宋雨佳，曹戎機，盤曉東*，顧國輝，韓 迪，關 升，孫立影

1 吉林省地震局 吉林長白山火山國家野外科學觀測研究站，長春 130117

2 中國地震局火山研究所，長春 130117

0 引 言

北京時間2022年1月15日，南太平洋島國湯加洪阿哈阿帕伊島（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）海底火山（下文簡稱“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20 km，釋放SO2約40萬噸. 引發(fā)的海嘯波及環(huán)太平洋沿岸多個國家，已造成6人死亡，至少85 000人受災，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、道路與橋梁受損嚴重，空氣及飲用水受到污染，海洋生態(tài)遭到嚴重破壞. 大量火山灰使當地農業(yè)遭受重創(chuàng)，大量牲畜因海嘯死亡，目前湯加國內航班仍然暫停. 此次火山噴發(fā)引起了全球廣泛關注.

1 湯加火山地質構造背景

湯加火山位于湯加首都努庫阿洛法以北65 km處的洪阿哈阿帕伊島，構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，地質活動十分活躍. 太平洋板塊向西側的澳大利亞板塊之下俯沖，形成了海洋島弧. 經過弧后拉張作用，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，在西側形成勞山脊，東側形成湯加山脊. 湯加山脊與太平洋板塊相鄰，火山活動十分頻繁，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日結束. 火山噴發(fā)形成了一個高約120 m、寬1.5 km（N-S）、長2 km（W-E）的新島，火山口直徑為400～500 m. 后來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)過程

此次湯加火山噴發(fā)可追溯到2021年12月，在停止活動7年后湯加火山于2021年12月20日又開始活動，噴發(fā)活動一直持續(xù)到2022年1月. 從2021年12月開始噴發(fā)以來，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46分鐘，噴發(fā)柱高度達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日之后火山活動出現(xiàn)短時平靜現(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)時間超過12個小時. 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. 此次活動噴出大量火山灰和火山氣體，有8萬多次閃電現(xiàn)象，湯加全境空氣質量受嚴重影響. 此次噴發(fā)使火山地貌及火山結構形態(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)，是本世紀以來的最大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)，火山噴發(fā)柱高度達20 km. 距火山口65 km外的首都努庫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)產生的巨響在距離火山800多千米的斐濟群島、2 200 km外的新西蘭北島都能聽見. 火山噴發(fā)產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、新西蘭等多國均監(jiān)測到氣壓數據突然彈跳的變化. 火山噴發(fā)同時引發(fā)了太平洋全域海嘯過程. 從太空中，衛(wèi)星捕捉到了一個巨大的火山噴發(fā)柱和爆炸式蘑菇狀火山灰云團. 臭氧測繪（OMPS）激光雷達衛(wèi)星數據顯示，噴出的火山灰及火山氣體已到達了平流層高度. TROPOMI（“哨兵-5P”衛(wèi)星上對流層觀測儀）基于衛(wèi)星的大氣SO2濃度測量結果，SO2排放量約40萬噸.

4 湯加火山噴發(fā)災害影響

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

（1）火山灰災害

湯加首都努庫阿洛法當地及附近島嶼的建筑、道路、植被等幾乎全被火山灰覆蓋，受損嚴重；農作物也被火山灰掩埋，支柱產業(yè)農業(yè)受災嚴重；湯加國際機場跑道上的火山灰覆蓋范圍廣，清理困難導致打通空中救援通道受阻. 火山灰還可能影響了湯加境內的通訊，嚴重污染了飲用水源，給居民日常生活造成了不便.

（2）海嘯災害

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

受海嘯影響，秘魯利馬附近海域發(fā)生了嚴重的石油泄漏，截至1月20日已污染了秘魯沿岸20萬平方英尺的海灘，引發(fā)了嚴重的生態(tài)災難并導致秘魯海灘關閉、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火山爆發(fā)才對大范圍天氣與氣候產生影響. 長久飄浮滯留于平流層上空的大量火山灰氣溶膠會吸收和反向散射一部分短波輻射，并減弱進入對流層的太陽輻射，從而引起天氣與氣候變化. 同時，噴上平流層的大量硫化氣體，在陽光照射下與水汽結合后會形成很小很亮的硫酸氣溶膠，它們在平流層長期飄浮會強烈反射一部分太陽輻射. 因此，選擇火山氣體中對氣候影響作用最大的SO2作為參考項，此次湯加火山爆發(fā)最大噴發(fā)柱帶入約42萬噸的SO2，小型噴發(fā)柱也多次帶入，SO2釋放總量應該在百萬噸數量級，約相當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1 700萬噸SO2），能夠達到當年皮納圖博火山“全球降溫0.5℃的無夏之年”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），這也從另一個方面削弱了其影響氣候的能力.

5 湯加火山噴發(fā)機理

太平洋板塊在湯加東側的海溝處俯沖，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）. 基于空間大地測量技術長期觀測研究結果認為，太平洋板塊整體以70.1 mm/a向西北移動，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，待壓力達到臨界時，在俯沖帶上部發(fā)生火山噴發(fā).

圖2 構造板塊運動要素解析（修改自Wikimedia Commons網站）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果，我國長白山火山也是受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用影響，二者火山活動都與板塊活動有關. 太平洋板塊俯沖作用能導致湯加火山噴發(fā)，也會對我國長白山火山產生影響. 近期湯加發(fā)生海底火山大規(guī)模爆炸式噴發(fā)事件，也警示我們應防患于未然，進一步加強長白山火山災害風險監(jiān)測預警工作.

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

為減輕和預防國內活火山噴發(fā)形成的災害，我國在長白山、龍崗、五大連池、鏡泊湖、騰沖、瓊北等6個活動火山區(qū)建立了火山監(jiān)測站，成立了火山研究中心，開展了火山監(jiān)測工作. 2020年6月成立的中國地震局火山研究所開展了國內火山監(jiān)測預測預警、國外火山活動跟蹤及信息服務工作. 目前我國火山監(jiān)測技術分為三大類，分別為火山地震監(jiān)測、火山形變監(jiān)測和火山氣體監(jiān)測，一些新的觀測技術也不斷在火山監(jiān)測中得到應用. 在火山噴發(fā)序列、巖漿成因演化、火山災害、巖漿房探測研究方面，取得了一些新的認識. 但是，由于我國火山監(jiān)測研究起步較晚，與國外火山監(jiān)測水平先進國家相比，還存在一定的差距，尚未建立火山預警系統(tǒng)，需要進一步加強火山監(jiān)測預測預警研究工作. 其中水下聲學監(jiān)測，在湯加火山監(jiān)測實踐中起到了重要作用，為國內火山監(jiān)測體系的發(fā)展提供了啟示作用（Bohnenstiehl et al., 2013）. 因此，借鑒此次湯加火山災害應對經驗，尤其是針對具有潛在噴發(fā)危險的長白山火山，建立完善的火山監(jiān)測預警系統(tǒng)尤為關鍵.

數據與來源

本文數據來源為：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

金雙根，朱文耀. 2002. 太平洋板塊運動和形變及其邊緣現(xiàn)今相對運動[J]. 大地測量與地球動力學，22（2）：57-60.

劉嘉麒，陳雙雙，郭文峰，等. 2015. 長白山火山研究進展[J]. 礦物巖石地球化學通報，34（4）：710-723

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