湯加王國洪加火山的前世今生

魏海泉，陳正全

中國地震局地質(zhì)研究所，吉林長白山火山國家野外科學(xué)觀測研究站，北京, 100029

內(nèi)容提要：洪加(Hunga)火山位于新西蘭—克馬德克—斐濟(jì)俯沖帶，該火山于2021年末又開始活動，并在2022年1月14、15日發(fā)生了千年一遇的世紀(jì)大噴發(fā)。噴發(fā)柱穿進(jìn)平流層，形成了一個最高30 km、最寬800 km的蘑菇云，后期的氣體火山灰云團(tuán)幾乎環(huán)繞南半球一周。噴發(fā)所引起的海嘯在太平洋沿岸多地造成了災(zāi)害。根據(jù)現(xiàn)有的資料分析，洪加火山巖漿成分以安山巖為主，巖漿可能是沿著破火山口邊緣由富氣巖漿團(tuán)塊的“滲漏”驅(qū)動噴發(fā)的。這次洪加火山大噴發(fā)的一個最重要特征是噴發(fā)時產(chǎn)生了極為強烈的大氣沖擊波，這代表了巖漿內(nèi)火山氣體的極大富集。正是這種“超級富氣巖漿”的噴發(fā)在噴火口位置形成了遠(yuǎn)超0.1 MPa(1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的出口壓強，引發(fā)了向全球輻射的沖擊波和數(shù)千千米以外都能聽到的噴發(fā)聲響。本次火山噴發(fā)引發(fā)海嘯的機制，其一是爆炸沖擊波，向外擴張的沖擊波推動了海面表層海水的向外擴張；其二是蘇特塞式(Surtseyan)噴發(fā)本身就有向外排走海水的能力。未來洪加火山噴發(fā)形式，很可能是沿著破火山口周邊斷裂或靠近破火山口中央谷地的熔巖穹丘或熔巖流。蘇特塞式噴發(fā)會比較常見，但噴發(fā)規(guī)模不會太大。

1 地質(zhì)背景

湯加王國洪加哈派—洪加湯加(Hunga Ha’apai—Hunga Tonga, 也有譯名洪阿哈阿帕伊)火山是洪加火山的全稱。在湯加語中，Hunga是火山噴發(fā)的意思，因此，Hunga Ha’apai—Hunga Tonga就是指哈派島和湯加島的火山噴發(fā)。哈派島和湯加島是一座巨大的海底破火山口西北側(cè)露出海面的部分(Garvin et al., 2018)。近十年來該火山一直保持著活躍狀態(tài)，它曾在2014年末有過VEI≈2的爆炸性噴發(fā)；于2021年末又發(fā)生了舉世矚目的海底火山噴發(fā)。經(jīng)歷短暫噴發(fā)間歇期后，2022年1月14日在新形成的火山島上又開始了巨大規(guī)模的陸上噴發(fā)。15日的世紀(jì)大噴發(fā)受到世人關(guān)注，形成的噴發(fā)柱穿入平流層，形成了一個最高30 km、最寬800 km的蘑菇云。湯加王國因為這次噴發(fā)成了與世隔絕的孤島，噴發(fā)引發(fā)的海嘯在太平洋沿岸多地都引發(fā)了災(zāi)害。

噴發(fā)活動已經(jīng)結(jié)束了，但人們還是心有余悸。湯加火山這次世紀(jì)大噴發(fā)是怎么形成的？為什么這次噴發(fā)產(chǎn)生了這么大的氣爆聲音和海嘯？之后是否可能再次發(fā)生這樣規(guī)模的噴發(fā)？本文嘗試依據(jù)洪加火山本身屬性來回答人們的這些關(guān)切，重點涉及弧火山、海底火山、破火山口、環(huán)狀斷裂、中央通道、火山氣體、火山沉陷與再生穹窿等火山作用過程。

1.1 新西蘭—克馬德克—斐濟(jì)俯沖帶

新西蘭北島的陶波火山帶(Taupo Volcanic Zone, TVZ)、克馬德克群島(Kermadec Islands)和湯加群島(Tonga Islands)由南向北形成了一個長約2800 km高度活躍的北北東方向的島弧(圖1a)。湯加島弧是一個地震和火山的活動帶，其成因與洋殼俯沖到邊緣板塊之下有關(guān)。這個島弧從更新世到現(xiàn)代均有火山活動，目前最活躍的火山位于湯加國家火山公園，湯加火山為研究環(huán)太平洋造山帶提供了一個窗口。

圖1 湯加火山弧構(gòu)造背景

測深資料顯示在湯加弧段和克馬德克弧段的海底地形有明顯的差異(Mammerickx et al., 1971)?？笋R德克山脊有非常規(guī)則的輪廓線，火山島位于山脊的頂部。而湯加的山脊較寬，并有兩條島鏈發(fā)育。另外，在湯加嶺海底西側(cè)邊緣有非常明顯的不規(guī)則的等深線，這表明湯加的火山有更大的水下體積，或者暗示湯加的火山噴發(fā)比克馬德克的火山噴發(fā)持續(xù)時間更長，湯加火山的巖漿供給率更大。

湯加—克馬德克地區(qū)是全球大地震和火山高發(fā)區(qū)域。自1902 年以來共發(fā)生超過20 次大地震和特大地震，如1917 年的MW8.1 級地震、2006 年的MW7.9 級和2009 年的MW8.0 級大地震均發(fā)生在湯加地區(qū)(Sameshima, 1975)。陶波火山帶活火山大致分布于貝尼奧夫帶之上120～150 km，湯加火山深度為150～180 km，克馬德克火山深度為240～260 km。直接的地震橫斷面探測(Sykes, 1966)表明的深度更淺一些：湯加約100 km，克馬德克火山約200～240 km。貝尼奧夫帶傾角從湯加約43°～45°呈系統(tǒng)變化至克馬德克的55°～60°，再到新西蘭的70°。板片下沉速率似乎也有系統(tǒng)性變化(Le Pichon, 1968)，湯加弧的下沉速率為91 mm/a，而南克馬德克的下沉速率為47 mm/a，新西蘭之下板片的下沉速率為32 mm/a。因此，越向北擴張角度越大，且俯沖速率也增加。

1.2 湯加火山弧

沿著湯加—克馬德克洋內(nèi)弧的大傾角匯聚俯沖和板片回撤，在板塊邊界形成了一個殘余火山弧(勞—科威爾嶺，Lau—Colville Ridge)、一個弧后盆地(勞洋盆—哈佛海溝，Lau Basin—Havre Trench)和一個活躍的湯加—克馬德克火山弧(Ballance et al., 1999; Smith and Price, 2006)(圖1a)。湯加海脊以西包含約20個從海底到接近或出于海平面的、巨大的火山(圖1b)。這些火山中至少有7座自1770年以來有過噴發(fā)(Simkin and Siebert, 1994)，它們通常都形成短暫的海拔140 m以上的火山島。湯加海溝的活火山島由西部島鏈組成，這些現(xiàn)代火山活動非?；钴S，在1970年前的200年內(nèi)就有超過35次陸上和海底噴發(fā)的記錄(Richard，1962; Bryan et al., 1972)，還可能有較溫和的海底噴發(fā)沒有引起注意。海底火山和火山島通常位于島嶼稍往東的雁列式斷裂上。島弧兩側(cè)的地殼板塊的運動的相對數(shù)量和方向控制著火山爆發(fā)的頻率和強度(Bryan et al., 1972)。年輕的火山地形建造和古地磁資料表明這些火山都具有非常年輕的活動年齡。

新西蘭弧段由于發(fā)育在大陸殼內(nèi)，TVZ區(qū)內(nèi)噴發(fā)的巖漿以流紋巖為主，其次為流紋巖—安山巖和罕見的高鋁拉斑玄武巖及英安巖。而湯加—克馬德克段發(fā)育在洋盆內(nèi)的洋脊體系上，克馬德克群島以拉斑玄武巖和玄武安山巖為主，局部發(fā)育安山巖和英安巖。湯加群島以玄武安山巖為主，也發(fā)育安山巖和英安巖。TVZ安山巖相對于湯加—克馬德克安山巖更富集不相容元素，F(xiàn)e富集程度較低，但含有更高放射性成因的Sr和Pb。與湯加熔巖相比，克馬德克熔巖表現(xiàn)出更大的化學(xué)變異，其Pb同位素顯示出更大的不均一性(Bryan, 1972；Sameshima, 1975)。

湯加火山弧內(nèi)火山巖礦物成分特征以極富基性斜長石和幾乎沒有堿性長石為代表，東南側(cè)尤阿島早于晚始新世的玄武巖和纖閃石化輝長巖可能代表弧前海床的上升。這些巖石不同于大多數(shù)環(huán)太平洋安山巖—英安巖系(Bryan et al., 1972)，它們的堿含量極低，尤其是低K2O。湯加弧巖石富含A12O3，中度Fe富集，F(xiàn)e/Mg比值最高值出現(xiàn)在硅質(zhì)較高的安山巖和暗色英安巖中。痕量元素豐度相似于其他鈣堿性島弧熔巖，顯示分離結(jié)晶作用演化機制。布格重力異常自南至北呈遞減趨勢，從尤阿上的高+243 mgal到佛奴阿雷上的低+122 mgal。這一重力的減少匹配著熔巖鉀堿含量的稍許增加。然而，沿著湯加—克馬德克—新西蘭火山線最重要的成分變化發(fā)生于克馬德克和新西蘭之間，這可能反映了新西蘭北島之下地殼混染的影響。

2 洪加火山

洪加火山(南緯20.536°，西經(jīng)175.382°，海拔114 m，本次噴發(fā)之后高度已大大降低)位于湯加王國首都西北約65 km，屬于哈派群島，由洪加湯加島、洪加哈派島和2014～2015年噴發(fā)的南部新島及51個小島及無數(shù)淺灘礁石組成，是湯加火山弧上最為活躍的一個大型海底火山?；鹕阶匝蟮咨仙?500 m，底部直徑近30 km。山頂破火山口直徑約5 km。洪加湯加和洪加哈派兩個島分別位于破火山口緣北部和西北部，南部新島位于洪加破火山口中央西北側(cè)，距離北部兩島約3 km(圖2)。

圖2 洪加火山世紀(jì)大噴發(fā)之前破火山口頂部地形地質(zhì)圖

2.1 火山地質(zhì)

洪加湯加和洪加哈派兩個島嶼代表著至少被兩次造破火山口噴發(fā)(caldera-forming eruption)毀壞的錐體殘余，最近的一次在公元1040～1180年間(Cronin et al., 2017)。這兩個島主要由熔巖和巖渣組成，它們被南北走向的玄武安山質(zhì)和安山質(zhì)巖墻切割。洪加哈派最頂端熔結(jié)和非熔結(jié)的浮巖流(ignimbrite，指浮巖富集的火山碎屑流成巖或其堆積物，不表示熔結(jié)程度和體積大小，與浮巖流堆積物等效。在火山巖地層中，譯為熔結(jié)凝灰?guī)r，曾有音譯為伊格尼姆巖)層序是由造破火山口噴發(fā)形成的。在熔結(jié)和非熔結(jié)的伊格尼姆巖之下，至少還有兩個更老的噴發(fā)序列出現(xiàn)，與伊格尼姆巖之間存在一個古土壤層噴發(fā)間斷。在造破火山口噴發(fā)之后，本火山經(jīng)歷了1921、1937、1988、2009、2014～2015年等多次火山噴發(fā)(圖2)。

2.2洪加火山巖漿成分

較早熔巖流和巖脈的巖石主要呈斑狀結(jié)構(gòu)，不同粒度(0.5～2 mm)斑晶的體積分?jǐn)?shù)從幾個百分點上升到30%～40%。前破火山口(pre-caldera)熔巖無明顯的斑晶隨時間富集的趨勢。斑晶主要為斜長石，也有少量單斜輝石和斜方輝石，通常是單礦物晶體，但也見次輝綠交生現(xiàn)象。

相對于湯加火山弧內(nèi)其他火山的巖漿成分，洪加火山(陸地部分)的玄武安山巖與安山巖整體顯示出一個更窄的低鉀亞堿性系列趨勢(圖3a)。TiO2、FeO、MnO、Na2O、K2O和P2O5與SiO2正相關(guān)，Al2O3、MgO、CaO與SiO2負(fù)相關(guān)。早期熔巖與巖墻的巖漿成分變化區(qū)間更大，而年輕的火山碎屑物成分局限于安山巖。所有的2009年、2014～2015年噴發(fā)物樣品都顯示出很小的、約± 0.1%的主元素成分變化，但是不同時空的樣品還是顯示出了一定的系統(tǒng)性變化趨勢(圖3b)。相對于其它噴出物，同源包體給出了最低的SiO2含量和更大的波動性(特別是MgO含量)。

圖3 洪加火山主元素變化

痕量元素與主量元素一致顯示出分異趨勢，巖漿隨著演化而虧損相容元素(Ni、Cr、Sc、V、Sr)并富集不相容元素(Ba、Rb、Zr)。2009年和2014～2015年的噴發(fā)產(chǎn)物相比更早的噴發(fā)物有相對更多的單斜輝石相容元素(例如V，貧Fe—Ti氧化物時)和相對較少的與斜長石相容的元素(如Sr)。在SiO2較低的熔巖和同源包體里Eu/Eu*>1，表明有一些斜長石分異。相比近期凝灰?guī)r，造破火山口噴發(fā)的公元1040～1180年的火山碎屑具有較弱的V富集程度且Eu/Eu*<1。在原始地幔(McDonough and Sun, 1995)標(biāo)準(zhǔn)化圖中，洪加火山巖石有相對LILE的富集和HFSE的虧損，LREE相對于HREE也是虧損的。

2.3 洪加火山噴發(fā)歷史

洪加火山海底噴發(fā)活動開始于幾萬年前，主要是大量熔巖的溢出，形成了海底火山的底座。約1 ka前和2 ka前的兩次大規(guī)模爆破性噴發(fā)形成了山頂破火山口，在此之間發(fā)生若干小規(guī)模熔巖溢出、熔巖穹丘及爆破性噴發(fā)活動，多沿著破火山口環(huán)狀斷裂或谷底斷裂發(fā)生。

歷史記錄的洪加火山爆發(fā)發(fā)生在1912年、1937年、1988年、2009年和2014年(Siebert et al., 2010；Cronin et al., 2017；Colombier et al., 2018)。前三次都集中在巖石淺灘附近，1988年火山爆發(fā)期間的空中觀測顯示出三個不同的沿西南方向排列的噴火口。這些歷史上的火山爆發(fā)只持續(xù)了幾天，1912年和1937年的活動火山爆發(fā)指數(shù)VEI為2，1988年噴發(fā)物體積太小，VEI為 0，沒有產(chǎn)生新的陸地(Siebert et al., 2010; Taylor, 2010)。

早在2009年噴發(fā)的前3周，周圍地震的不穩(wěn)定性就被記錄下來了，地震活動表明噴發(fā)活動開始時間比第一次視覺報告的時間要早幾個小時(Bohnenstiehl et al., 2013)。當(dāng)時首先是飛行員和乘客報告了3月17日05∶05的噴發(fā)(Taylor，2010；Vaughan and Webley，2010)。小船上的乘客報告有兩個活躍的噴發(fā)區(qū)，一個沿著洪加哈派西北海岸線，另一個大約在島南方100 m(Smithsonian，2009)。上升的巖漿與海水的相互作用，產(chǎn)生一系列的猛烈爆炸，火山碎屑堆積物分布呈新月形。其中最大的一次爆炸事件將火山灰和蒸汽帶到4～7.6 km高空(Venzke et al., 2009)，在湯加塔普島都可見到噴發(fā)柱(Vaughan and Webley, 2010)。

噴發(fā)最初形成了三個溫暖的火山口湖。本次蘇特塞式噴發(fā)活動的主階段僅持續(xù)了3～5 d，蒸汽噴火口脫氣作用持續(xù)了數(shù)周。約2個月后，被火山碎屑掩埋的植被開始恢復(fù)；約10個月后，島嶼面積已經(jīng)被侵蝕到原來的約兩倍，剩下的一個火山口湖溫度～68±17oC。時序圖像表明洪加火山的陸地面積在噴發(fā)時翻了三倍，在噴發(fā)后六個月時被侵蝕了1/3。在2015年11月，只有一個北方錐體的殘余物還保存在洪加哈派西部海平面以上。結(jié)合這些陸地面積和浮巖筏的面積發(fā)生的變化，噴發(fā)物質(zhì)的總體積估計為0.0176 km3?；趪姲l(fā)的體積、噴發(fā)柱的高度和活動的持續(xù)時間，這次噴發(fā)被歸類為VEI 2事件(Bohnenstiehl et al., 2013)。

2014～2015年火山噴發(fā)始于2014年12月19日(表1)，碎屑物被拋射到幾百米高。2015年1月6日，在洪加湯加和洪加哈派之間一個新的火山碎屑島已經(jīng)高出海面約70 m。2015年1月15日，新錐增長到～80m 高度，爆炸性射汽巖漿噴發(fā)發(fā)生于三個北西—南東向排列的噴火口。噴火口遷移導(dǎo)致了島的東南邊緣部分下切和坍塌。2015年1月24日噴發(fā)活動停止，留下了一個高約120 m，寬約2 km的近圓形碎屑錐，并連接到洪加哈派島。隨后火山碎屑堆積物被侵蝕搬運形成了一個連島沙洲。連島沙洲在2015年4月12日之前都與洪加湯加相聯(lián)，并在海浪的侵蝕和搬運下，擴大了范圍(Garvin et al., 2018)。這次噴發(fā)大事記歸納于表1，從中可見噴發(fā)類型、規(guī)模與產(chǎn)物的系統(tǒng)性變化。

表1 2014～2015年間洪加火山噴發(fā)大事記

3 世紀(jì)大噴發(fā)

洪加火山2021年12月至2022年1月的噴發(fā)是該火山千年一遇級別的大噴發(fā)，人與火山交互過程可以劃分為4個階段：首先是一系列蘇特塞式噴發(fā)與造島噴發(fā)作為前奏；經(jīng)過短暫的寧靜之后開始了世紀(jì)大噴發(fā)的主要活動；造成了以火山灰和海嘯為主要致災(zāi)因素的災(zāi)難并引發(fā)了人們對全球氣候影響的憂慮；而洪加火山噴發(fā)卻在大噴發(fā)之后“悄然無聲”地迅速結(jié)束了，留給了人們無盡的思考。本文根據(jù)全球火山項目(GVP)最新周報的內(nèi)容，在附錄中以火山日記形式，回顧了本次噴發(fā)火山與人的互動軌跡。

總結(jié)洪加火山本次世紀(jì)大噴發(fā)過程，在經(jīng)歷整整6年的寧靜之后，洪加火山于2021年年末又重新喚起了人類的關(guān)注。12月20日至30日的噴發(fā)，繼承了它的蘇特塞式噴發(fā)為主的特征，間或有爆炸性強一些的次布里尼式噴發(fā)，噴發(fā)產(chǎn)物構(gòu)筑了新的火山碎屑島，與原已存在的兩個主要島嶼連成一片。12月31日至2022年1月13日，總體上可以劃分為火山噴發(fā)的“寧靜期”，這段時間火山活動很少有火山灰降落，而多表現(xiàn)為火山氣體與水蒸氣的噴發(fā)，并且是時斷時續(xù)的小規(guī)模噴發(fā)(火山氣體為主的噴發(fā)柱高度數(shù)千米之內(nèi)，對應(yīng)著北西向斷層控制的火山中心區(qū)下沉)。2022年1月14日至1月18日，在經(jīng)歷“比較長的噴發(fā)預(yù)演”和明顯的“能量再儲備”之后，洪加火山于14日開始了它極為罕見的布里尼式噴發(fā)，并于15日達(dá)到頂峰，構(gòu)成了千年一遇級別的世紀(jì)大噴發(fā)。洪加火山本次噴發(fā)有三次蘑菇云直徑都在平流層內(nèi)延展了幾百千米，前兩次分別呈北西向、北東向延長，1月15日的菜花狀蘑菇云顯示出不同高度上火山灰與大氣沖擊波的動態(tài)向外擴展過程。1月19日至24日，重新進(jìn)入休眠期，似乎是“突然之間”就結(jié)束了這次大噴發(fā)。應(yīng)該說，大噴發(fā)之前的“預(yù)演和停歇”，為管理部門疏散危險區(qū)內(nèi)民眾提供了條件。否則，距離火山5 km之內(nèi)居住的230位居民，在大噴發(fā)時將很難逃厄運。

4 未來趨勢討論

未來火山災(zāi)害分析用到的基本原理是將古論今，即根據(jù)某座火山過去的噴發(fā)歷史、噴發(fā)行為與過程，結(jié)合現(xiàn)在的火山狀態(tài)來推斷未來可能的噴發(fā)行為與災(zāi)害效應(yīng)。對于洪加火山未來噴發(fā)活動趨勢的判斷，也離不開對火山本身屬性的認(rèn)定。

4.1 后破火山口噴發(fā)活動類型與洪加火山巖漿房的補給

大洋內(nèi)中性巖漿通常是通過小體積熔巖的逐漸堆積形成海山(Tamura et al., 2019)，合適情況下也會形成大型破火山口(Firth et al., 2015; Robin et al., 1995)，這時破火山口的形成或改造通常發(fā)生在高強度大體積火山噴發(fā)(VEI>6)情況下(Newhall et al., 2018)。這些事件之間更頻繁的火山作用，即所謂的后破火山口(或稱間破火山口post-caldera or intra-caldera)噴發(fā)，典型上都是低的噴發(fā)體積和強度。在中性破火山口中，后破火山口火山巖的組成范圍相比整個火山一般都較窄(玄武巖安山巖/安山巖)。這些成分關(guān)系表明洋弧系統(tǒng)中造破火山口的火山作用不一定是由突然的新巖漿的加入引起的，而是跟隨著成百上千年的穩(wěn)定巖漿供應(yīng)進(jìn)入火山之下巖漿房和巖漿泄漏引起的。這與通常的大陸模型體系是根本不同的，在大陸模型里構(gòu)造和巖漿補給、巖漿混合與浮力作用在觸發(fā)造火山口噴發(fā)中發(fā)揮著重要作用(Cabaniss et al., 2018; Degruyter et al., 2016；Malfait et al., 2014)。

洪加火山在前破火山口(pre-caldera)、同破火山口(syn-caldera)和后破火山口(post-caldera)噴發(fā)的火山碎屑里，結(jié)構(gòu)上簡單的斜長石、單斜輝石和斜方輝石斑晶溫壓計都得到一個深度5～8 km的淺層巖漿房(圖4)，噴發(fā)前巖漿溫度多在966～1096oC之間，不同時間噴發(fā)的巖漿房內(nèi)平均水含量多在4.8%～5.1%(Brenna et al., 2022表1)。巖漿房內(nèi)沒有成分分帶，不斷受到低通量玄武安山巖漿的補給。這個直徑超過5 km的大型餅狀巖漿房內(nèi)能夠迅速地使新輸入的巖漿與原有巖漿發(fā)生對流式混合形成均勻的巖漿。巖漿房間歇性低強度供給，后破火山口作用具有穩(wěn)定的安山巖成分，

圖4 洪加火山破火山口、巖漿房與火山通道系統(tǒng)(引自Brenna et al., 2022)

4.2 海底火山蘇特塞式噴發(fā)水對巖漿碎屑的淬火與海嘯引發(fā)機制

海底火山噴發(fā)也存在爆破性和溢流式兩種形式，除了巖漿中揮發(fā)分含量的因素，更主要地取決于噴發(fā)位置的海水深度。由于海水對熔巖的冷卻效應(yīng)與空氣大為不同，使得巖漿與海水接觸時的散熱過程發(fā)生了極大的改變。在深海，巖漿上方水柱壓力足夠大，巖漿無法炸碎。水對巖漿的淬火作用也十分強烈，所以表現(xiàn)為寧靜式溢流，形成枕狀熔巖為代表的海底火山巖。有時巖漿未上升到海底，只有滲透性更強的火山氣體上升到海底，就表現(xiàn)為經(jīng)常攜帶礦物質(zhì)的海底黑煙囪，如馬里亞納海溝等地所見(Chadwick et al., 2008)。

在個體很大的海底火山頂部或者海水較淺環(huán)境的火山，則更可能發(fā)生爆破性噴發(fā)，通常表現(xiàn)為蘇特塞式噴發(fā)。蘇特塞式噴發(fā)是根據(jù)冰島的蘇特塞島1963～1964年噴發(fā)而命名的(Thorarinsson, 1967)，噴發(fā)時具有巖漿遇水爆破式反應(yīng)的特征(Walker & Croasdale, 1971)，其碎屑化和氣孔化程度與純巖漿爆炸有很大不同(Sheridan and Wohletz, 1983)。在深水環(huán)境，碎屑化之前的氣孔化作用受到水壓的阻礙，水對巖漿的高效冷卻也阻礙了碎屑化后氣泡的生長與聚合，因而產(chǎn)生致密的玻璃質(zhì)碎屑(LiuYanget al., 2005；Schipper et al., 2011)。而在淺水(水深<200 m)蘇特塞式噴發(fā)時，火山口上方蒸汽罩(steam cupola)可以使巖漿與海水隔絕。因此，淬火不像在深水情況下那樣迅速，對氣泡化的影響就可能較小(Kokelaar, 1986)。深海環(huán)境噴發(fā)時，上覆水柱的壓力極大地限制了噴發(fā)的爆破性，與海水接觸的巖漿表面形成的蒸汽罩被迅速瓦解，使得巖漿與水直接接觸，這可以產(chǎn)生極高的冷卻速率。從而形成深水環(huán)境的片狀熔巖玻璃(也稱貝蕾藻，Limu o Pelé)。由于洪加火山噴火口水深較淺(遠(yuǎn)小于200 m)，極易發(fā)生蘇特塞式噴發(fā)。Colombier等(2018)估計的洪加火山玻璃相轉(zhuǎn)變溫度在535～584°C之間，碎屑化后浮巖內(nèi)巖漿水含量為 1.01%。由于噴發(fā)物與海水之間厚層蒸汽罩的存在，使得巖漿碎屑可以繼續(xù)發(fā)生氣泡化與碎屑化。類似于陸上噴發(fā)那樣，火山灰伴隨著火山氣體上沖到平流層內(nèi)。巖漿與水接觸界面上存在穩(wěn)定的蒸汽膜，并產(chǎn)生萊頓弗羅斯特效應(yīng)(圖5)，促進(jìn)了巖漿碎屑內(nèi)部進(jìn)一步的氣孔化，有利于碎屑物上升到更高的高度。

圖5 直接的巖漿—水接觸和有穩(wěn)定蒸汽膜的形成時水和碎屑邊緣的溫度條件(萊頓弗羅斯特效應(yīng); 修改自Dhir & Puhorit, 1978)

對于這次洪加火山噴發(fā)引發(fā)海嘯的機制，可能性之一是爆炸沖擊波，向外擴張的沖擊波推動了海面表層海水的向外擴展；可能性之二是淺海環(huán)境蘇特塞式噴發(fā)本身就有向外排走海水的能力，巨大的出口壓力使得火山通道頂端噴火口位置產(chǎn)生了極大的水平方向刻蝕力。伴隨著低平火山口的形成，海水涌浪向四周擴散，從而形成海嘯。

4.3 類比性評判分析

參照類似火山的噴發(fā)行為，類比推測目標(biāo)火山未來的可能行為，也為火山災(zāi)害研究提供一個“它山之石”的借鑒。造破火山口噴發(fā)之后，后續(xù)噴發(fā)的時間間隔分兩種：一種情況是當(dāng)后續(xù)巖漿補給連續(xù)性好且補給的巖漿通量較大時，大噴發(fā)之后很快就會發(fā)生新的火山噴發(fā)，表現(xiàn)為中央穹丘或破火山口邊緣斷裂控制的熔巖穹丘或熔巖流，就像圣海倫斯火山那樣。另一種情況是后續(xù)巖漿補給量過小，即使有巖漿上升，通常也只能上侵到淺部形成潛火山巖。地表長時間內(nèi)見不到火山噴發(fā)，火口湖則可能應(yīng)運而生，就像長白山天池火山和菲律賓皮納圖博火山表現(xiàn)的那樣。對于洪加火山，這次大噴發(fā)之后，究竟是緊接著發(fā)生后續(xù)小規(guī)模造穹噴發(fā)或熔巖溢出？還是長時間內(nèi)不見火山噴發(fā)？這主要取決于深部巖漿的補給速率，而根據(jù)Brenna 等人(2022)最新研究成果，洪加火山巖漿房下部的巖漿補給速率并不高，有充裕的時間在巖漿房內(nèi)發(fā)生對流擴散等均一化吸收過程?，F(xiàn)有監(jiān)測資料也見不到深部巖漿有運移現(xiàn)象，這也意味著近期不太可能發(fā)生后續(xù)噴發(fā)。雖說目前還沒有噴發(fā)后巖漿房內(nèi)空虛情況的資料，但是噴發(fā)后火山頂部的整體下沉是肯定的，殘余洪加湯加島、洪加哈派島數(shù)十米的下沉和新建火山島的重新沉入水下的過程，就表明了這種過程。地震監(jiān)測資料也指示了破火山口內(nèi)部塊體調(diào)整重力負(fù)荷的過程，預(yù)計穩(wěn)定一段時間之后，將會再次發(fā)生小規(guī)模的爆破性或溢流及侵出式噴發(fā)。噴發(fā)地點不會再局限于破火山口靠西北部位，在破火山口東側(cè)、南側(cè)火口緣及中心位置，都是潛在噴發(fā)點，就如圖2指示的東側(cè)火口緣熔巖穹丘與東南側(cè)的1921年和1937年噴火口位置所示。具體噴發(fā)地點需要屆時根據(jù)詳實的地震、形變等監(jiān)測資料來判斷。未來洪加火山噴發(fā)形式，一種可能是沿著破火口周邊斷裂或近中央地帶的熔巖穹丘，這可能伴隨著地形抬升而發(fā)生；也可能是北西向巖墻補給的熔巖溢出，就如圖1b海底火山地形顯示的北西向巖墻指示的那樣；洪加火山目前還保持著淺水環(huán)境海下火山的特性，巖漿內(nèi)揮發(fā)分含量也會保持高位，未來噴發(fā)時附帶次布里尼式噴發(fā)的蘇特塞式噴發(fā)就會比較常見，但是爆炸規(guī)模應(yīng)該不大于VEI 2級，因為洪加火山歷史上的后破火山口噴發(fā)很少有超過VEI 2以上的規(guī)模。類似于印尼克拉克托火山2018年噴發(fā)時的情形，大氣沖擊波、射汽巖漿噴發(fā)和火山山體滑坡引起的海嘯也是可能的災(zāi)害類型(https://www.oysteinlundandersen.com/krakatau-volcano-witnessing-the-eruption-tsunami-22december2018/)。

雖然現(xiàn)在的洪加火山已不再噴發(fā)，但是火山本身還是活動的。類似于陸地上造破火山口噴發(fā)之后的硫質(zhì)噴氣階段(Solfatara Stage)火山行為一樣，在洪加火山大量的火山脫氣過程還會持續(xù)一段時間。只不過由于在海平面以下，這些脫氣過程不易為世人所常見。脫氣成分不以富S質(zhì)為主，而是更富CO2成分。鑒于此，洪加火山及周圍海水環(huán)境可能會受到影響，海水褪色、海洋葉綠素a濃度(OCC)和海洋表面溫度(目前可能的拉尼娜現(xiàn)象趨勢)都可能發(fā)生波動。特別是以束毛藻為主導(dǎo)的海洋葉綠素濃度，很可能由火山灰的海洋施肥作用和海洋表面溫度的上升作用而引起，就像附近的礁石之家火山2006年8月噴發(fā)后所表現(xiàn)出來的那樣(Mantas et al., 2011)。作為本文的結(jié)尾，推測洪加火山未來蘇特塞式噴發(fā)時，小規(guī)模造島、火山閃電是大概率事件，并且不止一個噴火口同時噴發(fā)。

致謝：本文承蒙地質(zhì)論評編輯部章雨旭副主編約稿，綜述資料中除了所列主要參考文獻(xiàn)外，也匯集了全球火山項目(GVP)相關(guān)網(wǎng)站及CCTV電視畫面等內(nèi)容。審稿專家對論文初稿提出了很好的中肯的建設(shè)性的修改意見，在此一并感謝。

附錄：洪加火山世紀(jì)大噴發(fā)日記(原始資料主要引自全球火山項目最新周報和CCTV報道畫面)

2021年12月20日9:35(當(dāng)?shù)貢r間，以下同)，海底火山噴發(fā)開始，富蒸汽和火山灰的煙柱高達(dá)6 km。

9:40，煙柱上升到16 km并向北漂移。噴發(fā)后12 h內(nèi)整晚都聽到爆炸聲并可見閃電。噴發(fā)所釋放的SO2氣體約9 kt。瓦瓦烏島最初1～2 h內(nèi)每分鐘都聽到幾次爆炸聲，之后爆炸聲斷斷續(xù)續(xù)。

12月21日02:00左右，無火山灰釋放，之后斷斷續(xù)續(xù)的火山灰和閃電持續(xù)一天。噴發(fā)柱高度6.1～12.2 km，飄向北和東北方向。

12月22～28日，20日開始的噴發(fā)一直在持續(xù)。其中22～23日彌散火山灰的連續(xù)氣體—蒸汽柱高6.1～12.2 km，飄向東北。

12月22日，蘇特塞式噴發(fā)，火山灰高350 m，噴火口與2014年噴發(fā)同位置(附圖1a)。大量SO2向東北偏北擴散，覆蓋了哈派、瓦瓦烏和紐阿托普塔布群島。

附圖 1 2021～22年世紀(jì)大噴發(fā)照片

12月23日，SO2濃度最高，主要向東北方向擴散。

12月24日，噴發(fā)柱斷斷續(xù)續(xù)上升到10.4 km，有時高達(dá)12.2 km。設(shè)立警戒帶，禁止進(jìn)入火山口5 km以內(nèi)。

12月25日，島嶼在東側(cè)上升300～600 m，火山灰落在半徑10 km的范圍內(nèi)。

12月25～28日，蒸汽和氣體柱上升了9.1～12.2 km，并向北和東北方向漂移，火山灰柱的下部富含火山灰，高達(dá)3 km(附圖1b)?；鹕交覂H降落火山附近。

12月27～28日，氣體和蒸汽云在火山之上海拔1～18 km向東漂移。警告居民保護(hù)水庫，防酸雨。

12月28日，所有航班取消。

12月28～29日，幾次蘇特塞式涌浪，有的持續(xù)半小時。氣體、蒸汽與火山灰柱至少升高到12.2 km，向北飄散，但是噴發(fā)柱富灰部分高度要低一些。降灰局限于島上。

12月30日，海水褪色，浮巖筏見于島周邊(自噴發(fā)開始時就已見到)。白天都可見到蒸汽—氣體柱，偶爾有碎屑拋出物。噴發(fā)柱升高到12 km飄向NNE。

12月31日上午，間歇性火山灰、蒸汽—氣體柱升高到3 km，但是蒸汽—氣體部分升高到18 km，中午前后開始不見火山灰。

2022年1月1～2日，偶爾可見蒸汽氣體柱。其中2日22:20～22:30有一股小型火山灰柱升至6～7 km，向北漂移10 km，沿途高度下降。

1月3～13日，大噴發(fā)前較為寧靜。其中3日由于一股氣旋而看不清火山。

1月14日4:20陸上噴發(fā)蘑菇云，灰汽氣柱升至20 km到達(dá)平流層，頂部直徑200 km，造成了顯著的區(qū)域影響。

17:00～18:30，噴發(fā)柱底部約5 km寬，蘇特塞式雞尾構(gòu)造脈沖(附圖1c)，海面上擴展火山碎屑流(附圖1d)。SO2氣體釋放50 kt(5萬噸)，首都摩圖塔普島和烏阿島都有硫磺氣味。湯加氣象局發(fā)布了海嘯警報。

20：00努庫阿洛法記錄到20 cm的海嘯。噴發(fā)柱漂浮在湯加塔普、尤阿、哈派和瓦瓦烏群島上空。許多島嶼上都報告降落火山灰。

1月15日00:43～06:04，間歇性噴發(fā)，柱體最高14 km。21 h之內(nèi)(14日03:34～15日1:34)191309次閃電(附圖1e)，多達(dá)每小時30000次。

7:20，一次持續(xù)10～15分鐘的火山灰柱高達(dá)14 km，向東飄移。

17:00，一次更大的噴發(fā)開始了，噴發(fā)柱進(jìn)入平流層，最大高度30 km以上。有人根據(jù)更低的碎屑物表面溫度估計了噴發(fā)柱最大高度曾達(dá)到了58 km，但是這個結(jié)果很可能受到了所采用的大氣模型適用范圍的限制，也沒有考慮到噴發(fā)時不同時間段里大量的冷的圍巖碎屑加入的影響，從而導(dǎo)致了過高的高度估計值。噴發(fā)前約2 h，本次噴發(fā)新造島的中間部分沉入海底。噴發(fā)時向大氣中發(fā)送了世界級壓力波(附圖1f)，引發(fā)了橫跨太平洋的海嘯。努庫阿洛法居民聽到多次巨大爆炸聲并看到大規(guī)模噴發(fā)柱，火山灰覆蓋湯加群島所有島嶼。地質(zhì)人員乘軍艦觀測到海上火山碎屑流。海底電纜斷裂。

18:19，煙柱上升到15.2 km。

19:03，噴發(fā)柱頂部直徑至少有600 km寬。海嘯導(dǎo)致秘魯兩名漁民死亡和6000桶石油泄漏，美國加州兩名漁民受傷。

17:19～23:00，近40萬次閃電事件，其中20萬次發(fā)生在18：00～19：00之間。不列顛哥倫比亞省海岸的海浪高度為16～29 cm。

1月16日03:43，惠靈頓火山灰咨詢中心估計的煙柱上升到19.2 km，也有資料表明煙柱可能上升到30 km。釋放SO2質(zhì)量400 kt(40萬噸)。灰云隨平流層風(fēng)向西漂移。湯加?xùn)|部70～100 km島嶼火山灰災(zāi)害嚴(yán)重，使一些居民呼吸困難。

1月17日，先前合并的島嶼大部分已被摧毀，只留下長200 m的洪加湯加島和長700 m的洪加哈派島(附圖1g)。在阿拉斯加最高海浪高度為20～100 cm。海嘯在秘魯造成了2人死亡。新西蘭北島和查塔姆群島多艘船只被摧毀。日本數(shù)千人撤離，海浪高達(dá)80 cm，擾亂了火車、航班，破壞了港口和船只?；鹕交椅廴玖说?yīng)，阻礙了海上運輸和港口的進(jìn)出，并導(dǎo)致航班取消。阿塔塔小島已經(jīng)完全被淹沒。多重沖擊波，最大爆炸沖擊波傳播到整個地球。在斐濟(jì)、新西蘭、阿拉斯加都能聽到音爆。加勒比海記錄到的氣象海嘯(meteotsunamis)由壓力波造成，太平洋周邊幾個國家發(fā)布海嘯預(yù)警。與外島聯(lián)系已完成，一些偏遠(yuǎn)島嶼的疏散正在進(jìn)行。

1月18日，火山灰延誤了損失評估和救援工作。報告2～15 m的海嘯在湯加塔普島西海岸、尤阿島、哈派島發(fā)生，導(dǎo)致3人死亡，多人受傷。大多數(shù)國內(nèi)和國際通訊都被切斷，多地報告了重大損失。飛行考察附近島嶼褐色裸巖，植被和景觀被毀。

1月19～22日，煙柱繼續(xù)在海拔12.8～19.2 km的高度上主體向西漂移。SO2的信號還很強(附圖1h)，但火山灰很分散，很難與氣象云層區(qū)分。

1月19日13:00，15日大爆發(fā)后沒有其他噴發(fā)事件。15日的噴發(fā)云團(tuán)繼續(xù)在平流層內(nèi)向西漂移至澳大利亞。平面展布自15日17:39的18000 km2到19日13:00的1200萬km2。

1月21日，海面上浮巖筏阻礙了海上運輸。國內(nèi)航班仍然暫停，但運送救濟(jì)物資的國際航班能夠降落，并對損失進(jìn)行了空中調(diào)查。一艘修復(fù)船正在前往受損海底光纜的途中。大噴發(fā)停止5天后，國際人道主義援助抵達(dá)了這些島嶼。島嶼間和國際通信部分恢復(fù)。

1月22日，噴發(fā)煙柱的前緣環(huán)繞南半球到了非洲的東岸。21：50已經(jīng)無法檢測到火山灰。

1月23日，居民從皮羅萊烏機場跑道上掃除灰塵。新聞分享幸存見聞，并展示島嶼周圍受損的圖像。

1月24日，自噴發(fā)開始到1月24日，火山附近發(fā)生了數(shù)十次4.5～5級地震。它們可能代表了火山爆發(fā)后沿現(xiàn)有斷層的構(gòu)造移動，而不是地下巖漿的運移。

2月3日，開始修復(fù)海底光纜。至2月21日，海底光纜已修復(fù)，22日互聯(lián)網(wǎng)連接已恢復(fù)，但位于火山附近的一條國內(nèi)電纜仍可能需要數(shù)月才能修復(fù)。有研究成果顯示：1月15日大噴發(fā)時模擬的巖漿源區(qū)巖漿體積變化量約在4.3 km3左右。