1980年圣海伦斯火山爆发对之后30年火山学研究的启示*

1980年圣海伦斯火山爆发对之后30年火山学研究的启示*

James W Vallance，Cynthia A Gardner，William E Scott，Richard M Iverson and Thomas C Pierson
（David A.Johnston Cascades Volcano Observatory，USGS，Vancouver，Wash.，USA）

1980年5月18日，圣海伦斯火山发生了一次大规模喷发，这一事件令科学家和大众惊叹不已。巨大的山体滑坡、气浪以及随之而来的柱状喷发（高达25 km，持续时间长达9 hr）等影像记录震惊全世界，同时也激起了人们对此次火山喷发事件研究的兴趣（图1）。

圣海伦斯火山喷发至今仍是一个很重要的历史事件 对这次喷发及其后果的研究彻底改变了科学家对火山学这一领域的研究方式。此次喷发不仅场面壮观，而且因其发生在白天，人们可以利用数码技术手段记录信息，这些记录也成为科学研究的资料来源。火山爆发造成了人员死亡，对下游和下风方向的人员和基础设施造成了严重的影响，因此，科学家意识到必须对此次火山喷发事件进行深入研究，并与全社会一道共同努力，减轻未来火山爆发产生的影响。

图1 1980年5月18日下午圣海伦斯火山的北侧影像。

1 1980年火山爆发之前

在关注这次喷发事件给火山学带来的新的理念之前，有必要回顾一下30年前火山学的研究状况。1980年美国地质调查局（USGS）对活火山的研究主要集中在夏威夷岛——事实上，夏威夷岛也是美国唯一的一个火山观测点，因此研究的重点很自然地聚焦在对玄武岩火山活动的研究上。极少数的美国大学在火山学领域有综合性的教学与研究项目。隶属于华盛顿大学的太平洋西北地区地震台网（PNSN）在1969年布设了第一批地震仪，用于研究区域地震，之后又于1972年在圣海伦斯火山侧翼的上部布设了地震仪［1］。我们现在虽然拥有大量的技术和资料，比如手机、笔记本电脑、全球定位系统（GPS）接收器、数码相机、卫星通讯以及连续的实时地震波形和大地测量数据等，但当时这些东西一概没有。有科学家对包括圣海伦斯山在内的喀斯喀特山脉（Cascades）的火山进行过研究，他们依据由火成碎屑流、火山灰和火山泥流等形成的碎屑沉积物的形态特征，推测火山历史以及未来可能发生的火山活动，但当时这个领域才发展不到20年，而且只有少数几个地质学家在进行这方面的研究。

太平洋西北地区的居民很少有人知道自己生活在随时有可能喷发的火山附近，而且绝大多数人不知道圣海伦斯火山曾于1857年爆发。地层学证据显示圣海伦斯火山喷发频繁，间歇期约几百年甚至更短，据此，USGS在1978年发表的火山危险性评估中预言［2］，圣海伦斯火山可能会在100年内喷发，甚至可能就在20世纪末之前喷发。1979年夏天，正在对此火山进行研究的地质学家还只能猜测他们是否会看到火山喷发。

2 1980年火山爆发

圣海伦斯火山突然间异常活跃，1980年3月底发生的地震预示着沉寂了123年的圣海伦斯火山开始苏醒。一周时间内，大量的水汽和火山灰喷涌而出，形成了山顶火山口。时常发生的震级达M 4.7的地震使火山剧烈震动。浅部岩浆入侵使火山北翼以每天1.5 m的速度向外凸起。来自USGS、太平洋西北地区地震台网以及许多所大学的科学家聚集在圣海伦斯火山，他们当中只有极少数人对这座火山有很深入的了解。研究人员匆匆于晚冬时节在圣海伦斯火山地区布设新的仪器以获取数据并进行解释，此时，他们面临的最大挑战就是对未来可能发生的火山活动提供短期预报。美国农业部林务局是这个项目的重要合作伙伴，他们为研究人员提供了办公场所和后勤支援。这一机构曾经协调处理过严重的森林火灾事故，但从未处理过火山喷发事件。当时的危机反应成为国际国内媒体关注的焦点，这对科学家而言是一项新的挑战，所以他们只能在实践中学习。

5月18日上午发生的灾难性火山喷发是美国历史上经济损失最为严重的一次破坏性火山事件。2.8 km3的山体滑坡导致火山顶峰降低了400 m。浅层气态岩浆的突然减压使气浪以每小时500 km的速度向北喷涌，在3分钟时间内推倒或烧毁了625 km3的森林。15分钟内，垂直的火山灰柱升至25 km的高度。当日下午，密集的火山灰云中有几公分厚的灰尘突然降落在华盛顿东部地区，处于下风方向的城市上空天色漆黑，人们不得不亮起灯光。火山灰羽只用了3天时间就横扫整个美国，环绕地球一周也仅用了15天。火山泥流使附近的河流充满了泥浆和碎屑，27座桥梁和200栋房屋被摧毁或损坏。在上游港口，船运航线上火山泥流沉积物的堆积造成31艘船只搁浅。俄勒冈州波特兰以及华盛顿州温哥华等港口都停运一周。

晴朗的天气使科学家和公众能够清晰地看到山体滑坡、气浪、喷发柱、火成碎屑流以及火山泥流等景象。对于此次火山爆发，事先曾有许多很好的预测，但对于山体滑坡的规模以及爆炸造成的朝北方向180°的弧形大破坏却没有预告出来。因次生效应引发的问题也是令人惊讶的，比如火山灰飘移对相距很远社区的经济造成的影响以及大量火山泥流的堆积物注入哥伦比亚河的航道对正常航运造成的影响。

由于此次火山喷发造成了严重的破坏，所以科技界加大了科学研究和灾害评估的力度。5月25日至10月18日发生的5次小规模爆发使火山灰向不同方向飘散，有些飘向大城市地区，包括俄勒冈州波特兰市和华盛顿州首府奥林匹亚。科学家利用大量的资料和先进的技术手段对5月18日的火山爆发以及随后发生的较小规模的爆发序列进行了详尽的研究，这是以往任何一次都无法比拟的。

3 早期的火山灰和飞机事故

2010年4月，Eyjafjallajökull火山爆发产生的火山灰从冰岛蔓延到整个欧洲上空，造成大范围的空中交通瘫痪。回想30年前，人们还不大了解大气中的火山灰会对飞机造成严重影响，而且关于这方面的资料记载也很少，这种状况今天听起来简直不可思议，好在当时的人们马上就意识到火山灰对航空运输的危害性。

由于1980年5月18日圣海伦斯火山爆发时天气晴朗，而且是在白天，所以很多飞机都成功地绕开了向东飘移的火山灰云。尽管天气情况良好，一架喷气式客机还是迷失了航向进入火山灰云层，造成了严重事故［3］。一周之后，也就是在5月25日火山爆发期间，一架C-130涡轮螺旋桨飞机在恶劣天气情况下误入火山灰云中，从而第一次记录下由于吸入火山灰而引起的飞机引擎在飞行中出现的临时故障。C-130在降低飞行高度后成功恢复动力并安全着陆，但引擎遭到毁坏。不过，几乎又经过了10年的时间，而且又经历了几起飞机因遇到火山灰而发生的灾难，航空部门和负责航空运输的政府机构才完全认识到火山灰对飞行器的威胁。

4 随后十年

有关5月18日灾难性火山爆发以及随后火山活动的最初观测和解释等方面的一篇专题论文在火山喷发后不到一年就发表了［4］。火山爆发的消息激起了世界各地火山学家的研究兴趣和想象力。USGS随后建立了喀斯喀特山脉火山观测台，这个观测台不仅对正在发生的圣海伦斯火山喷发进行监测，而且还对整个太平洋西北地区和加州北部地区的火山进行灾害评估及监测。由于此次圣海伦斯火山爆发以及1985年哥伦比亚的内华达德鲁兹（Nevado del Ruiz）火山爆发，USGS与美国国际发展署联合开展了火山灾害援助计划（VDAP），旨在对全世界发展中国家发生的火山危机事件做出快速反应。1991年，菲律宾皮纳图博火山进入不平静期，VDAP和USGS的科学家做好了积极响应的准备。1991年6月12—15日，皮纳图博火山阵发性喷发，VDAP和USGS提供了最先进的设备和丰富的经验，这对于菲律宾科学家成功应对火山喷发起到了关键作用。

Newhall［5］总结了1980年火山爆发的主要科学启示：圆丘状地形往往与火山侧翼崩塌形成的沉积相关，这种情况见于加州的Shasta山和印尼的Galunggung山；浅层气态岩浆覆盖层的突然剥离会使其迅速减压，导致毁灭性爆发，如1956年勘察加半岛别济米安纳（Bezymianny）火山喷发以及1951年巴布亚新几内亚拉明顿（Lamington）火山喷发；火山活动停止以后，由于火山泥流和水中沉积物的运移，填积作用会影响到下游的居民区，这种情况见于1991年后的皮纳图博火山地区。1980年的火山爆发对生态学家而言也同样具有重要意义，他们对遭到严重破坏地区的植被重建和移民问题进行研究，由此获得了对遭到破坏的自然景观进行恢复和重建的有益启示。

最重要的一点是如何对火山事件做出快速反应。科学家用简明的语言向公众传播前后一致的信息并对灾害现象的本质作出解释，从而在公众面前树立起可信的形象。灾害事件协调员负责向政府官员提供信息，并帮助他们做出如何应对火山爆发事件的决定，比如禁止人们进入潜在危险区或疏散潜在危险区的居民，但这些灾害事件协调员自己不做任何决定。责任的明确分工使科学家不参与政府决策，这样他们就可以集中精力对火山活动进行监测、解释和预报。科学家明白他们需要向公众发布及时、准确的火山活动信息并快速平息谣言［6］。

经过6年断断续续的熔岩丘成长之后，1980年出现的圣海伦斯火山的不平静状态以及随后发生的火山喷发终于在1986年10月结束［7］。熔岩丘的喷发比之前的爆发温和许多，但穹丘熔岩的爆裂和坍塌时常会将火山灰送至飞机巡航高度，其产生的新的火山泥流也会不断从火山口涌出。1989—1991年，已冷却的熔岩丘至少发生了6次毫无预兆的喷发，并产生了火山灰云团以及少量的沉降物。这种持续的火山活动给科学家和大众以这样的启示：火山爆发不同于其它自然灾害，它可以持续数年，其影响范围可以波及距离火山很远的地方，并且还能够导致航空运输瘫痪。

5 再次苏醒

2004年至2008年期间圣海伦斯火山再次苏醒（图2）［8］，但这一次熔岩丘侵位的方式不同，其具体表现为150 m厚的Crater冰川侵位方式。Crater冰川成长于1980年代的熔岩丘及陡峭的1980年火山口壁之间。与1980年火山喷发的情况一样，2004年9月底火山活动开始得非常迅速，一周之内就导致多次喷发和显著的局部形变。正如两周内（即熔岩脊柱从一个隐藏在冰川下的喷口突出时）出现的第一批前兆所示，这些现象表明浅部岩浆在上升。1980年代形成的熔岩丘南坡的火山喷口位置、地表地形以及先前的熔岩脊柱的残留物似乎共同控制着熔岩脊柱的成长。巨厚的冰川冰的存在还不足以使熔岩脊柱改变方向或阻止其成长。

图2 2006年9月12日圣海伦斯火山口的景象。图中显示出1980—1986年形成的熔岩丘、2004年10月中旬开始成长的复合熔岩丘以及发生剧烈形变的Crater冰川的狭长地带。图片来源：USGS；摄影：W E Scott

与1980年代火山喷发不同，2004—2008年的这次喷发是地表下不到1 km处固结的脱气熔岩脊柱的连续喷发。熔岩脊柱的成长将冰川分成两个狭长地带，并使其先向东延伸数百米，再向西延伸数百米，其海拔也比原来高出100多米。尽管接近热岩，此次喷发却未能使冰川融化。但它确实使西部的冰川鼻以115 m/a的加速率向前移动，这个速率比喷发之前快110 m/a。这次加速不是因为基底滑移，而是因为冰川面坡度抬升和逐渐变陡。

这次火山爆发的另一个显著特征是数月内连续发生浅源地震（＜1 km）。由于每隔30～300 s就发生地震，人们将其戏称为“敲鼓”。人们现在知道频繁的地震活动发生于能形成熔岩丘的火山爆发过程中，但这种地震活动从未像2004—2008年圣海伦斯火山喷发过程中的地震活动一样持续那么长时间。

2004年9月圣海伦斯火山苏醒速度之快着实令人惊讶，因为2004年之前的4年是1986—2004年火山休眠期间地震活动最为平静的时期。“作战式”GPS卫星并未探测到火山侧翼形变，而且位于火山北部9 km处的一个连续GPS台站在1997年至2004年9月期间也没有反应。另外，也没有蒸汽、火山气体或其他现象预示着火山会再次喷发。这次火山喷发的气体异常贫乏。经过深入细致的岩石学研究，只发现极少量的岩浆补给。多数参数表明这一次火山喷发只是1980—1986年火山爆发周期的延续，与深源活动基本无关。岩石学和大地测量学模拟表明2004—2008年火山喷发应归因于约5 km深的岩浆源；很显然，完全脱气的岩浆从此深度运移至地表，但并没有新的岩浆补给。这次火山喷发的触发机制仍然是个谜，但是驱动和阻止岩浆喷发的力学模型显示岩浆的压力与摩擦力之间的平衡关系是如此微妙，因此，任何一个微小的变动都将改变火山喷发的形态特征［9］。

6 圣海伦斯火山爆发给火山学研究带来的启示

1980年5月18日圣海伦斯火山爆发可能是火山学研究领域最为关注的现代火山事件，对于这次事件的多角度的科学研究至今仍在继续。20世纪80年代开展的形变与地震学研究显示，熔岩丘喷发之前岩浆呈缓慢而稳定的上升态势，据此，科学家可以对大多数火山爆发进行预测［10］。这项研究也显示了在靠近火山口的地方布设监测仪器的必要性。利用闪石破裂［11］和细晶石结晶［12］等岩石学方面的研究可以估算出岩浆上涌的速率以及岩浆上升速率、脱气减压和结晶过程等对火山喷发类型的控制作用。对1980年代整个火山喷发周期中的火山气体进行监测，尤其是对二氧化硫的监测，突显了火山气体排放对于解释火山不平静状态及爆发过程的重要意义［13］。圣海伦斯火山喷发也促使科学家开始关注火山熔岩的基本流动和沉积过程，如火山泥流、岩屑崩落、火成碎屑流等，这些现象在弧形火山中都是最常见的，而且也是破坏性极强的灾害。此外，科学家还建立起模型，以对其动力学机制进行研究，并对危险区域进行划分。与这次喷发相关的许多详细记载，如火山灰飘落等，现在看来仍然非常宝贵，科学家可以利用这些资料建立更完善的模型，更准确地预测火山喷发的下游和下风方向效应。

过去的30年里，不仅圣海伦斯火山活动方式在演变，对火山活动的监测和建模技术也在逐步改进。宽频带地震检波器、基于卫星和微波技术的遥感勘测以及功能强大的实时数据处理和分析技术逐步取代了费时费力的地震记录人工分析流程。便捷的加速计和GPS定位仪如今可以安装到被称为“蜘蛛”的流动平台上，由直升机将其快速运往危险地点。GPS遥测台站可以监测地形变，而在以前这项工作只能通过艰苦的野外勘测实现。另外还有一些技术创新对火山气体排放速率的监测也起到了促进作用。

在测地学方法发生重大变革的同时，包括激光雷达（光探测和测距系统）和摄影测量在内的可视化和定位技术的革新，可以对整个火山喷发序列生成连续数字高程模型。除了GPS勘测外，卫星还可用于地形变的雷达监测、火山喷发柱的跟踪监测以及热变化的探测。同时，数码相机的广泛使用使低成本的远程延时摄影成为可能。

数值模拟方法的飞速发展有助于科学认知的规范化和灾害预测方法的规范化。尽管现在的模型还不够完善，但地震学、地质力学、地球化学、火山灰消散以及流体动力学等模型现在已被普遍用作数据解释和灾害预测的基础。监测和建模思想方法的快速融合，为今后火山学的发展奠定了基础。

以往的记录显示，圣海伦斯火山仍将频繁爆发，并且很有可能于本世纪再次喷发。过去的4000年里，圣海伦斯火山是喀斯喀特山脉最活跃的火山［2］，不仅如此，这里几乎所有能看到的火山机构都只有不到3000年的历史。此火山机构最近一次崩塌发生在约2500年前，之后火山反复喷发，火山机构在数百年内得以重建［14］。而对于1980年5月18日火山喷发时山体滑坡造成的火山机构损失，目前只有7%的得以重建，因此，建造作用仍将继续。

近30年里，圣海伦斯火山已成为世界闻名的研究火山过程和景观响应的天然试验场。毫无疑问，下一次圣海伦斯火山喷发将再次吸引全世界的目光，并且为技术和方法的革新带来新的机遇。

译自：Eos，Vol.91，No.19，11 May 2010，169-170

原题：Mount St.Helens：A 30-year legacy of volcanism

（中国地震局地球物理研究所研究生 杨 婷译；左玉玲 校）

（译者电子信箱，杨 婷：yt＿dolphin＿sea＠163.com）

［1］Malone S D，Endo E T，Weaver C S，et al.Seismic monitoring for eruption prediction.In：The 1980 E-ruptions of Mount St.Helens，Washington，edited by Lipman P W and Mullineaux D R.U.S.Geol.Surv.Prof.Pap.，1250（1981）：803-813

［2］Crandell D R and Mullineaux D R.Potential hazards from future Eruptions of Mount St.Helens volcano，Washington.U.S.Geol.Surv.Bull.，1978，1 383-C，26 pp

［3］International Civil Aviation Organization.Manual on volcanic ash，radioactive material and toxic chemical clouds.ICAO Doc.9691-AN/954，2001，Montreal，Que.，Canada.（http：∥www2.icao.int/en/anb/met-aim/met/iavwopsg/Documents/）

［4］Lipman P W and Mullineaux D R（Eds.）The 1980 Eruptions of Mount St.Helens，Washington.U.S.Geol.Surv.Prof.Pap.，1250（1981），844 pp

［5］Newhall C G.Mount St.Helens，master teacher.Science，2000，288（5 469）：1 181-1183

［6］Miller C D，Mullineaux D R and Crandell D R.Hazards assessments at Mount St.Helens.In：The 1980 Eruptions of Mount St.Helens，Washington，edited by Lipman P W and Mullineaux D R.U.S.Geol.Surv.Prof.Pap.，1250（1981）：789-802

［7］Swanson D A and Holcomb R T.Regularities in growth of the Mount St.Helens dacite dome，1980-1986.In：Lava Flows and Domes：Emplacement Mechanisms and Hazard Implications，IAVCEI Proc.Volcanol.，Vol.2，edited by Fink J H，3-24，Springer，Berlin，1990

［8］Sherrod D R，Scott W E and Stauffer P H（Eds.）A Volcano Rekindled：The Renewed Eruption of Mount St.Helens，2004-2006.U.S.Geol.Surv.Prof.Pap.，1750，856 pp，2008

［9］Iverson R M，Dzurisin D，Gardner C A，et al.Dynamics of seismogenic volcanic extrusion at Mount St.Hel Helens in 2004-05.Nature，2006，444（7118）：439-443，doi：10.1038/nature05322

［10］Swanson D A，Casadevall T J，Dzurisin D，et al.Predicting eruptions at Mount St.Helens，June 1980 through December 1982.Science，1983，221（4618）：1369-1375

［11］Rutherford M J and Hill P M.Magma ascent rates from amphibole breakdown：An experimental study applied to the 1980-1986 Mount St.Helens eruptions，J.Geophys.Res.，1993，98（B11）：19667-19 685

［12］Cashman K V.Groundmass crystallization of Mount St.Helens dacite，1980-1986：A tool for interpreting shallow magmatic processes.Contrib.Mineral.Petrol.，1992，109（4）：431-449，doi：10.1007/BF00306547.

［13］Mc Gee K A and Casadevall T J.A compilation of sulfur dioxide and carbon-dioxide emission-rate data from Mount St.Helens during 1980-1988.U.S.Geol.Surv.Open File Rep.，94-212，24 pp，1994

［14］Clynne M A，Ramsey D W and Wolfe E W.Pre-eruptive history of Mount St.Helens，Washington.U.S.Geol.Surv.Fact Sheet，2005-3045，4 pp，2005

P317；

D；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2010.08.010

2010-07-01。