冷的致密巖石組成，俯沖的板片在高溫下脫水，導(dǎo)致上覆地幔部分熔融，產(chǎn)生的巖漿上浮至海底形成相關(guān)的火山島弧，洪阿哈阿帕伊島是位于湯加火山島弧帶的火山島之一（圖3）。

海底火山是大洋底部形成的火山，巖漿可以從海底火山口中噴出。據(jù)估計(jì)，僅在海洋中脊的火山噴出的巖漿就占地球巖漿總量的75%。雖然大多數(shù)海底火山位于海洋深處，但也有部分火山也存在于淺水區(qū)，這些火山爆發(fā)時(shí)會(huì)將火山氣體排放到大氣中。 地球上四分之三以上的火山活動(dòng)是海底火山活動(dòng)，海底火山主要分布在中洋脊上，其余的火山活動(dòng)則分布在海洋內(nèi)部的島弧和熱點(diǎn)上，深度從超過(guò)4000米到接近海面不等。對(duì)大多數(shù)海底火山噴發(fā)的觀測(cè)和取樣都是間接進(jìn)行的，如果火山口露出水面以上，可通過(guò)船只和衛(wèi)星對(duì)火山進(jìn)行取樣和觀測(cè)；如果發(fā)生在海底，只能在火山噴發(fā)之后通過(guò)海底探測(cè)器對(duì)火山進(jìn)行研究。海底火山噴發(fā)的類型有兩種：一種是巖漿的緩慢溢出形成大型熔巖泡并破裂噴出；另一種是由火山氣體迅速上升發(fā)生的爆炸。

海底火山的巖漿緩慢上升到海水中時(shí)，即使溫度高達(dá)1200℃，巖漿和水之間也會(huì)形成一層蒸汽薄膜。這層薄膜為巖漿的外表面提供了一層隔熱層，使其冷卻。然而，當(dāng)充滿火山氣體的巖漿從地下噴發(fā)出來(lái)時(shí)，巖漿迅速進(jìn)入水中，會(huì)破壞掉蒸汽薄膜，使熱巖漿與冷水直接接觸?；鹕窖芯咳藛T稱之為“燃料冷卻劑相互作用”，類似于武器級(jí)的化學(xué)爆炸。極端猛烈的爆炸將巖漿撕裂，引爆了一個(gè)連鎖反應(yīng)——新的巖漿碎片將熾熱的內(nèi)部表面暴露在水里，爆炸不斷重復(fù)，最終噴射出火山顆粒，造成超音速爆炸。洪阿哈阿帕伊島火山就是這種海底火山噴發(fā)活動(dòng)形成的結(jié)果。地下巖漿不斷地上涌補(bǔ)充，噴出的物質(zhì)堆積在火口周圍導(dǎo)致火山高度持續(xù)增加，并最終露出海平面以上。

洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)歷史

該火山在1912年以來(lái)共發(fā)生過(guò)5次噴發(fā)（表1），火山爆發(fā)指數(shù)VEI最大為2。其中2014—2015年的火山噴發(fā)導(dǎo)致在Hunga Tonga和Hunga Ha'apai兩個(gè)島嶼之間產(chǎn)生了一個(gè)新的凝灰?guī)r火山錐并與Hunga Ha'apai島相連（圖4），火山錐高約100米，直徑1.5～2千米，面積約1.9平方千米。本輪火山噴發(fā)始于2021年12月20日火山活動(dòng)，火山噴發(fā)主要位于火口南緣的南部新島，火山活動(dòng)產(chǎn)生了6～12千米的噴發(fā)柱，噴發(fā)柱的影響范圍達(dá)火口周圍10千米，湯加海員還觀測(cè)到火口噴出高約350米的碎屑物，并導(dǎo)致12月28日的部分航班取消?；鹕交顒?dòng)于2022年1月5日停止，然后于1月14日再次突然噴發(fā)。

圖4 洪阿哈阿帕伊火山2014年、2022年噴發(fā)前后火山錐地貌形態(tài)對(duì)比

表1 洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)歷史簡(jiǎn)表

2014年火山噴發(fā)在兩島之間形成了一個(gè)新的火山錐，2022年本次火山噴發(fā)導(dǎo)致錐體的大部損害坍塌至水下。

火山噴發(fā)災(zāi)害及影響范圍

本次火山噴發(fā)的火山島上沒(méi)有居民，湯加主要人口在塔布島上，塔布島離火山口大約65千米，中間有太平洋阻隔。因此，本次噴發(fā)的主要火山災(zāi)害來(lái)自于火山灰的影響。此外，火山噴發(fā)還造成了整個(gè)太平洋沿岸不同程度的海嘯，湯加首都所在的塔布島受災(zāi)嚴(yán)重，由于當(dāng)?shù)赝ㄐ攀茏?，?dāng)前還未查明具體受災(zāi)情況。另外斐濟(jì)和瓦努阿圖也是受海嘯災(zāi)害影響較嚴(yán)重的地區(qū)。甚至1萬(wàn)千米外的日本都向沿海居民發(fā)出了海嘯預(yù)警，可見(jiàn)其波及范圍之廣?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生大量火山灰和火山氣體，這些彌散在空中的飄浮物，不僅影響著陸地生物的生存，還直接導(dǎo)致了天氣和氣候的變化。

（一）火山灰

通?；鹕絿姲l(fā)都會(huì)產(chǎn)生大量的火山灰，強(qiáng)烈的爆炸導(dǎo)致火山灰騰空而上數(shù)米至數(shù)十千米形成噴發(fā)柱。其中一部分火山灰和其他火山碎屑物在空中停留較短時(shí)間又降落地面，常常會(huì)掩埋破壞地表植被和建筑物，對(duì)人類生活甚至生命造成危害。懸浮在空中的火山灰在大氣環(huán)流的帶動(dòng)下，能在幾日內(nèi)擴(kuò)散到數(shù)百至數(shù)千千米遠(yuǎn)的范圍，降低大氣透明度并影響飛行安全。本次噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰規(guī)模巨大，據(jù)新西蘭方面的消息，塔布島的火山灰已經(jīng)厚達(dá)2厘米。由于飛機(jī)飛行高度約1萬(wàn)米，而本次湯加火山噴發(fā)高度已達(dá)約2萬(wàn)米，因此對(duì)航空業(yè)有較大影響，飛機(jī)經(jīng)過(guò)此區(qū)域及周邊時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因吸入火山灰而造成墜毀等重大災(zāi)害，嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全和通信。本次火山灰云直徑近800千米，更細(xì)的火山灰隨時(shí)間流逝會(huì)繼續(xù)擴(kuò)散并逐漸沉降，降落在地面，影響范圍可達(dá)上千千米。降落到地表附近的火山灰可能會(huì)影響人類和動(dòng)物的呼吸，導(dǎo)致呼吸道受損。

火山灰在平流層可形成火山性氣溶膠，可強(qiáng)烈散射和反射太陽(yáng)輻射，使地表冷卻氣溫降低。因火山爆發(fā)引起的強(qiáng)烈上升氣流對(duì)對(duì)流層頂產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，此次進(jìn)入平流層的火山灰主要往西移動(dòng)覆蓋南半球，短期可發(fā)生天氣劇變。爆發(fā)前印度尼西亞上空對(duì)流活動(dòng)較強(qiáng)，當(dāng)前火山灰已經(jīng)開(kāi)始向西擴(kuò)散，需警惕對(duì)影響區(qū)域帶來(lái)的與之相關(guān)的對(duì)流發(fā)展及次生暴雨等極端天氣，目前南半球正值盛夏，低緯平流層吹強(qiáng)東風(fēng)。由于南北半球高空風(fēng)環(huán)流相對(duì)獨(dú)立，短期內(nèi)，進(jìn)入平流層的火山灰主要往西移動(dòng)覆蓋南半球，尤其是中高緯度的澳大利亞南部、巴西南部、新西蘭、阿根廷、智利及南非的氣候?qū)⑹桩?dāng)其沖受到影響，但對(duì)北半球影響可能有限。平流層火山灰對(duì)地面氣候產(chǎn)生影響通常需要數(shù)月時(shí)間，若后續(xù)無(wú)大規(guī)模噴發(fā)，以目前的火山噴發(fā)物和SO2排放總量而言，可能對(duì)全球氣溫變化還不足以形成直接干預(yù)。因湯加火山噴發(fā)地點(diǎn)位于厄爾尼諾-拉尼娜現(xiàn)象關(guān)鍵監(jiān)測(cè)海區(qū)的南側(cè)，火山噴發(fā)還將通過(guò)海氣相互作用影響目前拉尼娜狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。火山噴發(fā)如果持續(xù)很久，氣溶膠進(jìn)入平流層過(guò)多，北半球階段性冷事件及與之相關(guān)的強(qiáng)對(duì)流等極端天氣今年有可能增多。

（二）海嘯

海嘯是巨大的、破壞性的海浪，其中大多數(shù)是由海底地震形成的。它們也可能來(lái)自島嶼或海底火山的噴發(fā)或崩塌形成巨大的滑坡。這些滑坡往往是由地震或火山噴發(fā)引起的。當(dāng)快速移動(dòng)的滑坡體進(jìn)入水中，或在水下發(fā)生快速移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生海嘯。由火山噴發(fā)引發(fā)海嘯的情況并不罕見(jiàn)，歷史上有多次相關(guān)實(shí)例并造成嚴(yán)重災(zāi)害。例如青銅器時(shí)期位于愛(ài)琴海的圣托里尼島火山噴發(fā)、1792年日本云仙岳火山噴發(fā)、1883年和2018年印尼喀拉喀托火山噴發(fā)等。相對(duì)于海底地震，由火山噴發(fā)所引發(fā)的海嘯往往具有波浪周期短，海嘯破壞范圍廣的特點(diǎn)。

本次火山噴發(fā)前后湯加附近洋面風(fēng)速非正常顯著增大，表明其附近海面出現(xiàn)異常的海浪活動(dòng)，噴發(fā)后約20分鐘，距離火山噴發(fā)點(diǎn)約65千米、湯加王國(guó)首都所在的塔布島就受到海嘯襲擊并通信中斷，隨后海嘯抵達(dá)斐濟(jì)、瓦努阿圖，15日晚上日本也監(jiān)測(cè)到了1米的海嘯波高，澳大利亞、新西蘭發(fā)布了海嘯警報(bào)，西太平洋的日本也發(fā)布了海嘯預(yù)報(bào)，船只航行受阻和遭到破壞，沿岸建筑和人類活動(dòng)受到威脅（圖5、6、7）。

圖5 洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)誘發(fā)的海嘯移動(dòng)范圍等時(shí)模擬圖[ 據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）]

圖6 湯加諾穆卡島（Nomuka）海嘯前后對(duì)比影像（圖片來(lái)源：GOOGLE和AIRBUS SPOT）

圖7 海嘯導(dǎo)致日本海岸附近20多艘船只傾覆

（三）火山氣體

火山噴發(fā)時(shí)會(huì)噴射大量氣體，主要包括二氧化碳 、二氧化硫 、硫化氫和鹵化物等。一些火山二氧化硫的排放量達(dá)每天數(shù)十噸到數(shù)百噸。大氣圈CO2濃度通常會(huì)受到火山噴發(fā)的強(qiáng)烈影響?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的CO2和SO2會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間（1～10年）的氣候變冷和更長(zhǎng)時(shí)間（100～1000年）的氣候變暖?；鹕綒怏w對(duì)人和生物是有害的，如CO, SO2, H2S, HF, HCl, F2等。火山噴射出的SO2氣體在大氣圈中與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成毒性較強(qiáng)的酸性小液滴，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)形成火山酸雨降至地表，損害人類與其他生物的健康。

本次火山噴發(fā)形成的噴發(fā)柱高近20千米。大量火山氣體進(jìn)入平流層，在火山噴發(fā)后的第三天，澳大利亞氣象部門(mén)在澳洲上空也監(jiān)測(cè)到了大量二氧化硫氣體（圖8）。二氧化硫氣體是形成酸雨和酸霧的主要化學(xué)成分，一旦降落下來(lái)便會(huì)影響生物健康并造成對(duì)建筑物等的腐蝕。

圖8 監(jiān)測(cè)顯示1月17日洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)氣體（SO2）抵達(dá)了澳大利亞

（四）沖擊波

沖擊波又叫作激波（Shock Wave），屬于紊流的一種傳播形式，是一種不連續(xù)峰在介質(zhì)中的傳播，這個(gè)峰導(dǎo)致介質(zhì)的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)跳躍式改變。沖擊波是氣體超音速流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓縮現(xiàn)象之一，常見(jiàn)于太陽(yáng)的日冕中。由于本次火山爆炸威力巨大，在世界多地都有監(jiān)測(cè)到相關(guān)沖擊波的報(bào)道。澳大利亞氣象局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，火山噴發(fā)形成的沖擊波以超過(guò)1000千米/小時(shí)的速度傳播。圖9為各地記錄到的大氣壓力變化，該圖顯示了沖擊波的影響由東至西逐漸減弱。

圖9 各地記錄到的大氣壓力變化（參考：http://ow.ly/4UXC50HvpwI）

結(jié)論

近些年來(lái)全球火山噴發(fā)活動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，自2019年以來(lái)全球火山活動(dòng)數(shù)量和強(qiáng)度均有增大的趨勢(shì)。在2021年全球共有95座火山記錄到噴發(fā)活動(dòng)，火山噴發(fā)數(shù)量高于往年（2019年81座、2020年90座），火山爆發(fā)指數(shù)均在4級(jí)以下（VEI＜4），火山噴發(fā)位置主要分布在環(huán)太平洋板塊俯沖帶周邊。本次湯加洪阿哈阿帕伊火山的噴發(fā)事件，規(guī)模之大、災(zāi)害效應(yīng)之強(qiáng)是近些年來(lái)比較少見(jiàn)的。目前火山噴發(fā)活動(dòng)還沒(méi)有停止，全面反映此次火山噴發(fā)特征的火山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還在持續(xù)獲取、整理和分析過(guò)程中，與火山噴發(fā)災(zāi)害效應(yīng)密切相關(guān)的關(guān)鍵性、指標(biāo)性數(shù)據(jù)，如火山噴發(fā)規(guī)模的VEI指數(shù)、火山氣體主要成分與氣體總排放量等還沒(méi)有完成最終的厘定，需要繼續(xù)對(duì)湯加火山活動(dòng)的狀態(tài)和未來(lái)活動(dòng)趨勢(shì)保持實(shí)時(shí)跟蹤和關(guān)注。

自然災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和抵御災(zāi)害的能力息息相關(guān)，湯加洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)，對(duì)湯加防范突發(fā)災(zāi)害的應(yīng)急能力是一次巨大考驗(yàn)，需要國(guó)際社會(huì)的廣泛支持和援助。這也提醒我們，需未雨綢繆，做好準(zhǔn)備。中國(guó)大陸發(fā)育有全新世活動(dòng)火山10多處，這些火山處于不同的活動(dòng)狀態(tài)，具有巖漿補(bǔ)給速率小、火山間距大、活動(dòng)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，大多的火山處在活動(dòng)周期的前期或中期，火山監(jiān)測(cè)需要有長(zhǎng)期作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。湯加洪阿哈阿帕伊火山噴發(fā)對(duì)我們是一個(gè)警示?！八街?，為我所用”，我國(guó)現(xiàn)有的火山監(jiān)測(cè)技術(shù)已與國(guó)際接軌，但是，對(duì)火山監(jiān)測(cè)技術(shù)和火山基礎(chǔ)研究的投入仍需加強(qiáng)，對(duì)火山監(jiān)測(cè)工作的重視仍需提高，這樣才有可能真正做到“防患于未然”，為有效地減輕我國(guó)未來(lái)的火山災(zāi)害和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。