段 政,張 翔,陳 榮,余明剛,褚平利,洪文濤,曹明軒

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016)

火山噴發(fā)是地球內(nèi)部物質(zhì)和能量最直接的釋放形式,它既為地球生命的起源和演化提供了物質(zhì)和能量基礎(chǔ),也為現(xiàn)代人類文明的發(fā)展創(chuàng)造了重要的礦產(chǎn)資源和景觀資源[1]。另一方面,火山作用是地球深部CO2等揮發(fā)份排放的主要方式,對全球氣候的演變有著重要影響[2-5]。火山噴發(fā),特別是超級火山爆發(fā)也是地球上最劇烈、最極端的自然災(zāi)害之一,在過去的兩個世紀里共導(dǎo)致全球約25萬人死亡[6]。目前,全球約有8億人生活在活火山(1萬年來發(fā)生過噴發(fā)的火山)100 km內(nèi)的區(qū)域內(nèi)[7],潛在的火山噴發(fā)災(zāi)害是影響這些地區(qū)(甚至全球)人們生命財產(chǎn)安全的最大威脅。特別是2022年1月湯加王國境內(nèi)的洪阿哈阿帕伊島(Hunga Tonga-Hunga Ha’apai)火山的“世紀大爆發(fā)”再次將火山的危險性置于公眾視野[8],變幻莫測的火山活動也一時成為人們關(guān)注的焦點。因此,開展活火山的監(jiān)測預(yù)警工作,在當今全球“雙碳目標”和“減災(zāi)防災(zāi)”及“宜居地球”研究領(lǐng)域均具有重要的現(xiàn)實意義[2-5]。

全球約80%的活火山分布在環(huán)太平洋地區(qū),此區(qū)域也被稱為“環(huán)太平洋火環(huán)”,尤其是在西太平洋的東南亞及我國南海地區(qū),分布著全世界約三分之一的活火山,是全球最為活躍的一條“火鏈”(圖1)[9]。同時,該“火鏈”也是全球人口最為密集、數(shù)量最集中的地區(qū),其中可能的火山噴發(fā)不僅會直接造成周邊人民生命財產(chǎn)的重大損失,一次大規(guī)模的噴發(fā),特別是超級火山爆發(fā)可能對包括我國在內(nèi)的全球氣候、航空安全等產(chǎn)生重大影響。更為重要的是,“火鏈”內(nèi)的火山監(jiān)測工作嚴重不足(僅有<10%的活火山得到了近實時監(jiān)測)[10],很多火山的噴發(fā)難以提前預(yù)警。例如,2022年1月的洪阿哈阿帕伊島火山大爆發(fā)便是如此,其首次噴發(fā)的火山灰就上升至20 km高的平流層,而1月15日產(chǎn)生的噴發(fā)柱最高達到58 km,進入了大氣的中間層[11],其高度甚至已經(jīng)超過了人類歷史上迄今有記錄的最強烈火山噴發(fā)活動——公元180年的新西蘭陶波(Taupo)火山超普林尼式噴發(fā)(火山噴發(fā)柱高約50 km)[12]。這次洪阿哈阿帕伊島火山噴發(fā)還罕見地誘發(fā)了海嘯,由于沒有提前預(yù)警,在湯加王國造成了人員傷亡和大規(guī)模破壞[11]。由此可見,火山活動與人類的生存和發(fā)展密切相關(guān),我們在利用火山活動帶來的資源的同時,更應(yīng)警惕火山活動的潛在威脅。因此,加強火山災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)防工作已成為火山地質(zhì)學(xué)研究乃至減災(zāi)防災(zāi)工作的一項重要內(nèi)容。

圖1 全球全新世活火山分布圖[9]Fig. 1 Distribution map of global Holocene active volcanoes[9]

1 火山噴發(fā)機制與監(jiān)測技術(shù)的研究進展

火山噴發(fā)機制研究是揭示火山活動規(guī)律的重要途徑。一般而言,火山噴發(fā)活動主要受到火山通道系統(tǒng)內(nèi)的巖漿物理化學(xué)過程、巖漿儲庫的深度、巖漿房頂蓋的強度、早期噴發(fā)通道裂隙發(fā)育程度等因素的控制[13-14]。對于因剝蝕作用而暴露出地表的古老火山,可通過地質(zhì)填圖直接觀察到其內(nèi)部結(jié)構(gòu);對于活火山,地球物理方法則能夠?qū)崟r觀測到火山活動過程中巖漿動力學(xué)變化過程[15]。因此,古老火山機構(gòu)的地質(zhì)填圖解剖和對活火山的深部探測,可以為火山噴發(fā)機制研究和監(jiān)測預(yù)警工作提供更為全面的信息。

一般而言,火山噴發(fā)是巖漿在浮力驅(qū)動下,從地殼淺部的巖漿房(<12 km,大部分集中于4～10 km)通過火山通道快速上升至地表的過程[13-14]。這種淺部巖漿房多由來源于更深部巖漿儲庫的巖漿經(jīng)多期次注入形成,其與上方的火山通道共同組成了與噴發(fā)相關(guān)的火山系統(tǒng)[16](圖2(a))。我國東南沿海以分布大面積的晚中生代流紋質(zhì)火山巖為主要特征,這些流紋質(zhì)火山巖常出露于破火山口及火山構(gòu)造洼地等不同級別的火山機構(gòu)中,如浙江芙蓉山、拔茅、小雄、雁蕩山,江西相山,福建云山、大帽山等破火山口和浙江桐廬,安徽廬樅等火山構(gòu)造洼地,這些火山構(gòu)造又共同組成更高級的巨型環(huán)狀構(gòu)造(圖2(b))。同時,這些古老的火山經(jīng)歷了長期的風(fēng)化剝蝕作用,火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)暴露地表。經(jīng)過長期的地質(zhì)調(diào)查研究工作,已基本查明了這些火山機構(gòu)的巖性-巖相-火山構(gòu)造特征,厘清了火山噴發(fā)序列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成[17-24]。在此工作基礎(chǔ)上,很多學(xué)者還進行了系統(tǒng)性的巖石成因及巖漿演化過程研究,取得了豐碩的成果[19,25-37]。這些調(diào)查和研究成果可作為探討大型火山機構(gòu)內(nèi)部組成的重要基礎(chǔ)資料,為進一步深入研究火山的噴發(fā)機制及其資源環(huán)境效應(yīng)提供立體的研究窗口。

代表性巨型環(huán)形火山構(gòu)造:Ⅰ.四明山;Ⅱ.括蒼山;Ⅲ.遂昌;Ⅳ.南雁蕩山;Ⅴ.福安;Ⅵ.戴云山;Ⅶ.平和;Ⅷ.豐順圖2 火山噴發(fā)系統(tǒng)(淺部巖漿房-火山通道)模型(a)[16]及東南沿海晚中生代火山巖及巨型環(huán)狀構(gòu)造分布圖(b)[23]Fig. 2 Volcanic plumbing system (shallow magma chamber-volcanic channel) model (a)[16] and distribution map of Late Mesozoic volcanic rocks and mega-circular structure in Southeast Coastal China(b)[23]

通過對活火山的研究,人們注意到火山噴發(fā)前通常會發(fā)生多種前兆跡象,而火山監(jiān)測就是通過探測和分析這些前兆信息,從而達到預(yù)測火山噴發(fā)的目的。一個完整的火山噴發(fā)周期一般可以劃分為噴發(fā)間歇期、噴發(fā)前期、噴發(fā)期和噴發(fā)后期4個階段[38],每個階段的火山氣體組分、地震活動強度、變形程度和巖漿溫度均不同。近20年來,依托大量先進的監(jiān)測技術(shù),人們針對火山噴發(fā)周期內(nèi)的各種變化開展了深入研究,并取得了顯著的進展。如,利用衛(wèi)星監(jiān)測火山SO2氣體的釋放,利用全球定位系統(tǒng)(GPS)和干涉雷達(InSAR)監(jiān)測地面形變等。此外,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也使得監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸至計算機上進行自動解譯。這些新技術(shù)的應(yīng)用大大提高了人們對火山噴發(fā)的預(yù)測能力[39]。

目前,常用的火山監(jiān)測技術(shù)主要有3類:地震、地面形變和氣體地球化學(xué)監(jiān)測。另外,次聲波監(jiān)測,重、磁和電磁監(jiān)測,水位監(jiān)測和近實時攝影監(jiān)測等方法也日漸成熟,并逐步投入了實際應(yīng)用[40-43]。

1.1 火山地震監(jiān)測技術(shù)

研究表明,當巖漿向地表運移時,火山機構(gòu)的應(yīng)力分布會隨之發(fā)生改變,同時發(fā)生的巖漿破裂和黏滑運動,會導(dǎo)致火山發(fā)生規(guī)律性的震動,形成火山地震[44]。近百年來的地震資料表明,火山活動前或火山活動過程中均伴隨著火山地震。因此,火山地震也被認為是預(yù)測火山活動的最理想的指示器,尤其對中短期的預(yù)測極為有效[45]。實時的火山地震監(jiān)測也是最常用的監(jiān)測工具之一,盡管這種監(jiān)測方法在偏遠地區(qū)收集和傳輸數(shù)據(jù)比較困難,但由于設(shè)備便宜、安裝簡單,因而極利于推廣。然而,這種低成本的地震儀(地震檢波器)頻段較窄(0.7～30 Hz),僅能夠測量地震波的垂直分量。近年來,頻率范圍更廣的數(shù)字寬頻地震臺網(wǎng)(0.2～50 Hz)發(fā)展迅速,其能夠測量地震波形全部的3個分量[45]。同時,地震波的無線電信號還可以通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸,從而實現(xiàn)實時監(jiān)測。特別是隨著低成本的小口徑衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)以及移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的逐年增高,現(xiàn)在一些極偏遠地區(qū)的觀測站點也能實現(xiàn)地震波信息的實時傳輸。

值得一提的是,當火山地震背景值確定時,其地震活動的強度或地表形貌的變化可以作為火山活動的預(yù)測依據(jù)[46-47]。該項技術(shù)的預(yù)測結(jié)果可靠性受控于布設(shè)在火山及周圍的地震臺數(shù)量,布設(shè)的監(jiān)測儀器越多,預(yù)測結(jié)果就越準確。近些年爆發(fā)的菲律賓皮納圖博(Pinatubo)火山和印度尼西亞的默拉皮(Merapi)火山在噴發(fā)前均發(fā)生了地震異常波動[45]。然而,對于一些經(jīng)常發(fā)生小規(guī)模噴發(fā)的火山而言,由于火山噴發(fā)前的地震次數(shù)較少,規(guī)模也較小,其火山噴發(fā)前的地震異常難以被監(jiān)測到,甚至一些前兆地震被當作了地震活動高背景值而被忽略掉,例如尼加拉瓜的特里卡(Telica)火山[46]和印度尼西亞索普坦(Soputan)火山[47]等的噴發(fā)即是如此。

另一方面,盡管近年來火山地震監(jiān)測技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展,但對其發(fā)生機制的認識仍明顯不足,其中的難點主要集中在如何將火山地震監(jiān)測結(jié)果與巖漿動力學(xué)過程進行耦合[48]。研究表明,誘發(fā)火山產(chǎn)生異常地震活動的震源機制非常復(fù)雜,主要有兩種模式:①主動型,巖漿補給導(dǎo)致巖漿房壓力增大,驅(qū)使巖漿侵入于先存的或新形成的裂隙中,使得巖漿和圍巖持續(xù)發(fā)生振動(圖2(a));②被動型,地殼發(fā)生脆性破裂,當應(yīng)力調(diào)整時,會導(dǎo)致其中熔體分布情況發(fā)生改變,從而誘發(fā)地震[49-50]。然而,目前普遍認為火山前兆地震是由巖漿揮發(fā)份、熔體和晶體之間的相互作用共同導(dǎo)致的[48],一些火山地震預(yù)測模型也在火山噴發(fā)預(yù)測中得到了有效應(yīng)用[51-52]。

另外,除了實時的地震臺網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)外,地震檢波器陣列監(jiān)測也常應(yīng)用于對巖漿系統(tǒng)的地震層析成像研究[53]。由于地震檢波器陣列監(jiān)測不是實時監(jiān)測,因而并不適合火山爆發(fā)預(yù)警,但其卻能夠提供火山噴發(fā)前、火山噴發(fā)系統(tǒng)變化過程的直接觀測信息,是研究火山噴發(fā)機制的重要依據(jù)。更重要的是,研究表明,一些微弱的重復(fù)性火山地震通常是由火山系統(tǒng)內(nèi)部的流體遷移所導(dǎo)致的,這些微弱的重復(fù)性地震事件對火山噴發(fā)預(yù)警尤為重要[53]。然而,這種震動信號在噴發(fā)間歇期只能被近距離布設(shè)在火山周圍的設(shè)備所監(jiān)測到。最近,有學(xué)者以日本阿蘇火山為例,利用遠距離的地震臺網(wǎng)監(jiān)測資料,對火山內(nèi)淺部巖漿通道和深部巖漿房內(nèi)流體遷移所誘發(fā)的重復(fù)性地震事件進行了分析,認為其中超長周期的重復(fù)性地震事件與淺部巖漿通道內(nèi)的流體遷移有關(guān),而微弱的地震事件則可能與巖漿房頂部的流體遷移有關(guān)[54],從而實現(xiàn)了對遠距離重復(fù)性震動信號的解譯。另外,噴發(fā)前火山內(nèi)部的一些巖漿過程,如氣泡聚合[55]、氣泡或氣泡云的振蕩[56]以及火山通道的共振[57],甚至噴發(fā)過程中的噴氣過程[58],都可能會導(dǎo)致火山產(chǎn)生諧波或非諧波的震動。因此,深入研究火山噴發(fā)前的巖漿動力學(xué)過程,是準確解譯火山噴發(fā)前地震異常信號的關(guān)鍵。

1.2 地面形變監(jiān)測技術(shù)

地面形變測量是另一種常用的火山監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)主要利用地表相對高度和(或)水平距離的變化來揭示火山內(nèi)部巖漿活動。地面變形監(jiān)測技術(shù)有多種方法,包括電子距離測量(EDM)、水準測量和GPS測量,尤其是GPS測量可通過網(wǎng)絡(luò)提供近乎實時的空間變化數(shù)據(jù),從而可以揭示地表由于巖漿/熱液侵入產(chǎn)生的細微變化。此外,與傳統(tǒng)的EDM、水準測量技術(shù)相比,GPS測量還具有速度快、勞動強度低、不受天氣影響等優(yōu)勢[59]。特別是近年來,在GPS監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上,合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)在火山監(jiān)測中的應(yīng)用取得了重大進展[60-66]。InSAR監(jiān)測是利用不同時段遙感圖像之間的差異來反映地面的變形程度,這種監(jiān)測技術(shù)對<1 cm的移動非常敏感。同時,InSAR雷達信號還可以穿透云層,因而極有利于熱帶多云層地區(qū)的火山監(jiān)測工作。近年來,星載InSAR技術(shù)的應(yīng)用,可以約每12天監(jiān)測一次近赤道火山、約每4天監(jiān)測一次高緯度火山的頻率監(jiān)測火山的地面形變,并有望在10年內(nèi)實現(xiàn)對重要火山的每日重復(fù)監(jiān)測[52]。更重要的是,衛(wèi)星遙感影像可提供更廣闊的全球視角,能夠?qū)ζh、監(jiān)測設(shè)備少或難以到達的地區(qū)開展火山監(jiān)測?；诮陙淼腎nSAR監(jiān)測工作,很多之前被認為是休眠的火山竟也顯示出活動跡象[67],這給未來的火山監(jiān)測工作(尤其是我國的休眠火山區(qū))提出了新的挑戰(zhàn)。

值得指出的是,很多地質(zhì)過程(巖漿運移、滑坡、斷層作用、熱液活動及加熱/冷卻/熔融/結(jié)晶等過程導(dǎo)致的熱動力學(xué)體積變化)均能引起火山發(fā)生地面形變,甚至一些特征的地面形變模式還可以與巖漿動力學(xué)過程進行較好地對應(yīng),如巖脈侵入、熔巖流/碎屑流冷卻或巖漿房增壓等巖漿動力學(xué)過程產(chǎn)生的地面形變,均能通過InSAR監(jiān)測系統(tǒng)進行識別[68]。不同的火山活動過程似乎還表現(xiàn)出不同特征的InSAR干涉圖像,如火山錐體均勻膨脹形成的同心環(huán)狀干涉圖(圖3(a)),由巖脈侵入形成的特征型雙葉型干涉圖(圖3(b)),火山碎屑流沉陷形成的不規(guī)則狀干涉圖(圖3(c)),以及由火山淺表滑坡形成的線性位移(圖3(d)),巖漿房冷卻結(jié)晶導(dǎo)致錐體收縮(圖3(e)),破火山塌陷、同時火山中心隆起(圖3(f))和火山收縮沉降過程中受到巖漿的側(cè)向補給(圖3(g))等,均能顯示出特征性的InSAR干涉圖像[48]。

圖3 不同火山活動過程產(chǎn)生的InSAR干涉圖像[48]Fig. 3 The InSAR interferograms of different volcanic process[48]

另一方面,地面?zhèn)鞲衅餍巫儽O(jiān)測系統(tǒng)是星載InSAR監(jiān)測的有效補充,可用于驗證或校正InSAR監(jiān)測帶來的誤差。目前應(yīng)用最為廣泛的是連續(xù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),其原理主要是基于GPS和其他導(dǎo)航衛(wèi)星的信號來測量火山的三維變化,精度可達到亞毫米級[68]。其他地面監(jiān)測系統(tǒng)(如傾斜儀、應(yīng)變儀、地面雷達、水準測量和三角測量)也是有效的地面監(jiān)測手段[68]。但相對而言,這些監(jiān)測技術(shù)還只應(yīng)用到少量火山的監(jiān)測上,且難以識別地面形變的影響范圍。另外,基于地面?zhèn)鞲衅餍巫儽O(jiān)測系統(tǒng),可以對火山形變過程進行連續(xù)監(jiān)測,這對于理解巖漿動力學(xué)過程具有重要意義。對大量不同噴發(fā)周期的火山監(jiān)測結(jié)果表明,大尺度變形的火山一般持續(xù)時間都極短(<1年),而長時間持續(xù)變形的火山(>10年),其形變量一般都非常小(圖4(a))。

圖4 全球典型活火山地面形變與噴發(fā)持續(xù)時間關(guān)系圖(a)(地面形變量指地面形變最大位移)及火山地面形變與時間關(guān)系圖(b)(星形代表火山噴發(fā))[48]Fig. 4 Diagram of the ground deformation vs. eruption duration of global typical active volcanoes(a) (ground deformation values refer to maximum displacement of ground deformation) and diagrams of volcanic ground deformation vs. time (b) (the stars represent volcanic eruption) [48]

此外,火山內(nèi)部的巖漿動力學(xué)過程對地面形變監(jiān)測也有重要影響。在一般的經(jīng)典火山噴發(fā)模型中,如果深部巖漿以固定的補給速率注入淺部巖漿房時,則火山表面會以恒定的速率發(fā)生膨脹并導(dǎo)致噴發(fā)[50],且由于巖漿房排空,火山的膨脹速率又會迅速下降至巖漿補給前狀態(tài);而當補給到淺部巖漿房的巖漿通量逐漸減少時,火山的膨脹速率會隨著補給速率的降低而減緩[48];當巖漿快速上升導(dǎo)致火山突然噴發(fā)時,這種膨脹過程也隨之迅速發(fā)生,噴發(fā)后膨脹速率又會迅速恢復(fù)到巖漿快速上升前的狀態(tài);當補給巖漿脈沖式注入淺部巖漿房時,隨著補給巖漿的累積而觸發(fā)火山噴發(fā),火山的膨脹速率亦隨著補給巖漿的脈沖式注入而呈階梯式上升,并在火山噴發(fā)后迅速下降;長期活躍但不噴發(fā)的破火山,當淺部巖漿房受到巖漿或熱液的混合時,會發(fā)生脈沖式膨脹;當深部巖體以恒定的速率生長或冷卻時,則會導(dǎo)致火山表面以恒定的速率膨脹或收縮[48](圖4(b))。有研究者基于InSAR技術(shù)對不同巖漿動力學(xué)過程中的地面形變特征進行了深入研究,發(fā)現(xiàn)墨西哥中部的跨墨西哥火山帶(Trans-Mexican Volcanic Belt)和西巽他弧(The West Sunda Volcanic Arc)兩個地區(qū)的火山在噴發(fā)前表現(xiàn)出顯著不同的形變特征[69]?？缒鞲缁鹕綆е械幕鹕絿姲l(fā)時并不發(fā)生形變,而西巽他弧的火山卻普遍發(fā)生膨脹或收縮。一般而言,地表形變的強弱是火山活躍程度的反映,這也與西巽他弧火山噴發(fā)次數(shù)遠大于跨墨西哥火山帶相耦合?？缒鞲缁鹕綆Ш臀髻闼【哂邢嗨频母_速率、俯沖角度及地殼厚度[70],然而二者卻呈現(xiàn)出顯著不同的活躍度,這種現(xiàn)象以往一直未能得到較好的解釋。CHAUSSARD E等[62]注意到西巽他弧的火山存在3種形變情形,即火山噴發(fā)前發(fā)生膨脹并噴發(fā)、火山發(fā)生膨脹但不噴發(fā)、火山噴發(fā)但不發(fā)生膨脹,并認為這種差異是由火山噴發(fā)體系(開放或封閉)所控制的。研究表明,開放體系的火山噴發(fā)系統(tǒng)以頻繁去氣為特征,而封閉體系以不噴氣但熔巖穹持續(xù)隆起為標志[71]。ALBINO F等[72]認為火山機構(gòu)尺度的膨脹僅能發(fā)生于封閉體系之中,在該體系下,巖漿房(巖漿補給或揮發(fā)份出溶)(圖2(a))的增壓過程會導(dǎo)致火山噴發(fā)前數(shù)月內(nèi)發(fā)生持續(xù)隆起。相對而言,在開放體系中的巖漿則會沿火山通道噴出地表,巖漿房的增壓過程難以持續(xù),因而不會發(fā)生長時間的膨脹。因此,對于長期活躍的西巽他弧火山而言,當沒有巖漿或出溶的揮發(fā)份向淺部巖漿房補給時,火山就會處于休眠狀態(tài),火山機構(gòu)不發(fā)生形變(圖5(a)-a)。當巖漿或出溶的揮發(fā)份補給進入淺部巖漿房時,則會導(dǎo)致火山機構(gòu)發(fā)生膨脹(圖5(a)-b),當壓力超過巖漿房圍巖的形變強度時,巖漿和揮發(fā)份就會沿著火山通道噴出地表(圖5(a)-①),導(dǎo)致巖漿房的壓力降低,使得火山機構(gòu)緩慢收縮(圖5(a)-c),并進入休眠期;當下一次巖漿補給作用發(fā)生時,又會重復(fù)上述活動過程。不過,如果巖漿房增加的壓力始終低于圍巖形變強度時,則不會誘發(fā)火山噴發(fā)(圖5(a)-②)。如果巖漿停止補給,甚至還會導(dǎo)致淺部巖漿房冷卻,使火山發(fā)生收縮(圖5(a)-c′)。另一方面,對于開放體系而言(如跨墨西哥火山帶),當無巖漿補給時,火山始終處于休眠狀態(tài)(圖5(b)-a);當淺部巖漿房受到深部巖漿補給時,火山即進入活躍期,并發(fā)生噴氣或熔巖穹生長等現(xiàn)象。在此情況下,巖漿房不需要經(jīng)歷增壓過程就能使巖漿上升到地表[72],因而火山噴發(fā)前并不發(fā)生膨脹(圖5(b))。GOTTSMANN J S等[73]的研究進一步表明,這樣的狀態(tài)可能會使火山長期處于近噴發(fā)的臨界狀態(tài),巖漿房中一次小型巖漿補給、火山通道內(nèi)巖漿超壓的累積,甚至頂部熔巖穹的垮塌,都有可能導(dǎo)致火山噴發(fā)。

圖5 封閉體系(a)與開放體系(b)下的火山噴發(fā)循環(huán)模型[62]Fig. 5 Volcanic eruption cycle model under closed system (a) and open system (b) [62]

以上研究結(jié)果表明,封閉體系的火山系統(tǒng)可能會發(fā)生周期性的噴發(fā),且在噴發(fā)前可能會發(fā)生火山機構(gòu)尺度的整體隆升,這種系統(tǒng)性的地表形變就可以通過InSAR來進行監(jiān)測。然而,對于噴發(fā)前未發(fā)生明顯膨脹的火山,其情況就比較復(fù)雜,因為開放體系或無淺部巖漿房的封閉系統(tǒng)火山都有可能產(chǎn)生這樣的情況。南美洲很多火山在噴發(fā)前均未發(fā)生膨脹作用,如智利的伊瑞普坦丘(Irruputuncu)、拉斯卡爾(Lascar)、內(nèi)瓦多·德·魯伊斯(Nevado del Chillan)、科帕韋(Copahue)、亞依瑪(Llaima)、維利亞里卡(Villarrica)及柴滕(Chaiten)[74-75],阿根廷的阿拉卡斯(Aracas)和奧霍斯德爾薩拉多(Ojos del Salado),秘魯?shù)乃_班卡亞(Sabancaya)和烏比納斯(Ubinas)[74]等火山均是如此,表明這些火山可能屬于開放體系。因此,確認火山噴發(fā)系統(tǒng)的狀態(tài)是理解火山噴發(fā)及形變特征,進而開展科學(xué)監(jiān)測的重要前提。

1.3 火山氣體和溫度監(jiān)測技術(shù)

火山氣體是火山活動的重要產(chǎn)物,也是噴發(fā)啟動時釋放最為顯著、最易被監(jiān)測到的對象。在巖漿上升過程的各個階段,火山氣體含量和成分均會發(fā)生明顯的變化,故而對預(yù)測火山噴發(fā)具有重要作用,被形象地稱為“來自地球深部的電報”[69]。同時,火山氣體組分與含量主要受巖漿中的揮發(fā)份成分與去氣過程的控制,因而對巖漿動力學(xué)和巖漿揮發(fā)份的去氣過程也有重要的指示意義,而后者更是控制火山噴發(fā)和噴發(fā)方式的關(guān)鍵因素[76-80]。因此,火山氣體的監(jiān)測對于理解火山噴發(fā)機制、預(yù)測火山噴發(fā)均具有重要意義。早期的火山氣體監(jiān)測工作是通過人工用真空瓶從噴氣孔中抽取氣體,然后進行實驗室分析,這樣的氣體收集工作危險性較大,而現(xiàn)在可通過安全性較高的機載紫外、紅外光譜儀和化學(xué)傳感器獲得實時數(shù)據(jù)[81]。火山氣體作為火山監(jiān)測的關(guān)鍵指標,在火山噴發(fā)預(yù)測中多次得到成功應(yīng)用,這些火山氣體主要包括酸性氣體(如CO2、SO2、H2S、HCl、HF)、水、稀有氣體和少量揮發(fā)性的微量金屬元素[82],而其中的CO2和SO2又是主要的監(jiān)測對象(表1)。由于CO2在淺部巖漿中的溶解度很低,易大量噴出地表,當深部巖漿注入到淺部巖漿房或巖漿去氣作用增強時,常導(dǎo)致CO2排放通量/濃度的顯著升高。在火山噴發(fā)前,往往會出現(xiàn)CO2排放通量/濃度的大幅升高現(xiàn)象,CO2因此成為最有價值的火山噴發(fā)指示性氣體[83]。例如,2009年5月15日噴發(fā)的阿拉斯加的雷多堡(Redoubt)火山,其在噴發(fā)前的平靜期,CO2通量長期穩(wěn)定在1 000 t/d左右,但在噴發(fā)前的一個月,CO2通量突然上升到3 000～9 000 t/d[84]。同樣,意大利的埃特納(Etna)火山分別在1999年[85]、2002—2003年[86]、2010年[86]3次噴發(fā)以及印度尼西亞的默拉皮火山[87]在2010年的噴發(fā)之前,均直接監(jiān)測到了CO2排放通量突然升高的信號。

表1 典型火山氣體監(jiān)測到的氣體組分

另一方面,火山噴發(fā)釋放出的SO2進入大氣平流層后，會形成硫酸鹽的氣溶膠,能夠長時間影響全球氣候達數(shù)年之久,特別是酸性超級火山的爆發(fā),這種影響尤為顯著[97]。例如,7.5萬年前的印尼多巴(Toba)超級火山噴發(fā),導(dǎo)致全球平均氣溫在數(shù)十年內(nèi)下降了3～15 ℃;1815年，印度尼西亞的坦博拉(Tambora)火山噴發(fā),使得第二年(1816年)成為“無夏之年”[98]。更重要是,SO2還能與O3結(jié)合,破壞大氣圈中的臭氧層,如1991年菲律賓皮納圖博火山噴發(fā),導(dǎo)致中緯度地區(qū)臭氧層減少了約5%,且火山噴發(fā)可能還是導(dǎo)致生物滅絕事件的重要因素[99]。實際上,雖然很多火山噴發(fā)的監(jiān)測結(jié)果表明火山噴發(fā)時常伴隨著SO2釋放的顯著變化,但SO2釋放量的監(jiān)測卻長期是火山監(jiān)測工作的難點。20世紀70年代以來,主要利用紫外光譜儀(UV)對火山SO2釋放量進行地面監(jiān)測,但因時間分辨率較低而難以與連續(xù)的地球物理監(jiān)測數(shù)據(jù)進行結(jié)合,僅能進行長時間尺度的SO2釋放監(jiān)測[100]。后來,隨著紫外線相機的應(yīng)用,使得SO2圖像實時監(jiān)測成為可能[101],這極大地促進了對火山去氣的連續(xù)監(jiān)測研究。特別是近年來星載傳感器(如高光譜)有效應(yīng)用于SO2排放的監(jiān)測工作中,可將氣體監(jiān)測與火山地震和地面形變等地球物理監(jiān)測技術(shù)進行聯(lián)用[102],從而使得火山監(jiān)測信息更為全面。目前,美國星載臭氧層監(jiān)測儀(OMI)、大氣紅外探測儀(AIRS)以及我國的高光譜觀測衛(wèi)星大氣微量氣體差分吸收光譜儀(EMI)是進行火山噴發(fā)監(jiān)測和火山氣體排放監(jiān)測的主要衛(wèi)星系統(tǒng),前兩者的數(shù)據(jù)可通過NASA網(wǎng)站免費獲取。

值得一提的是,揮發(fā)份出溶作為火山噴發(fā)的重要驅(qū)動力之一,了解氣體釋放速率與其他地球物理特征的變化關(guān)系,對深入理解火山噴發(fā)過程至關(guān)重要。長期的SO2監(jiān)測結(jié)果表明,SO2的釋放速率似乎與地震活動密切相關(guān)[103],于是可以利用高分辨率的SO2釋放速率與地震強度變化關(guān)系來建立SO2釋放通量與火山活動關(guān)系的噴發(fā)動力學(xué)模型。研究表明,巖漿中氣泡濃度越高或氣泡上升速度越快,產(chǎn)生的震動可能就越強,因而巖漿揮發(fā)份濃度越高、上升速率越快,其產(chǎn)生的震動信號振幅就越大,通過火山通道釋放的氣體速率也就更高[104]。NADEAU P A等[102]通過聯(lián)用地震儀、目視監(jiān)測和紫外攝像機對危地馬拉富埃戈(Fuego)火山在2009年1月噴發(fā)時的噴氣與地震震動之間的關(guān)系進行研究,發(fā)現(xiàn)在該座火山的噴發(fā)過程中,SO2從火山的兩個噴口中噴出(圖6(a)),且地震二次平均振幅與SO2的釋放速率存在顯著的相關(guān)性。同時,這座火山無溢流作用,可能表明其巖漿的補給量較低,導(dǎo)致火山通道中的巖漿更易冷卻和固結(jié),甚至堵塞火山噴發(fā)通道(圖6(b)),從而更進一步阻礙巖漿中揮發(fā)份的上升,使得揮發(fā)份在被堵塞的火山通道下方進一步聚集,當其中的巖漿超壓超過圍巖的應(yīng)變強度時,就會導(dǎo)致火山再次發(fā)生爆發(fā),而SO2氣體排放會再次升高,然后逐步下降到揮發(fā)份自由去氣的水平(圖6(c))。

(a).兩個噴發(fā)口都能自由去氣;(b).火山通道上部固結(jié)抑制了頂部氣體的釋放,但側(cè)面噴氣不受影響;(c).固結(jié)巖漿下的壓力超出圍壓,導(dǎo)致富火山灰式爆發(fā),積聚氣體突然釋放,然后恢復(fù)到自由噴氣狀態(tài)圖6 富埃戈火山爆發(fā)過程中火山氣體釋放速率示意圖[102]Fig. 6 Schematic diagrams of the volcanic gas releasing rate during the eruption of Fuego volcano[102]

有意思的是,不同構(gòu)造背景下的火山噴出的氣體組分與溫度似乎也存在明顯差異,俯沖帶的火山氣體溫度一般<1 000 ℃,但裂谷和洋島背景下的火山氣體溫度一般>1 000 ℃(表2)。SYMONDS R B等[105]注意到俯沖帶的火山氣體一般比裂谷帶和洋島的H含量偏高,含有更多的HCl,而C和S偏低。因此,俯沖帶火山氣體SO2/HCl值一般低于裂谷帶。另外,也有研究認為堿性巖漿通常具有較高的CO2含量,而富含Mg和Fe的巖漿則H2O含量較高[106,113]。 然而,目前仍未明確建立火山氣體組分與巖漿類型之間的關(guān)系。

表2 不同構(gòu)造背景下火山噴發(fā)的氣體組分

另一方面,溫度監(jiān)測也是一種較為常用的監(jiān)測方法,其主要是通過使用極高分辨率輻射計等傳感器來探測火山的生熱區(qū)[114]。然而,由于熱源(火山的噴口或新的熔巖流)太小,衛(wèi)星熱傳感器無法定量分析,只能通過手持或機載的紅外傳感器進行地面或低空監(jiān)測。

1.4 次聲波監(jiān)測技術(shù)

次聲波監(jiān)測是近年來發(fā)展起來的火山監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)主要是通過監(jiān)測火山排氣過程(爆炸、爆發(fā)、噴射、噴發(fā)震動)與大氣耦合產(chǎn)生的20 Hz以下且與p波相似的聲波來進行監(jiān)測。這種監(jiān)測方式不僅可以預(yù)測火山噴發(fā)時間,還可以預(yù)測火山噴發(fā)的類型和烈度[115]。

1.5 重、磁和電磁監(jiān)測技術(shù)

火山噴發(fā)前,當巖漿上升至淺部時會造成磁場的顯著變化,地面形變也會導(dǎo)致重力發(fā)生細微變化,其與磁異常相結(jié)合已被有效地用于火山監(jiān)測,被稱為微重力監(jiān)測組合技術(shù)。西西里島埃特納玄武質(zhì)火山噴發(fā)前就發(fā)生過顯著的磁異常,這種異常主要是由于淺部巖漿房受到了補給巖漿的注入[116]。微重力監(jiān)測可以對火山進行實時的連續(xù)監(jiān)測,并能探測到其他技術(shù)無法獲取的火山機構(gòu)內(nèi)部的變化信息。這種技術(shù)已有效地應(yīng)用于對美國加州長谷(Long Valley)火山口下巖漿侵入活動[117],以及對埃特納火山巖漿巖脈侵入活動[118]等研究上。另外,一些電磁方法,如瞬變電磁、自然電位和大地電磁,也可能揭示火山噴發(fā)前熱液系統(tǒng)的變化過程。有意義的是,伴隨著火山氣體和火山灰的爆發(fā)會產(chǎn)生大量的電荷,從而導(dǎo)致閃電現(xiàn)象,放電過程會產(chǎn)生非常低頻的無線電波,利用低成本的無線電頻率傳感器網(wǎng)絡(luò),可實現(xiàn)遠程無線電波探測。2010年以來,全球閃電定位網(wǎng)(WWLLN; wwlln.net)實施的火山灰云監(jiān)測項目已經(jīng)通過該技術(shù)監(jiān)測到多個火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰云,尤其是在雷暴罕見的高緯度地區(qū)產(chǎn)生的火山爆發(fā)。

1.6 水位監(jiān)測技術(shù)

當巖漿上升到火山機構(gòu)淺部時,會影響地下水系統(tǒng)。上升的巖漿和氣體可能會對含水層加壓而產(chǎn)生噴泉,使井中的水位上升或下降。例如,1993年菲律賓馬榮(Mayon)火山[119]和2000年日本阿蘇火山[120]在爆發(fā)前均發(fā)生了地下水位變化。此外,地下水位的變化還可能導(dǎo)致大量地下水直接排出地表,并形成更為直觀的火山泥流現(xiàn)象,如1902年發(fā)生的培雷(Pelée)火山[121]以及2007年哥倫比亞威拉(Huila)火山爆發(fā)[122]?；鹕絿姲l(fā)前水位的變化通?？梢岳媒⑺粋鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)來進行監(jiān)測,雖然目前火山監(jiān)測站通常無水位監(jiān)測項目,但這種監(jiān)測方法卻是一種相對低成本和靈敏的監(jiān)測方法。

1.7 目測及其他類型的監(jiān)測技術(shù)

目測監(jiān)測技術(shù)是最基礎(chǔ),也是最傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù),但近十年來迅速發(fā)展的近實時攝影定量測量在火山監(jiān)測中取得了重大進展[45]。同時,對火山進行野外調(diào)查和取樣分析,可以對巖漿揮發(fā)份濃度比值(CO2/H2O、CO2/SO2、CO2/HCl、SO2/HCl 和SO2/HF等)、同位素濃度比值(3He/4He)、黏度和孔隙度等參數(shù)的變化進行巖石學(xué)監(jiān)測,而這些參數(shù)是預(yù)測火山噴發(fā)的重要依據(jù)[84,123]。值得一提的是,近年來迅速發(fā)展的無人機火山監(jiān)測技術(shù)得到了有效的應(yīng)用, MCGONIGLE A J S等[124]首次應(yīng)用無人機搭載光譜儀和熱紅外電子傳感器對意大利武爾卡諾島上未噴發(fā)的拉佛薩(La Fossa)火山釋氣情況進行了監(jiān)測,并成功直接獲取了SO2氣體通量和CO2/SO2值,通過計算獲得CO2通量。此外,SHINOHARA H[125]還利用無人機搭載光譜儀對正在噴發(fā)的日本新燃岳火山噴出氣體進行了持續(xù)監(jiān)測,其獲得的SO2/H2S值與距火山5 km的固定臺站觀測的火山氣體的SO2/H2S值一致,證實了無人機火山監(jiān)測技術(shù)的有效性。

2 國際活火山監(jiān)測現(xiàn)狀

2.1 美國火山監(jiān)測工作

美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)主要負責(zé)太平洋西北部、阿拉斯加和夏威夷的火山監(jiān)測,并設(shè)立了火山災(zāi)害項目(VHP)。該項目負責(zé)管理美國5個火山監(jiān)測站的運行與維護,每個火山監(jiān)測站負責(zé)某一活火山區(qū)內(nèi)的火山監(jiān)測工作。VHP主要通過對活火山開展詳細的地質(zhì)填圖和年代學(xué)測試工作,劃分火山噴發(fā)時代和期次,查明火山噴發(fā)規(guī)律,為科學(xué)預(yù)測下一次火山噴發(fā)提供依據(jù)。同時,火山監(jiān)測站還要根據(jù)監(jiān)測資料的分析結(jié)果,向公眾發(fā)布近期和遠期的火山災(zāi)害信息,如災(zāi)害疏散通知、災(zāi)害地圖、災(zāi)害評估及相關(guān)新聞;負責(zé)編制有關(guān)火山研究報告,定期提供火山活動狀態(tài)和遠期活動預(yù)測結(jié)果。

另外,美國地質(zhì)調(diào)查局還積極參與到全球火山災(zāi)害援助工作中,其聯(lián)合美國境外災(zāi)害援助辦公室共同設(shè)立了火山災(zāi)害援助項目(VDAP),該項目主要為全球有關(guān)國家的火山災(zāi)害管理部門提供技術(shù)支撐和科學(xué)援助,包括提供火山監(jiān)測工具,如地震儀、衛(wèi)星、GPS 和氣體監(jiān)測裝備等。同時,根據(jù)外方的需求,參與項目的約20名美國科學(xué)家會協(xié)助進行火山災(zāi)害監(jiān)測、火山活動預(yù)測、早期預(yù)警評估與制定應(yīng)急預(yù)案和國際救援機構(gòu)溝通等工作。尤為重要的是,在火山噴發(fā)前、噴發(fā)期間和噴發(fā)后的全過程中,他們還提供一些基礎(chǔ)的監(jiān)測設(shè)備,如地震臺站、監(jiān)測衛(wèi)星影像、GPS信息和氣體監(jiān)測裝備等[45]。VDAP屬于典型的互利雙贏科研項目,該項目目前已協(xié)助全球12個國家處理了70多次火山緊急情況,使美國和受援國政府都直接從合作中受益。更重要的是,通過協(xié)助其他國家進行火山監(jiān)測與減災(zāi)工作,美國地質(zhì)調(diào)查局不僅加強了國際合作,而且還獲得了第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,為美國火山災(zāi)害政策的制定也提供了重要的科學(xué)經(jīng)驗和方法。

2.2 日本火山監(jiān)測工作

日本氣象廳(JMA)負責(zé)監(jiān)測和發(fā)布日本火山危險警報。氣象廳負責(zé)日本全國50座重要的活火山的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),這些監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通常裝備有地震儀、水平儀、應(yīng)變儀、次聲波和可視攝像機,監(jiān)測數(shù)據(jù)全年24小時不斷地實時傳輸?shù)綒庀髲d的6個火山觀測站和預(yù)警中心。同時,研究人員會根據(jù)研究項目需要而布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),這些研究數(shù)據(jù)也會傳輸?shù)饺毡練庀髲d監(jiān)測系統(tǒng)。國立地球科學(xué)和防災(zāi)研究所為日本16座火山建立了“火山監(jiān)測系統(tǒng)”,主要設(shè)備為鉆孔型高靈敏度地震儀和水平儀、寬頻地震儀和全球定位系統(tǒng)(GNSS)。日本地理空間信息管理局負責(zé)的“地理信息網(wǎng)絡(luò)” 系統(tǒng)中的1 300個GNSS臺站數(shù)據(jù)也被應(yīng)用于火山活動監(jiān)測與評估[126]?；鹕骄瘓笠话阌扇毡練庀髲d的火山觀測與預(yù)警中心根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布,然后通過媒體和當?shù)叵嚓P(guān)部門通知到本地居民。另外,日本氣象廳還會根據(jù)日本火山爆發(fā)預(yù)測協(xié)調(diào)委員會(CCPVE)的討論結(jié)果,適時舉辦新聞發(fā)布會,如發(fā)布正在進行的火山噴發(fā)活動情況,然后地方政府市長會根據(jù)日本氣象廳的火山災(zāi)害評估結(jié)果判斷是否進行緊急疏散。

2.3 歐盟火山監(jiān)測工作

近年來,歐盟主要通過設(shè)立FUTUREVOLC和EVOSS兩個火山監(jiān)測項目來開展歐洲火山監(jiān)測工作。FUTUREVOLC項目主要針對歐洲等地的6座火山進行監(jiān)測和研究,通過火山氣體探測器、次聲波傳感器、高分辨率照相機和地震儀等設(shè)備,建立起歐洲火山監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和預(yù)測模型(http://futurevolc.hi.is/)。同時,該項目還致力于加強火山學(xué)家和民防部門的溝通聯(lián)系,并協(xié)助后者更好地接收火山噴發(fā)方面的科學(xué)建議并采取妥善對策。EVOSS項目(European Volcano Observatory Space services)是一個衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng),可自動監(jiān)測全球范圍內(nèi)的火山噴發(fā)情況,并可將實時數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)民防部門。這個系統(tǒng)能提供火山爆發(fā)產(chǎn)生的高溫、火山灰和火山氣體以及地球表面的形變3個方面的監(jiān)測數(shù)據(jù),研究人員可以利用這些信息預(yù)測某座火山的未來發(fā)展趨勢。

此外,一些活火山分布較多的國家還設(shè)有專門的機構(gòu)來開展全國的火山監(jiān)測工作,如意大利國家地球物理與火山研究所(INGV)負責(zé)意大利火山的監(jiān)測和信息發(fā)布工作;冰島氣象局(IMO)向冰島公眾和航空部門發(fā)出火山噴發(fā)警報,同時開展火山學(xué)監(jiān)測和研究;英國還設(shè)立了STREVA項目(https://streva.ac.uk/)用來評估火山噴發(fā)風(fēng)險及危害,并建立有效的應(yīng)對預(yù)案。

3 中國火山監(jiān)測現(xiàn)狀

中國是活火山分布較廣的國家,目前共確定了14個全新世活火山噴發(fā)區(qū),東達臺灣、西至昆侖,北起黑河,南極瓊島,輻射全國,其中12個處于環(huán)太平洋火山活動區(qū)(圖7)。長白山天池火山是我國規(guī)模最大、最具潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險的活火山,明代以來就發(fā)生過5次中小規(guī)模噴發(fā),而公元946年的大噴發(fā)稱之為“千年大噴發(fā)”(Millennium Eruption),更被認為是全球近2 000年來最大的火山噴發(fā)事件之一,其火山灰漂落到1 000 km之外的日本[127]。我國對這些火山區(qū)已開展了大量的研究工作,尤其是火山的高分辨年代學(xué)研究,這對火山災(zāi)害評估和火山分類具有重要意義。對于缺乏歷史記載的全新世火山,直接對火山巖進行同位素定年很困難,以往對中國活火山年齡的限定主要通過40Ar-39Ar法,但誤差較大。最近,鄒海波等[128]利用具有高時間分辨率的鐳-釷-鈾非平衡法精確測定了中國東部若干年輕火山的年齡,限定了海南島的火山活動時代為5 ka之內(nèi)(馬鞍嶺:4.3 ka;雷虎嶺:4.7 ka),鏡泊湖火山為4.9 ka;龍崗火山最晚噴發(fā)時代為7.0 ka,它們均明顯小于以往的測年結(jié)果,而與歷史文獻記錄較為接近[129],更加凸顯了我國活火山活動的頻繁性與火山監(jiān)測的迫切性。

圖7 我國新生代火山巖、活火山與火山監(jiān)測機構(gòu)分布圖Fig. 7 Distribution of Cenozoic volcanic rocks, active volcanoes and volcanic monitoring institutions in China

然而,相對國際火山監(jiān)測工作而言,我國的火山監(jiān)測工作起步較晚。2000年,中國地震局成立了中國地震局火山研究中心,重點開展我國的火山監(jiān)測和預(yù)警研究。20余年來,我國已經(jīng)陸續(xù)在長白山、龍崗、五大連池、鏡泊湖、騰沖和瓊北地區(qū)建立了6座火山觀測站,負責(zé)野外觀測點的建設(shè),設(shè)備的安裝和維護,數(shù)據(jù)的采集、分析和傳輸,異常的驗證。依托吉林、黑龍江、云南和海南4省地震局分別建立了4個省級火山網(wǎng)絡(luò)中心(圖7),負責(zé)全省活火山監(jiān)測和研究工作,管理和組織全省所有的野外觀測點和火山觀測站。2006年,在中國地震局地質(zhì)研究所建成了國家火山監(jiān)測臺網(wǎng)中心,負責(zé)從全國各地的觀測網(wǎng)絡(luò)和臨時監(jiān)測站傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、分析、處理、存儲和對外服務(wù)[130]。尤其是2020 年11 月在吉林長春成立了中國地震局火山研究所,主要開展國內(nèi)火山監(jiān)測預(yù)測預(yù)警、國外火山活動跟蹤及信息服務(wù)工作,使我國的火山監(jiān)測研究與預(yù)警工作邁入了新的發(fā)展階段。

另一方面,在監(jiān)測技術(shù)上,與國外相比我國仍處于相對落后的狀態(tài),主要體現(xiàn)在監(jiān)測的項目較少。目前我國主要是沿用傳統(tǒng)的地震監(jiān)測方法,雖然火山氣體監(jiān)測工作已有30余年,但除五大連池和騰沖火山開展了連續(xù)氣氡和氣汞監(jiān)測外,其他火山區(qū)均不具備連續(xù)監(jiān)測手段,更未開展連續(xù)的火山氣體通量監(jiān)測。近年來,部分學(xué)者開展了活火山區(qū)巖漿房溫度和溫室氣體釋放通量研究。趙慈平等[96]應(yīng)用CO2-CH4的碳同位素分餾數(shù)據(jù),計算出騰沖火山區(qū)3個巖漿囊的現(xiàn)今平均溫度分別為773 ℃、566 ℃和524 ℃,由南向北逐漸降低;郭正府等[131]初步估算出,目前中國大陸典型活火山區(qū)向大氣圈輸送的溫室氣體(CO2和CH4)總通量約8.13×106。這些研究對于理解巖漿去氣過程及估算火山來源溫室氣體的規(guī)模具有重要意義,但由于缺少連續(xù)實時的監(jiān)測裝置,這些火山區(qū)溫室氣體的測量實際上并不具備火山監(jiān)測意義。

盡管我國的火山監(jiān)測工作與國際先進水平還存在較大差距,但總體而言,近年來我國在火山監(jiān)測方面仍然取得了系列重要的進展,主要可分為以下3個方面。

(1)在火山氣體地面監(jiān)測方面,認識到近年來長白山火山表現(xiàn)活躍,尤其是2002—2005年,長白山天池火山聚龍溫泉火山氣體中的CO2平均濃度達96.1%,高于背景值的平均濃度93%;He、H2濃度由低于10×10-6的背景值分別上升到700×10-6和2 750×10-6。結(jié)合火山地震活動、火山區(qū)形變測量等其他監(jiān)測結(jié)果,普遍認為長白山天池火山經(jīng)歷了一次明顯的巖漿擾動過程[127,132]。

(2)在星載氣體監(jiān)測方面,高分五號衛(wèi)星搭載的大氣痕量氣體差分吸收光譜儀(GF-5 EMI)是我國首顆紫外可見光波段的高光譜載荷,其通過探測地球大氣或表面反射、散射的紫外輻射來解析SO2總量的分布和變化。最近,閆歡歡等[133]利用GF-5 EMI UV-2通道觀測數(shù)據(jù),采用DOAS算法反演獲得GF-5 EMI大氣SO2總量,并將反演結(jié)果與國際同類載荷S5P/TROPOMI SO2總量結(jié)果進行比較分析,評判GF-5 EMI在全球火山活動SO2變化監(jiān)測方面的能力。結(jié)果顯示,GF-5 EMI能夠獲取火山噴發(fā)SO2排放的時空分布特征,并與國際同類載荷TROPOMI反演結(jié)果具有較高的空間一致性,能夠滿足全球火山噴發(fā)監(jiān)測、預(yù)警及其氣候影響研究的應(yīng)用需求。

(3)在地面形變監(jiān)測方面,現(xiàn)有研究主要集中于對長白山天池、騰沖、海南以及阿什庫勒火山。例如,陳國滸等[134]利用D-InSAR技術(shù)獲取了長白山1995—1998年6～12 cm的形變;JI L Y等[135]應(yīng)用PS-In SAR技術(shù),利用ENVISAT衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),獲取了天池火山2004—2010年的形變時間序列;何平等[136]利用ALOS-1數(shù)據(jù)結(jié)合PS-InSAR技術(shù),發(fā)現(xiàn)天池火山口存在10 mm/a的上升速率；季靈運等[137]通過SBAS技術(shù)提取了騰沖火山地區(qū)1995—1997年地表形變時間序列；JI L Y等[138]利用Stacking技術(shù)獲取了海南火山2007—2011年的形變,還測得阿什庫勒火山2008—2010年發(fā)生了約1 cm的形變[139]。雖然我國利用InSAR在火山形變監(jiān)測方面取得了顯著的進展,但總體而言,我國利用InSAR結(jié)果對火山模型構(gòu)建研究還較為單一,與國際地面形變監(jiān)測研究上還存在較大差距[138]。

4 火山監(jiān)測技術(shù)體系發(fā)展趨勢分析

近幾十年來,地面形變監(jiān)測、氣體監(jiān)測和衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)取得的進步,極大地促進了火山監(jiān)測工作的發(fā)展[9,46,60-63],有效降低了火山災(zāi)害帶來的影響[45,140]。然而,目前全球1 500座活火山中僅有不到10%得到了系統(tǒng)的監(jiān)測[141],還亟待從以下幾方面加強火山監(jiān)測工作。

4.1 多種監(jiān)測手段聯(lián)用,形成聯(lián)合監(jiān)測體系

單一的火山監(jiān)測手段獲取的數(shù)據(jù)不確定性高,甚至可能獲得誤導(dǎo)性的數(shù)據(jù)。如地震監(jiān)測中,經(jīng)常性小規(guī)模噴發(fā)的火山會引發(fā)一些極小的前兆地震,甚至一些小震級的前兆地震還可能被當作區(qū)域地震的高背景值而被忽視;地面形變監(jiān)測中,InSAR受大氣影響明顯,而火山噴發(fā)時地面形變可能是突然發(fā)生的,或與噴發(fā)同時發(fā)生,甚至有時火山不發(fā)生噴發(fā)時也可能會發(fā)生地面形變,這些因素都會對地面形變監(jiān)測造成干擾。因此,不能只依賴一種監(jiān)測設(shè)備,而應(yīng)綜合利用多種監(jiān)測儀器的數(shù)據(jù),形成聯(lián)合監(jiān)測體系,從而更科學(xué)地開展火山監(jiān)測。

4.2 增設(shè)監(jiān)測終端,建立監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,形成了大量的經(jīng)濟而有效的電子傳感器和無線電遙測技術(shù),這對發(fā)展中國家開展實時的火山監(jiān)測工作極為有利。尤為重要的是,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為火山監(jiān)測信息的共享交流提供了理想平臺。目前,越來越多的火山觀測站都可以自動分析監(jiān)測數(shù)據(jù),且分析結(jié)果均能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。國際上已經(jīng)開展了多個火山監(jiān)測數(shù)據(jù)庫項目,例如WOVOdat(http://www.wovodat.org)、VHUB(https://vhub.org/)、VOGRIPA(http://www.bgs.ac.uk/vogripa/index.cfm)、FUTUREVOLC(http://futurevolc.hi.is/)等。同時,分析火山監(jiān)測數(shù)據(jù)的通用軟件也得到了長遠的發(fā)展,研究人員通過互聯(lián)網(wǎng)免費獲取這些數(shù)據(jù)和軟件進行火山預(yù)測工作。

4.3 深化綜合解譯技術(shù)研究,建立科學(xué)火山預(yù)測模型

解譯監(jiān)測數(shù)據(jù)時,需要綜合考慮火山機構(gòu)的復(fù)雜性與不均勻性。盡管目前地震監(jiān)測仍是最重要的監(jiān)測手段,但將地震數(shù)據(jù)與其他方法(例如基于大地測量、次聲波、氣體和熱通量以及重力和電信號的方法)相結(jié)合,將會使解譯結(jié)果更科學(xué)。目前正在開發(fā)和應(yīng)用的高分辨三維地震層析成像技術(shù)可以對寬頻帶地震數(shù)據(jù)進行詳細解譯,而使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和順序數(shù)據(jù)同化技術(shù)的智能系統(tǒng),還可以綜合計算大量已有數(shù)據(jù),產(chǎn)生最佳的擬合模型。

另外,一些新技術(shù)的發(fā)展也為未來的火山監(jiān)測提供了便利。如,利用最新的宇宙μ射線攝影,可以提供火山內(nèi)部結(jié)構(gòu)和低密度區(qū)域(如巖漿或熱液流體)成像信息。同時,新一代的遠程氣體監(jiān)測技術(shù)可以定量研究噴發(fā)前氣體釋放過程,這使得巖漿補給的早期預(yù)警成為可能。近年來快速發(fā)展的巖石學(xué)、地震學(xué)以及其他地球物理成像技術(shù),極大地促進了對火山通道和巖漿動力學(xué)過程的認識。衛(wèi)星監(jiān)測將成為未來火山監(jiān)測的重點發(fā)展領(lǐng)域,首先,衛(wèi)星可為偏遠的活火山提供監(jiān)測數(shù)據(jù);其次,衛(wèi)星圖像覆蓋率高,能提供整個活火山區(qū)的完整覆蓋數(shù)據(jù);再次,火山區(qū)的地面變形、氣體排放和熱特征均可以通過使用衛(wèi)星的多傳感器進行監(jiān)測。

總之,火山監(jiān)測的未來發(fā)展將在多方面共同發(fā)展,包括監(jiān)測設(shè)備的發(fā)展、分析和解譯技術(shù)的改進、綜合分析多種類數(shù)據(jù)集的能力,以及對火山結(jié)構(gòu)和巖漿動力學(xué)過程的理解等領(lǐng)域。

5 現(xiàn)代火山監(jiān)測技術(shù)發(fā)展對中國火山監(jiān)測工作的啟示

我國大陸境內(nèi)新生代火山巖分布面積約186 000 km2,近20年來,初步完成了以東北長白山天池火山、黑龍江五大連池火山及西南騰沖火山等3個地區(qū)的活火山為代表的近代活火山地質(zhì)調(diào)查與填圖工作,厘定出14個活火山噴發(fā)區(qū)(圖7)[130]。在火山監(jiān)測與災(zāi)害性研究方面,積累了以長白山天池火山為代表的6座活火山20多年的監(jiān)測數(shù)據(jù),發(fā)展了適合中國活動火山特點的火山噴發(fā)危險性和災(zāi)害分析理論與方法,完成了與國際接軌的火山災(zāi)害區(qū)劃圖。然而,總體而言,我國火山監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測體系與國際前沿還存在較大的差距,未來我國應(yīng)進一步加強相關(guān)方面的工作部署與科學(xué)研究,建議從以下4個方面開展相關(guān)的工作。

5.1 建立多種類火山聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)和“空-天-地”立體監(jiān)測體系

我國火山監(jiān)測研究起步較晚,與國外先進火山監(jiān)測水平相比,還存在一定的差距。目前，我國火山監(jiān)測技術(shù)主要包括火山地震監(jiān)測、火山形變監(jiān)測和火山氣體監(jiān)測等傳統(tǒng)監(jiān)測手段,且監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的密度仍然相對較小,明顯限制了監(jiān)測能力。未來應(yīng)進一步加強新型監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用,特別是加強實時、連續(xù)、高采樣率的監(jiān)測手段(如星載/機載高光譜監(jiān)測技術(shù))的應(yīng)用。另外,在監(jiān)測對象上,應(yīng)持續(xù)加強對長白山、五大連池—科洛、騰沖—阿什庫勒和雷瓊—南海地區(qū)等重點區(qū)活火山的監(jiān)測工作,特別是應(yīng)增設(shè)監(jiān)測網(wǎng)點和監(jiān)測手段。通過以上方式,建成多種類的火山聯(lián)合監(jiān)測體系,是提高我國火山監(jiān)測-預(yù)警及火山災(zāi)害預(yù)防工作的重要途徑。

5.2 開展火山監(jiān)測與災(zāi)害援助國際合作,加強對西南太平洋火山監(jiān)測的國際合作與數(shù)據(jù)共享

近年來,西南太平洋“火鏈”區(qū)火山活動頻繁,僅西巽他弧就分布著占全球13%的活火山[142],蘇門答臘、爪哇和巴厘島上有84座火山,其中有76座火山在史上較為活躍[143],且這一地區(qū)人口密度高,其潛在的噴發(fā)可能對周邊國家人民的生產(chǎn)和生活帶來很大的危害[62]。更重要的是,這一地區(qū)的火山爆發(fā)產(chǎn)生的海嘯、火山灰等會對中國產(chǎn)生直接影響。因此,加強對這一地區(qū)火山的監(jiān)測工作,對我國參與全球事務(wù)管理,科學(xué)制定火山監(jiān)測預(yù)警、預(yù)防方案也具有重要意義。

目前,全球重要經(jīng)濟體(如美國、日本和歐盟等)已深度參與到對這一地區(qū)的火山監(jiān)測與援助工作中。相對而言,我國對這一地區(qū)火山監(jiān)測工作的參與度還明顯不足,火山災(zāi)害國際援助工作更是有待開展。未來,基于國際合作計劃(如“亞洲大洋洲區(qū)域綜合地球觀測計劃”),我國應(yīng)設(shè)立專門針對該地區(qū)的火山監(jiān)測與災(zāi)害援助國際合作項目,并基于我國和國際衛(wèi)星監(jiān)測體系,對該地區(qū)進行近實時監(jiān)測和噴發(fā)預(yù)測。同時,進一步加強國際交流合作,增加該地區(qū)的地面?zhèn)鞲衅?建立監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺,主動發(fā)布火山預(yù)警信息,并積極參與到火山災(zāi)害國際援助工作中。

5.3 加強國內(nèi)活火山區(qū)域地質(zhì)詳細調(diào)查與噴發(fā)機制的合作研究

我國活火山地質(zhì)研究與國際前沿還存在較大的差距。目前,對我國已確定的14個活火山區(qū)的火山噴發(fā)機制、活動特征、火山產(chǎn)物空間分布及火山成因與演化過程等方面的研究尚不足[130]。下一步,應(yīng)針對每個活火山區(qū)開展詳細的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查,并結(jié)合野外和實驗分析,建立每個活火山區(qū)詳細的火山活動史,重點對歷次噴發(fā)的噴發(fā)時間、規(guī)模和堆積特征進行深入研究。更為重要的是,火山噴發(fā)機制是目前國際火山學(xué)研究中的前沿性課題,對火山噴發(fā)災(zāi)害的預(yù)測和預(yù)警均具有重要意義,研究內(nèi)容大體包括火山噴發(fā)規(guī)律、火山觸發(fā)機制、火山噴發(fā)規(guī)模和周期性控制因素等方面。目前,國際上在火山噴發(fā)機制研究領(lǐng)域取得了豐碩的成果,但仍然存在一系列科學(xué)問題尚待解決,包括:什么因素造成了不同火山的噴發(fā)規(guī)律存在差異?火山噴發(fā)歷史中自身噴發(fā)周期性發(fā)生變化的原因?我國火山噴發(fā)機制的研究尚處于起步階段,長白山、騰沖火山等大型火山的噴發(fā)序列仍存在較大爭議,僅長白山火山開展了初步的巖漿混合作用及觸發(fā)機制等研究,對火山噴發(fā)規(guī)模、周期性控制因素、火山觸發(fā)機制、火山巖漿補給速率等均缺乏深入認識。

值得指出的是,中國地質(zhì)調(diào)查局系統(tǒng)對我國的中生代—新生代火山開展了長期的、多尺度的區(qū)域性地質(zhì)調(diào)查工作,積累了海量的野外地質(zhì)調(diào)查、地球物理探測和地球化學(xué)分析數(shù)據(jù),這為火山噴發(fā)機制研究提供了極為重要的多維度(地表+深部)實物資料。因此,中國地質(zhì)調(diào)查局系統(tǒng)的相關(guān)科研單位應(yīng)與中國地震局相關(guān)研究機構(gòu)進一步深化合作,基于各自的專業(yè)優(yōu)勢,以我國長白山、騰沖等典型活火山和雁蕩山、云山等經(jīng)歷了高度剝蝕的中生代破火山為范例,進一步合作開展系統(tǒng)的地表區(qū)域地質(zhì)詳細調(diào)查,深部地球物理探測及巖石學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)、年代學(xué)分析,精細建立火山機構(gòu)三維模型,開展數(shù)值模擬等研究工作,深化我國火山噴發(fā)機制研究,共同推進我國火山學(xué)及火山災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)工作的高質(zhì)量發(fā)展。

5.4 建立中國中生代—新生代火山數(shù)據(jù)庫

我國分布著大量的中生代—新生代火山群,針對這些火山群的結(jié)構(gòu)組成、噴發(fā)特征及資源環(huán)境效應(yīng)已開展了大量的調(diào)查和研究工作。特別是20世紀60—70年代以來,在東南沿海中生代火山巖區(qū)開展的火山地質(zhì)調(diào)查研究[144-145],以及90年代以來開展的全新世活火山與噴發(fā)危險性預(yù)測研究工作,積累了海量火山地質(zhì)調(diào)查、監(jiān)測與研究成果數(shù)據(jù),急需建立全國性火山數(shù)據(jù)庫,支撐服務(wù)于中國火山研究的可持續(xù)發(fā)展。

建立中國中生代—新生代火山數(shù)據(jù)庫不僅是我國火山災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)工作的重要基礎(chǔ),也是對我國大陸活動火山活動規(guī)律性認識的重要步驟,還可為火山資源、環(huán)境評價、旅游開發(fā)和當?shù)亟?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等提供重要科學(xué)依據(jù)。中國火山數(shù)據(jù)庫作為國家科技基礎(chǔ)性調(diào)查工作,對于科學(xué)認識我國火山活動特點和潛在火山災(zāi)害評估可提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時也對全國火山研究隊伍的健全、培養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展起著極其重要的作用。通過建立我國活火山數(shù)據(jù)庫,可以幫助研究人員進一步了解大陸板內(nèi)火山作用,同時透過火山這個窗口透視地球內(nèi)部的巖漿作用過程和噴發(fā)機制,為預(yù)測未來的火山噴發(fā)類型及其災(zāi)害特點、制定防范措施等提供科學(xué)依據(jù)。

目前,我國已經(jīng)開展了中國大陸活火山數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作,該數(shù)據(jù)庫主要包括活火山的火山地質(zhì)-巖石學(xué)-地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫、活火山監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、活火山災(zāi)害模擬數(shù)據(jù)庫和其他數(shù)據(jù)庫(含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、火山區(qū)深部結(jié)構(gòu)地球物理數(shù)據(jù)、火山史料和火山科普資料)4部分內(nèi)容[146],并以上述數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),建立了基于GIS數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)的數(shù)據(jù)庫交流平臺,可以對活火山的火山地質(zhì)、火山監(jiān)測、火山災(zāi)害,以及與中國活動火山監(jiān)測研究等有關(guān)的信息進行查詢。然而,這一數(shù)據(jù)庫主要限于長白山、騰沖、五大連池、鏡泊湖、龍崗和?？?個地區(qū)的少量活火山機構(gòu)的信息進行搜集,尚未囊括中國其他地區(qū)的活火山數(shù)據(jù)。更重要的是,中國東部廣泛發(fā)育的白堊紀流紋質(zhì)火山舉世矚目,火山機構(gòu)保留相對完好,在全球特別是環(huán)太平洋流紋質(zhì)火山中最具代表性和典型性[144],其豐富的火山學(xué)信息亟待整理建庫。通過長期的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作,中國東部已經(jīng)厘定出數(shù)百個火山機構(gòu),這些火山機構(gòu)經(jīng)歷了億萬年的風(fēng)化剝蝕,火山內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)已暴露出地表[17-24],相較于具有完整火山錐體覆蓋的活火山而言,更具火山機構(gòu)解剖學(xué)意義。同時,通過對大規(guī)模流紋質(zhì)火山的地質(zhì)填圖解剖與研究,是理解超級火山噴發(fā)機制，開展超級火山噴發(fā)預(yù)測和預(yù)防工作的有效途徑[15]。因此,建立中國東部白堊紀典型火山機構(gòu)的區(qū)域地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫,可為開展巨型-超級火山噴發(fā)機制研究及噴發(fā)預(yù)測、災(zāi)害防治工作提供新的思路和重要支撐。

致謝：自2012年南京地質(zhì)調(diào)查中心(時亦稱南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所)建所50周年時,我即入所攻讀火山地質(zhì)學(xué)的碩士學(xué)位,青蔥光陰,迅如彈指,逡巡間又逢中心60周年大慶。十年間,我有幸能一直在東南沿?；鹕綆r區(qū)上下求索,未移其志,期間更感念于中心各位前輩、老師的言傳身教,實在受益良多。今年十月,著名火山地質(zhì)學(xué)家陶奎元先生與世長辭,不勝哀惋。先生生前長期從事火山地質(zhì)研究和科學(xué)普及工作,在火山地質(zhì)理論研究、野外調(diào)查實踐和成果應(yīng)用領(lǐng)域進行了大量開創(chuàng)性工作。退休后,先生更是以極大的科研熱情為我國國家級和世界級地質(zhì)公園體系的創(chuàng)建和提升作出了卓越貢獻。先生博學(xué)精業(yè)、厚德敦行、一生勤懇、不輟筆耕,實是后輩學(xué)人楷模。十年來,我有幸能跟隨先生在東南沿?；鹕綆r區(qū)考察學(xué)習(xí),尤其是先生在雁蕩山中生代流紋巖區(qū)和?？谛律鋷r區(qū)對筆者的諄諄教誨永遠是鼓舞筆者砥礪前行的動力。碩學(xué)雖已往,不廢仰高山。今撰此文,以示懷念,愿先生千古,并志所慶紀念。