湯加洪阿哈阿帕伊島火山口塌陷原因初探

顧國(guó)輝，關(guān) 升，韓 迪，盤(pán)曉東，宋雨佳

（1. 吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117；2. 中國(guó)地震局火山研究所，吉林 長(zhǎng)春 130117）

0 引言

火山口塌陷或破火山口的形成是火山作用的重要部分。相比于陸相火山地貌塑造過(guò)程的巖體侵蝕、搬運(yùn)和再沉積過(guò)程，海底火山噴發(fā)的地貌形成具有特殊性。據(jù)USGS 公布的全球火山目錄，目前已發(fā)現(xiàn)全新世活火山中海底火山就有124 座。目前全球55 個(gè)火山觀測(cè)站，普遍采用的火山監(jiān)測(cè)技術(shù)是火山地震學(xué)方法（92%的測(cè)站采用）、地形變測(cè)量（71%） 和火山氣體地球化學(xué)觀測(cè)（55%）。由于陸相火山引發(fā)的災(zāi)害更易受關(guān)注、監(jiān)測(cè)設(shè)備便于架設(shè)、設(shè)備便于維護(hù)等原因，目前建立火山監(jiān)測(cè)站基本都針對(duì)陸相火山。相比陸相火山，海底火山由于觀測(cè)條件制約，在海底設(shè)備的安裝布放、供電以及維修等都比在陸地上困難許多，使得海底火山監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管目前有科學(xué)家嘗試?yán)么温暡〝?shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)海底火山的巖漿活動(dòng)，通過(guò)信號(hào)分析技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)海底火山噴發(fā)的短期預(yù)警，但是，真正實(shí)現(xiàn)海底火山噴發(fā)的預(yù)警，依舊任重道遠(yuǎn)。因此目前對(duì)海底火山監(jiān)測(cè)、海底火山結(jié)構(gòu)及地形探測(cè)等大都借助衛(wèi)星觀測(cè)、聲波監(jiān)測(cè)、層析成像、多波束地形探測(cè)等手段加以分析[1-2]。例如，Vaughan等[3]2010 年基于高分辨率星載熱量散發(fā)和反輻射儀（ASTER）和中分辨率成像光譜儀（MODIS）數(shù)據(jù)分析了2009 年3 月17 日湯加洪阿哈阿帕伊島火山的噴發(fā)活動(dòng)，監(jiān)測(cè)到火山噴發(fā)柱高度達(dá)4.0～7.6km，火山島嶼的面積增加了三倍。Coca 等[4]2014 年基于MODIS 探測(cè)到了火山噴發(fā)海域出現(xiàn)類(lèi)似海洋示蹤劑的物質(zhì)，通過(guò)圖像處理技術(shù)證實(shí)是受影響水域中高濃度硫化合物原因。海底火山探測(cè)方面，Chadwick 等[5]2012 年運(yùn)用聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)了馬里亞納島弧海底火山滑坡事件，測(cè)量了滑坡的大小和范圍，并確定了滑坡的發(fā)生時(shí)間。Chadwick 等[6]2008 年在克馬德克火山島弧北部的淺海莫諾瓦伊火山進(jìn)行了多波束測(cè)深，記錄到兩次扇形滑坡使火山降低176m，并識(shí)別出了山頂附近的滑坡碎屑堆積物。楊清福等[7]2017 年基于多波束測(cè)深探測(cè)技術(shù)對(duì)中朝邊境長(zhǎng)白山天池火山開(kāi)展了精細(xì)的湖底地形探測(cè)，厘定了天池水深、水域面積、蓄水量等參數(shù)，得到了高分辨率湖底三維地形，在天池湖底識(shí)別出了一個(gè)噴火口、一個(gè)熔巖丘和五處破火山口內(nèi)壁垮塌堆積區(qū)。2015 年Friant 等[8]學(xué)者，首次在小安德列斯群島火山基于科學(xué)鉆探研究了海底火山滑坡、島嶼建造和崩塌的海底記錄等，表明產(chǎn)生這些大規(guī)模海底火山破壞的最可能機(jī)制是火山碎屑崩塌，這些結(jié)果對(duì)海嘯產(chǎn)生的規(guī)模有影響。

2021 年12 月20 日以來(lái)的湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山噴發(fā)事件引起了全球的廣泛關(guān)注，2022 年1 月15 日發(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)柱噴射到20km 高空，釋放二氧化硫約4×105t。并且此次噴發(fā)引起了太平洋海域大范圍海嘯，最大海嘯高度達(dá)1.74m?；鹕絿姲l(fā)后，湯加洪阿哈阿帕伊島2.85km2的陸地面積幾乎“消失”，本文通過(guò)分析前人相關(guān)研究成果，結(jié)合衛(wèi)星影像資料，對(duì)此次湯加洪阿哈阿帕伊島火山口塌陷方式進(jìn)行初步分析，對(duì)海底火山噴發(fā)機(jī)制及海底火山災(zāi)害的研究具有重要參考意義。

1 地質(zhì)背景

湯加群島火山位于太平洋西南部，沿著湯加—克馬德克島弧分布有20 余座全新世火山，位于湯加—克馬德克—新西蘭火山鏈的北端，這是太平洋板塊俯沖到印度—澳大利亞板塊之下的結(jié)果[9]（圖1a）。板塊邊界處的大角度碰撞、俯沖和板塊后退形成了殘余火山島弧、弧后盆地和活動(dòng)的湯加—克馬德克火山島?。▓D1a），該處地殼厚度約為20km[10-11]。

圖1 湯加火山大地構(gòu)造及位置分布圖（a 是湯加大地構(gòu)造圖；b 是湯加火山分布圖）[14]Fig.1 Volcanic tectonics and location distribution of Tonga（a，Tonga Geotectonic Map；b，Map of Tonga's volcanoes）[14]

洪阿哈阿帕伊島（Hunga Haapai） 火山是一座高約1800m，寬20km 的巨型海底火山，位于南太平洋西部，是高度活躍的湯加—克馬德克群島火山弧的一部分，此火山弧是從新西蘭東北向北延伸到斐濟(jì)的俯沖帶。洪阿哈阿帕伊島兩個(gè)線(xiàn)性安山巖島嶼長(zhǎng)約2km，該島海拔約114m，兩個(gè)島嶼都呈現(xiàn)出朝內(nèi)的陡崖，此次噴發(fā)前地表覆蓋安山巖和火山碎屑[12-13]。

2 噴發(fā)歷史

湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山自1912 年第一次噴發(fā)以來(lái)，1937、1988、2009、2014、2015 年相繼發(fā)生了幾次小規(guī)模海底噴發(fā)活動(dòng)。惠靈頓火山灰咨詢(xún)中心（VAAC） 報(bào)告稱(chēng)[15]，2009 年3 月18 日噴發(fā)在海上形成了新的陸地（圖2），此次噴發(fā)持續(xù)兩個(gè)月，噴發(fā)的特點(diǎn)是水下大量巖漿活動(dòng)，伴隨著火山灰和蒸汽羽流達(dá)到7.6km。

2014 年12 月19 日，洪阿哈阿帕伊島火山開(kāi)始活動(dòng)，2015 年1 月6 日在Hunga Haapai島和Hunga Tonga 島之間形成一個(gè)新的島嶼，海拔已超70m。2015 年1 月15 日，新的火山錐體高度已達(dá)到80m，三個(gè)大致沿NW—SE 向排列的火山口不斷發(fā)生爆炸式噴發(fā)?；鹕娇谶w移后該島東南部邊緣部分不斷崩塌，2015 年1月24 日停止活動(dòng)，此次噴發(fā)形成高約120m、寬約2km 的近圓形火山錐體。在此次火山活動(dòng)期間，火山碎屑沉積物的侵蝕和再?lài)姲l(fā)形成了一個(gè)島嶼，在2015 年4 月12 日之前與Hunga Haapai 島相連，如圖2 所示。隨后南部的波浪侵蝕作用重塑了火山錐體，并改造了火山碎屑堆積體[16]。

圖2 歷史噴發(fā)位置圖[12]Fig.2 Historical eruption locations[12]

3 火山口塌陷時(shí)間

確定火山口塌陷時(shí)間對(duì)于分析海底火山噴發(fā)機(jī)理及火山地貌的形成具有重要意義，若火山口塌陷出現(xiàn)在火山大噴發(fā)前，火山噴發(fā)機(jī)理可能是上部錐體滑坡后，火山機(jī)構(gòu)上部減壓誘發(fā)火山噴發(fā)，例如1980 年美國(guó)圣海倫斯火山噴發(fā)；火山口塌陷發(fā)生在火山噴發(fā)之后或者伴隨火山噴發(fā)，火山可能是爆炸式噴發(fā)。但是對(duì)于海底火山或針對(duì)某一次火山噴發(fā)不可一概而論。

2021 年12 月20 日湯加洪阿哈阿帕伊島火山又開(kāi)始噴發(fā)，至2022 年1 月13 日大規(guī)模噴發(fā)前都有間歇性的火山氣體逸出等活動(dòng)跡象。世界時(shí)間2022 年1 月13 日17 時(shí)42 分，該火山出現(xiàn)2022 年第一次大規(guī)模噴發(fā)。世界時(shí)間1月15 日4 時(shí)39 分該火山發(fā)生爆炸式大噴發(fā)，此次噴發(fā)是本世紀(jì)以來(lái)最大規(guī)模的火山噴發(fā)，火山噴發(fā)柱高度達(dá)20km。火山噴發(fā)產(chǎn)生的沖擊波還影響了多地的氣壓，火山噴發(fā)同時(shí)引發(fā)了太平洋全域海嘯（圖7）。臭氧衛(wèi)星（OMPS）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?！吧诒?5P”衛(wèi)星對(duì)流層氣體觀測(cè)儀（TROPOMI） 基于衛(wèi)星的大氣SO2濃度測(cè)量結(jié)果，SO2排放量約4×105t[17]。

據(jù)2022 年1 月15 日噴發(fā)前衛(wèi)星影像圖推測(cè)（圖3），此次噴發(fā)后導(dǎo)致洪阿哈阿帕伊島海底火山出露海平面部分出現(xiàn)坍塌，因此可以確定在1 月15 日大噴發(fā)之前，洪阿哈阿帕伊島海底火山錐體已發(fā)生破壞。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2022年1 月12 日至1 月18 日每周火山活動(dòng)報(bào)告指出[18]，1 月14 日和15 日，湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山大噴發(fā)產(chǎn)生了火山灰羽流，到達(dá)平流層，并造成了嚴(yán)重的區(qū)域影響。1 月14 日的噴發(fā)活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致該島中部大約1/3 的面積“消失”。從大噴發(fā)后的1 月17 日衛(wèi)星圖像顯示，以前合并的島嶼大部分已被摧毀，只剩下東北部位的Hunga Tonga 島（200m 長(zhǎng)） 和西南的Hunga Haapai 島（700m 長(zhǎng)） 的小部分（圖4）。因此，我們確定此次海平面上火山口塌陷時(shí)間應(yīng)在2022 年1 月15 日大噴發(fā)之前。

圖3 2022 年1 月15 日大噴發(fā)前圖片（圖片來(lái)源：ADAM Platform）Fig.3 Images before the large eruption on January 15，2022（Source from ADAM Platform）

圖4 湯加洪阿哈阿帕伊島火山噴發(fā)前后形狀對(duì)比（圖片來(lái)源：ADAM Platform）Fig.4 Comparison of shapes before and after the eruption of Hunga Haapai Volcano in Tonga（Source from ADAM Platform）

4 火山口塌陷機(jī)制探討

此次湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山噴發(fā)后引起了太平洋海域大范圍的海嘯，查明火山口塌陷機(jī)制對(duì)于解釋此次海嘯原因及探討海底火山噴發(fā)機(jī)理具有重要意義。相對(duì)于陸相火山，海底火山由于位置特殊，監(jiān)測(cè)手段有限，目前海底火山的研究程度還比較低。

通過(guò)總結(jié)前人研究成果，海底火山口塌陷方式可以劃分為兩類(lèi)：（1） 火山錐體側(cè)向滑坡[3，8，19]，如圖5 所示；（2）火山爆炸式噴發(fā)使火山口呈碎裂式破壞[20]，如圖6 所示。總結(jié)前人研究成果，火山口塌陷機(jī)制最少有三種可能：（1）錐體頂部堆積的數(shù)十米厚的火山碎屑物質(zhì)逐步變陡導(dǎo)致塌陷[21-22]；（2）火山通道或裂隙的擴(kuò)展導(dǎo)致錐體變形和破壞[23]；（3）由火山系統(tǒng)內(nèi)部或下部巖漿侵入等熱液蝕變引起的滑坡[24-25]。地震可能會(huì)加劇上述過(guò)程，加速火山錐體的變形破壞。

圖5 火山口滑坡模式圖[6]Fig.5 Crater landslide model diagram[6]

圖6 火山口爆炸模式圖[15]Fig.6 Crater explosion model diagram[15]

結(jié)合衛(wèi)星影像資料（圖3-4） 及前人相關(guān)研究成果，湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山的火山口塌陷原因有兩種可能：（1） 2021 年12 月以來(lái)的間歇性噴發(fā)使巖漿通道不斷打開(kāi)，大量海水涌入巖漿系統(tǒng)，2022 年1 月14 日的爆炸式噴發(fā)導(dǎo)致火山口塌陷；（2） 2022 年1 月15日大噴發(fā)之前，由于巖漿補(bǔ)給上涌，錐體變形，導(dǎo)致火山錐體滑坡，火山機(jī)構(gòu)上部減壓，誘發(fā)了火山噴發(fā)。

通過(guò)此次海嘯產(chǎn)生的全球大規(guī)模浪涌來(lái)看，太平洋海域產(chǎn)生的海嘯高度幾乎是均勻和對(duì)稱(chēng)的（圖7），不太可能是側(cè)翼滑坡導(dǎo)致的海嘯，因此推測(cè)此次火山口破壞更有可能是14 日爆炸式噴發(fā)導(dǎo)致的，使海平面以上的火山口被炸碎，2022 年1 月15 日的大噴發(fā)加劇了火山口的破壞。但是目前對(duì)于海底火山噴發(fā)機(jī)理的研究還不夠深入，湯加火山洪阿哈阿帕伊島海底火山的火山口具體塌陷時(shí)間及機(jī)理還需要更多的證據(jù)才能得出更加科學(xué)的結(jié)論。

圖7 湯加火山爆發(fā)引發(fā)海嘯影響區(qū)域和到時(shí)圖（圖片來(lái)源：自然資源部海嘯預(yù)警中心）Fig.7 Tsunami impact area and arrival map caused by the volcanic eruption in Tonga（Photo credit from National Marine Environmental Monitoring Center，China）

因此，要得出科學(xué)的結(jié)論，還需要開(kāi)展噴發(fā)后海底三維地形精細(xì)化探測(cè)及科學(xué)鉆探等工作，才能確定火山口塌陷機(jī)理。

5 結(jié)論

本文通過(guò)總結(jié)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS） 每周全球火山活動(dòng)周報(bào)、惠靈頓火山灰咨詢(xún)中心（VAAC） 公告、火山發(fā)現(xiàn)網(wǎng)（Volcano Discovery）等資料了解了此次火山噴發(fā)過(guò)程及火山灰、海嘯等災(zāi)害的影響，通過(guò)Platform 公司公布的火山噴發(fā)前后衛(wèi)星圖片分析了此次火山噴發(fā)前后地形地貌的變化。在此基礎(chǔ)上，查閱前人海底火山口塌陷相關(guān)研究成果，總結(jié)了火山口塌陷方式及類(lèi)型。本文結(jié)合最近湯加洪阿哈阿帕伊島海底火山噴發(fā)事件，對(duì)其火山口塌陷方式進(jìn)行探討。通過(guò)多因素分析，認(rèn)為湯加洪阿哈阿帕伊島火山口塌陷原因可能是爆炸式噴發(fā)，使海平面上部火山口被炸碎。由于缺少現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)等證據(jù)，本文僅結(jié)合現(xiàn)有資料做了初步分析，今后還需要開(kāi)展噴發(fā)后海底三維地形精細(xì)化探測(cè)及科學(xué)鉆探等工作，才能確定火山口塌陷方式。目前海底火山的監(jiān)測(cè)預(yù)警還不夠完善，往往都是火山噴發(fā)后才引起廣泛關(guān)注，缺乏必要的海底火山預(yù)測(cè)與預(yù)警機(jī)制，在今后工作中更應(yīng)結(jié)合最新衛(wèi)星觀測(cè)、次聲監(jiān)測(cè)、海底光纖監(jiān)測(cè)等技術(shù)，對(duì)目前較為活躍的海底火山帶開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作，不斷提高預(yù)測(cè)預(yù)警水平。

致謝：本文采用數(shù)據(jù)信息來(lái)源于 Smithsonian、Volcanodiscovery 網(wǎng)站以及VAAC 等火山官方研究管理機(jī)構(gòu)，在此表示感謝。