湯加火山2022年噴發(fā)回顧
——對(duì)國(guó)內(nèi)火山監(jiān)測(cè)研究的啟示

宋雨佳，曹戎機(jī)，盤曉東*，顧國(guó)輝，韓 迪，關(guān) 升，孫立影

1 吉林省地震局 吉林長(zhǎng)白山火山國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，長(zhǎng)春 130117

2 中國(guó)地震局火山研究所，長(zhǎng)春 130117

0 引 言

北京時(shí)間2022年1月15日，南太平洋島國(guó)湯加洪阿哈阿帕伊島（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）海底火山（下文簡(jiǎn)稱“湯加火山”）發(fā)生大規(guī)模爆炸式噴發(fā)，火山灰、氣體和蒸汽組成的火山噴發(fā)柱高達(dá)20 km，釋放SO2約40萬(wàn)噸. 引發(fā)的海嘯波及環(huán)太平洋沿岸多個(gè)國(guó)家，已造成6人死亡，至少85 000人受災(zāi)，洪阿哈阿帕伊島火山周邊285 hm2的陸地面積幾乎“消失”. 湯加芒奧島全部房屋遭摧毀；福諾伊富阿島、諾穆卡島及主島湯加塔布島房屋、道路與橋梁受損嚴(yán)重，空氣及飲用水受到污染，海洋生態(tài)遭到嚴(yán)重破壞. 大量火山灰使當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)遭受重創(chuàng)，大量牲畜因海嘯死亡，目前湯加國(guó)內(nèi)航班仍然暫停. 此次火山噴發(fā)引起了全球廣泛關(guān)注.

1 湯加火山地質(zhì)構(gòu)造背景

湯加火山位于湯加首都努庫(kù)阿洛法以北65 km處的洪阿哈阿帕伊島，構(gòu)造位置位于西南太平洋板塊和印度—澳洲板塊之間的“匯聚型板塊邊界”上，是環(huán)太平洋火山—地震帶湯加火山鏈的火山，地質(zhì)活動(dòng)十分活躍. 太平洋板塊向西側(cè)的澳大利亞板塊之下俯沖，形成了海洋島弧. 經(jīng)過(guò)弧后拉張作用，海洋島弧周邊逐漸發(fā)展成為勞盆地，隨后盆地發(fā)生裂陷，在西側(cè)形成勞山脊，東側(cè)形成湯加山脊. 湯加山脊與太平洋板塊相鄰，火山活動(dòng)十分頻繁，是現(xiàn)今地球上火山地震最活躍的環(huán)太平洋湯加火山鏈（圖1）.

圖1 湯加火山構(gòu)造背景略圖Fig. 1 Geotectonic background map of the Hunga Tonga-Hunga Ha'apai volcano

2 湯加火山噴發(fā)歷史

歷史記錄的該火山分別于1912年、1937年、1988年、2009年、2014年、2021年發(fā)生過(guò)噴發(fā)（表1）. 其中，2009年3月17日的火山噴發(fā)在洪阿哈阿帕伊島的南部水域上形成了新的陸地. 2014年12月19日該火山發(fā)生了噴發(fā)，持續(xù)到2015年1月28日結(jié)束. 火山噴發(fā)形成了一個(gè)高約120 m、寬1.5 km（N-S）、長(zhǎng)2 km（W-E）的新島，火山口直徑為400～500 m. 后來(lái)新島與洪阿哈阿帕伊島相連. 2021年12月20日該火山再次發(fā)生爆炸式噴發(fā)，噴發(fā)規(guī)模比歷次噴發(fā)都大.

表1 湯加火山歷史噴發(fā)記錄表Table 1 Records of the historical eruptions of the Hunga Tonga-Hunga Ha'apai volcano

3 湯加火山噴發(fā)過(guò)程

此次湯加火山噴發(fā)可追溯到2021年12月，在停止活動(dòng)7年后湯加火山于2021年12月20日又開始活動(dòng)，噴發(fā)活動(dòng)一直持續(xù)到2022年1月. 從2021年12月開始噴發(fā)以來(lái)，規(guī)模較大的事件有3次，分別為2021年12月20日、2022年1月14日、2022年1月15日的噴發(fā). 其中，2022年1月15日的噴發(fā)規(guī)模最大，且?guī)缀醭掷m(xù)了一整天，最猛烈的噴發(fā)持續(xù)了1小時(shí)46分鐘，噴發(fā)柱高度達(dá)20 km.

（1）2021年12月20日的噴發(fā)

2021年12月20日湯加火山開始爆炸式噴發(fā)，火山灰高度超過(guò)了15 km，之后該火山一直處于間歇性的噴發(fā)狀態(tài). 2021年12月29日至2022年1月4日期間，火山噴發(fā)呈斷斷續(xù)續(xù)狀態(tài). 2022年1月4日之后火山活動(dòng)出現(xiàn)短時(shí)平靜現(xiàn)象.

（2）2022年1月14日的噴發(fā)：

2022年1月14日凌晨湯加火山再次發(fā)生爆炸式爆發(fā)，火山噴發(fā)持續(xù)時(shí)間超過(guò)12個(gè)小時(shí). 噴發(fā)規(guī)模是2021年12月20日火山噴發(fā)的5～7倍，噴發(fā)柱高度為15～20 km. 此次活動(dòng)噴出大量火山灰和火山氣體，有8萬(wàn)多次閃電現(xiàn)象，湯加全境空氣質(zhì)量受嚴(yán)重影響. 此次噴發(fā)使火山地貌及火山結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生重大變化，與之前的圖像相比，該島的大部分地區(qū)似乎被摧毀了.

（3）2022年1月15日的噴發(fā)：

2022年1月15日湯加火山發(fā)生了更大規(guī)模的爆炸式噴發(fā)，是本世紀(jì)以來(lái)的最大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，火山噴發(fā)柱高度達(dá)20 km. 距火山口65 km外的首都努庫(kù)阿洛法聽見了巨大的爆炸聲，火山灰及火山碎屑從天而降. 這次噴發(fā)產(chǎn)生的巨響在距離火山800多千米的斐濟(jì)群島、2 200 km外的新西蘭北島都能聽見. 火山噴發(fā)產(chǎn)生的沖擊波還影響到了全球各地的氣壓，日本、澳大利亞、中國(guó)、新西蘭等多國(guó)均監(jiān)測(cè)到氣壓數(shù)據(jù)突然彈跳的變化. 火山噴發(fā)同時(shí)引發(fā)了太平洋全域海嘯過(guò)程. 從太空中，衛(wèi)星捕捉到了一個(gè)巨大的火山噴發(fā)柱和爆炸式蘑菇狀火山灰云團(tuán). 臭氧測(cè)繪（OMPS）激光雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，噴出的火山灰及火山氣體已到達(dá)了平流層高度. TROPOMI（“哨兵-5P”衛(wèi)星上對(duì)流層觀測(cè)儀）基于衛(wèi)星的大氣SO2濃度測(cè)量結(jié)果，SO2排放量約40萬(wàn)噸.

4 湯加火山噴發(fā)災(zāi)害影響

此次湯加火山噴發(fā)災(zāi)害種類多，影響范圍廣.火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山氣體、火山灰等直接災(zāi)害嚴(yán)重威脅了湯加境內(nèi)的社會(huì)生活，酸雨、海嘯等間接災(zāi)害對(duì)環(huán)太平洋地區(qū)的氣候環(huán)境造成了一定的影響.

（1）火山灰災(zāi)害

湯加首都努庫(kù)阿洛法當(dāng)?shù)丶案浇鼚u嶼的建筑、道路、植被等幾乎全被火山灰覆蓋，受損嚴(yán)重；農(nóng)作物也被火山灰掩埋，支柱產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè)受災(zāi)嚴(yán)重；湯加國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道上的火山灰覆蓋范圍廣，清理困難導(dǎo)致打通空中救援通道受阻. 火山灰還可能影響了湯加境內(nèi)的通訊，嚴(yán)重污染了飲用水源，給居民日常生活造成了不便.

（2）海嘯災(zāi)害

此次火山噴發(fā)引發(fā)了太平洋全域海嘯過(guò)程：1月16日美國(guó)加利福尼亞州、俄勒岡州、夏威夷群島均監(jiān)測(cè)到1～2 m高的海嘯波；日本列島均監(jiān)測(cè)到0.2～1.2 m不等的海嘯波；智利中部科金博大區(qū)監(jiān)測(cè)到2 m高的海嘯波；墨西哥沿岸監(jiān)測(cè)到0.43～2.05 m高的海嘯波. 我國(guó)浙江石浦站監(jiān)測(cè)到最大海嘯波幅約20 cm，此次過(guò)程未對(duì)中國(guó)沿岸造成災(zāi)害性影響.

受海嘯影響，秘魯利馬附近海域發(fā)生了嚴(yán)重的石油泄漏，截至1月20日已污染了秘魯沿岸20萬(wàn)平方英尺的海灘，引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難并導(dǎo)致秘魯海灘關(guān)閉、漁業(yè)停止.

（3）氣候影響

地球上每年發(fā)生多次火山爆發(fā)，但只有將大量火山灰、火山氣體及其氣溶膠噴送至平流層位置處的強(qiáng)火山爆發(fā)才對(duì)大范圍天氣與氣候產(chǎn)生影響. 長(zhǎng)久飄浮滯留于平流層上空的大量火山灰氣溶膠會(huì)吸收和反向散射一部分短波輻射，并減弱進(jìn)入對(duì)流層的太陽(yáng)輻射，從而引起天氣與氣候變化. 同時(shí)，噴上平流層的大量硫化氣體，在陽(yáng)光照射下與水汽結(jié)合后會(huì)形成很小很亮的硫酸氣溶膠，它們?cè)谄搅鲗娱L(zhǎng)期飄浮會(huì)強(qiáng)烈反射一部分太陽(yáng)輻射. 因此，選擇火山氣體中對(duì)氣候影響作用最大的SO2作為參考項(xiàng)，此次湯加火山爆發(fā)最大噴發(fā)柱帶入約42萬(wàn)噸的SO2，小型噴發(fā)柱也多次帶入，SO2釋放總量應(yīng)該在百萬(wàn)噸數(shù)量級(jí)，約相當(dāng)于皮納圖博火山的百分之幾（1991年菲律賓皮納圖博火山爆發(fā)排放出1 700萬(wàn)噸SO2），能夠達(dá)到當(dāng)年皮納圖博火山“全球降溫0.5℃的無(wú)夏之年”的概率極小. 而且，湯加火山的巖漿體系比皮納圖博火山巖漿體系的硫含量更低（酸性更低），這也從另一個(gè)方面削弱了其影響氣候的能力.

5 湯加火山噴發(fā)機(jī)理

太平洋板塊在湯加?xùn)|側(cè)的海溝處俯沖，俯沖的大洋洋殼在深部脫水引起地幔楔的熔融，形成巖漿（Sun et al., 2020）. 基于空間大地測(cè)量技術(shù)長(zhǎng)期觀測(cè)研究結(jié)果認(rèn)為，太平洋板塊整體以70.1 mm/a向西北移動(dòng)，湯加火山附近的太平洋板塊匯聚速率約為78 mm/a（金雙根等，2002）. 最新研究表明，湯加火山北部太平洋板塊匯聚速率約為119 mm/a（圖2），一定程度上說(shuō)明了西太平洋板塊呈持續(xù)俯沖的狀態(tài)，俯沖速率增加，熔融逐漸積聚，待壓力達(dá)到臨界時(shí)，在俯沖帶上部發(fā)生火山噴發(fā).

圖2 構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)要素解析（修改自Wikimedia Commons網(wǎng)站）Fig. 2 Analysis of the elements of tectonic plate movement (modified from Wikimedia Commons website)

6 啟示與討論

湯加火山是太平洋板塊向印度—澳大利亞板塊俯沖作用的結(jié)果，我國(guó)長(zhǎng)白山火山也是受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用影響，二者火山活動(dòng)都與板塊活動(dòng)有關(guān). 太平洋板塊俯沖作用能導(dǎo)致湯加火山噴發(fā)，也會(huì)對(duì)我國(guó)長(zhǎng)白山火山產(chǎn)生影響. 近期湯加發(fā)生海底火山大規(guī)模爆炸式噴發(fā)事件，也警示我們應(yīng)防患于未然，進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)白山火山災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作.

地質(zhì)調(diào)查及火山監(jiān)測(cè)研究表明，我國(guó)存在14座在全新世有過(guò)噴發(fā)活動(dòng)的火山，其中長(zhǎng)白山天池火山是規(guī)模最大、最具潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險(xiǎn)的活火山. 據(jù)文獻(xiàn)記載和專家考證，長(zhǎng)白山火山有過(guò)多次噴發(fā)，公元1413年、1597年、1668年、1702年及1903年分別發(fā)生過(guò)5次中小規(guī)模噴發(fā)（劉若新等，1998），火山活動(dòng)較為頻繁. 公元946年的大噴發(fā)，被認(rèn)為是全球近2 000年來(lái)最大的火山噴發(fā)事件之一，造成了巨大災(zāi)害，摧毀了半徑80 km范圍內(nèi)的原始森林，火山泥石流沿鴨綠江、圖們江和松花江流域向下游擴(kuò)展，在300 km之外的吉林豐滿一帶堆積物的厚度還可達(dá)15 m，其火山灰降落到1 000 km之外的日本（劉嘉麒等，2015）. 劉嘉麒院士認(rèn)為，長(zhǎng)白山火山仍處于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的東北亞板塊體系中，與西太平洋火山、地震帶密切相關(guān)，瀕臨千年大噴發(fā)和百年小噴發(fā)周期的節(jié)點(diǎn)，且地下存在巖漿房，過(guò)去噴發(fā)的基本條件和地質(zhì)背景沒有變，在可預(yù)見的將來(lái)仍然會(huì)噴發(fā). 天池蓄水20.4億立方米，即使發(fā)生中小規(guī)模噴發(fā)，也會(huì)造成巨大災(zāi)害.

為減輕和預(yù)防國(guó)內(nèi)活火山噴發(fā)形成的災(zāi)害，我國(guó)在長(zhǎng)白山、龍崗、五大連池、鏡泊湖、騰沖、瓊北等6個(gè)活動(dòng)火山區(qū)建立了火山監(jiān)測(cè)站，成立了火山研究中心，開展了火山監(jiān)測(cè)工作. 2020年6月成立的中國(guó)地震局火山研究所開展了國(guó)內(nèi)火山監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警、國(guó)外火山活動(dòng)跟蹤及信息服務(wù)工作. 目前我國(guó)火山監(jiān)測(cè)技術(shù)分為三大類，分別為火山地震監(jiān)測(cè)、火山形變監(jiān)測(cè)和火山氣體監(jiān)測(cè)，一些新的觀測(cè)技術(shù)也不斷在火山監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用. 在火山噴發(fā)序列、巖漿成因演化、火山災(zāi)害、巖漿房探測(cè)研究方面，取得了一些新的認(rèn)識(shí). 但是，由于我國(guó)火山監(jiān)測(cè)研究起步較晚，與國(guó)外火山監(jiān)測(cè)水平先進(jìn)國(guó)家相比，還存在一定的差距，尚未建立火山預(yù)警系統(tǒng)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)火山監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警研究工作. 其中水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)，在湯加火山監(jiān)測(cè)實(shí)踐中起到了重要作用，為國(guó)內(nèi)火山監(jiān)測(cè)體系的發(fā)展提供了啟示作用（Bohnenstiehl et al., 2013）. 因此，借鑒此次湯加火山災(zāi)害應(yīng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)，尤其是針對(duì)具有潛在噴發(fā)危險(xiǎn)的長(zhǎng)白山火山，建立完善的火山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)尤為關(guān)鍵.

數(shù)據(jù)與來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源為：Government of Tonga: http://pmo.gov.to/; Tonga Meteorological Services: http://met.gov.to/; Volcanic Ash Advisory Center (VAAC): http://vaac.metservice.com/.

附中文參考文獻(xiàn)

金雙根，朱文耀. 2002. 太平洋板塊運(yùn)動(dòng)和形變及其邊緣現(xiàn)今相對(duì)運(yùn)動(dòng)[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，22（2）：57-60.

劉嘉麒，陳雙雙，郭文峰，等. 2015. 長(zhǎng)白山火山研究進(jìn)展[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，34（4）：710-723

劉若新，魏海泉，李繼泰，等. 1998. 長(zhǎng)白山天池火山近代噴發(fā)[M].北京：科學(xué)出版社.