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汤加火山爆发震动全球,但其实我们对火山了解并不那么多

2022年初的火山喷发让汤加吸引了全世界的目光。汤加是旅游圣地,舍此之外,并无多少其他机会进入全球视野。但实际上,在地质与地球物理学界,汤加一直是一个研究热点。当太平洋板块沿着汤加海沟俯冲进地幔深处之后,其自身携带的含水矿物会在特定的高温高压下分解,释放出来的水会降低周围岩石的熔点形成岩浆,这些岩浆上升到地表就形成了一个个火山岛。这就好比把一块在海水里浸泡了几亿年的木板放到地球深处的火上烤,木板里的水就会蒸发出来。这些火山岛链和海沟一起构成了庞大而活跃的系统——俯冲带,全世界大部分的地震和火山爆发都发生在俯冲带里。

汤加俯冲带示意图(图片来源:作者)

汤加俯冲带示意图(图片来源:作者)

这次火山爆发的主角Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai是近年来汤加火山岛链里最活跃的火山之一,绝大部分位于海平面以下。2014年之前,只有两个小尖尖露出海平面,也就是Hunga Tonga岛和Hunga Ha‘apai岛。2014年底到2015年初的一次喷发形成的堆积物把这两个岛连起来了。从最新的卫星图片来看,海平面以上的面积大幅缩小,意味着火山口内部可能有大范围的垮塌,这可能也是造成海啸的直接原因。这就像2018年的夏威夷火山喷发,当岩浆都喷出来之后,火山“感觉身体被掏空”,内部压力变小,顶部自然塌陷下去,等待下一个轮回的蓄力。

Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai火山在2016年的地形起伏,只有灰色部分在海平面以上。红色虚线表示了整个火山口范围,可能形成于一千多年前的一个大爆发。(图片来源:Garvin et al 2018, GRL)

Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai火山在2016年的地形起伏,只有灰色部分在海平面以上。红色虚线表示了整个火山口范围,可能形成于一千多年前的一个大爆发。(图片来源:Garvin et al 2018, GRL)

汤加猝然遭遇到如此大规模的火山爆发,一时引发了全球关注,到底火山爆发会带来什么影响,会有其他的火山爆发吗。坦白讲,对于这些寿命以十万年到百万年计的火山而言,几年到几十年的平静期只是相当于一个小憩,小的岩浆喷发和相伴随的地震时有发生,只不过这么大规模的并不常见。这都是基于有限数据以及对其他火山研究而做出的推测。由于缺乏最新定量数据,我们并不清楚喷发了多少物质以及喷发之后新的海底地形和火山口形貌,所以也无从推断火山是否会立刻进入一个平静期。

Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai火山海平面以上地形从2021年12月10日到2022年1月15日的变化。可以看到在15日的爆发之后,只有很少一部分还在海平面以上。(图片来源:INGV vulcani)

Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai火山海平面以上地形从2021年12月10日到2022年1月15日的变化。可以看到在15日的爆发之后,只有很少一部分还在海平面以上。(图片来源:INGV vulcani)

汤加火山爆发后,我收到最多的问题是:“你们事先一点都不知道吗?”汤加几百万年以来一直有很活跃的火山,而这次最大的火山爆发之前已经有多次预警,但可惜的是我们没有足够的观测数据,所以没有预见这次爆发如此之大,能够影响整个太平洋。任何预测都要回答三个问题:地点、时间和规模。

地点:不同于捉摸不定的大地震,全球主要活火山的位置都是已知的。人类历史相对于火山寿命太短,我们不太可能碰到一个全新的火山从无到有的形成过程。

时间:大的火山喷发前都会有明显异常的地震活动、地表变形等等(这不同于某些大地震之前没有任何前兆)。所以如果能在火山口周围布设地球物理仪器进行24小时实时监控,有很大概率捕捉到这些前兆,然后提前几天到几小时预警。比如夏威夷的多个活火山都有这样的监控网,并成功预警了2018年的喷发。然而对于海底火山而言,24小时实时监控太困难,供电、通讯都是问题。在美国西海岸外的Axial海山是少数几个有连续监控的海底火山,科学家用几百公里长的电缆把海底仪器连到陆地上用来供电和传输数据。可是限于经费,仪器的数量远远比不上在夏威夷的观测网。而汤加有上百个海底火山,没有人力物力来构建一个庞大的监测网络。

规模:火山一次能喷发多少岩浆?理想情况下是通过地球物理成像来观测地下有多少岩浆,一次火山喷发之后还剩多少岩浆,多测几次就能掌握规律。这就相当于人身体里面长了个小肿瘤,需要定期去医院做CT扫描,来精确的测量这个肿瘤的大小。但这需要更密集的监测网络,目前只有极少数火山(比如美国的黄石国家公园)能够比较准确的知道火山下面岩浆的总量——这还只是一个静态值。也就是说到目前为止,黄石只做过一次高精度的CT,我们不知道这个“肿瘤”随着时间变化是长大了还是变小了。对于海底火山而言,全世界没有任何一个地方可以做高精度CT扫描,更谈不上定期做检查了。此外,火山喷发的烈度不仅取决于总的喷发量,还和喷发物质的化学成分和喷发过程有关。这又增加了很多不确定因素。

如果有无限多的资源,我们可以在汤加的海底火山上安装实施监控实时成像网络,就像对待ICU里面的病人一样。如此积累几十上百年的数据,我们对这个火山的脾性有所了解,那么也许可以准确预测下一次火山爆发。但就算如此,相比于火山上百万年的寿命,人类几十年的观察数据是否够用,也需要打上一个问号。所以目前大家对于全世界都海底火山都持观望态度——爆发之后去现场考察。

不过地球科学家也没有真的躺平。汤加的科学家一直在密切关注这个火山,虽然没有我们理想中的监测网络,还是通过远距离监测捕捉到了一些预兆。早在当地时间1月14日的一次火山爆发,当地政府就发出了海啸预警。到15日最大爆发发生的时候,很多人都有了一定准备。所以当地没有发生大范围伤亡,真正受到冲击的都是基础设施等没法移动的东西。我们所能做的也就这么多,火山爆发还在继续,所以避险是目前首要的工作。虽然全球都很关心火山爆发的次生影响,但要现在判断火山爆发会对气候,对地球环境造成哪些具体的影响,其实我们对火山了解没有那么多,这些还是无法立刻给出回答的问题。在一个火山爆发还在继续的情况下,我们只能做的是避开目前的危险,其他的都只能等着继续的研究。

(作者系密西根州立大学地质科学讲席助理教授。主要研究方向是环太平洋俯冲带地质结构、地震、火山,从2010年开始研究汤加俯冲带的海底火山和地震,相关研究成果发表在Nature、Science Advances、EPSL、JGR等学术期刊。目前主持多个美国国家科学基金项目研究汤加、阿拉斯加以及环太平洋各个俯冲带的地球物理过程。原计划于2020-2022年在汤加北部布设海底地震观测台网,可惜由于疫情影响和旅行限制,该项目被推迟到2023年。)

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