火山灾害与火山喷发预测预警

许建东

火山灾害与火山喷发预测预警

许建东

许建东，研究员、博士生导师，中国地震局火山研究中心主任，中国灾害防御协会火山专业委员会副主任。1983毕业于北京大学地质系，1998年获美国纽约州立大学地质学博士学位，现于中国地震局地质研究所从事火山地质、火山监测与灾害评估等研究工作，负责中国大陆活动火山监测与国家火山台网中心运维；先后主持国家自然科学基金委、科技部、财政部和中国地震局等多项重大项目，在国内外重要期刊发表论文40余篇，曾荣获“中央国家机关五一劳动奖章”等表彰和奖励。

火山喷发是人类面临的一种重大自然灾害。在地球上几乎每年都有规模和程度不等的火山喷发，给当地居民的日常生活、生命安全和生存环境造成了巨大危害，尤其是近期世界各地的火山喷发频繁，由此引发的灾害日益引起人们关注。据不完全统计，全球有近20%的居民生活在火山灾害危险区和影响区范围内。在过去400年的时间里，火山喷发已经夺去了大约27 万人的生命。火山喷发作为突发性强、社会危害巨大、群众恐惧心理深、造成死亡人数多的自然灾害，决定了其必然成为国家公共安全体系建设的重点考虑内容之一。

国际上火山灾害和风险评估、火山紧急事件管理等方面的研究与实践始于20世纪中期。火山灾害严重的发达国家，大都建立了采用高新科技的现代化监测系统，通过对地震活动、地球物理场、火山气体以及大地形变的观测，不仅多次成功地预报了火山喷发，而且根据监测情况随时提高警报级别，组织人员从灾害区撤离，成功地减轻了火山灾害带来的损失。

我国的火山研究工作虽然起步较晚，但通过30多年的努力，在火山监测与火山灾害等领域均取得了一系列重要成就，积累了以长白山天池火山为代表的6座活火山20多年的监测数据，发展了适合中国活动火山特点的火山喷发危险性和灾害分析理论与方法，完成了与国际接轨的火山灾害区划图，并制定出针对性预防对策。国务院早在2010年《关于进一步加强防震减灾工作的意见》中第3条就明确提出要“加强火山、海洋地震监测及海啸防范”，同时强调要“推进地震、火山监测预警、灾害防御、灾难医学和应急救援等领域的关键技术研发，努力突破制约防震减灾事业发展的科技瓶颈，提升科技对防震减灾的贡献率”。

加强我国火山监测与灾害预测的理论与实践，既是火山学研究事业发展的需要，也是社会和谐发展的需求，对于推动我国火山灾害学的理论研究和实践应用给社会公众提供安全保障，均具有重要的意义。

火山灾害类型

火山喷发是地壳运动的表现形式，也是地球内部能量在地表释放过程的体现。在火山喷发过程中地球内部物质快速猛烈地以岩浆形式喷出地表，形成以火山碎屑流和火山熔岩流为代表的火山喷发物（见图1），并由此引发的泥石流、山崩、地震、海啸等，都会产生对人类生命财产、生态环境等造成严重损害的自然灾害。

火山空降碎屑灾害

在爆炸式火山喷发时，炙热的火山气体和火山碎屑（包括火山灰和较大的火山岩碎块）混合物快速从火山口喷射入大气中。这些混合物的密度一般小于空气，所以会一直上升到大气层，直到不受浮力影响。例如，1980年5月18日圣海伦斯火山在三十分钟内喷发柱高度达到了25千米。当保持火山碎屑悬浮的能量消失时，颗粒开始在重力作用下下降。较大的颗粒降落在离火山口较近处，细小的颗粒作为一个较大的云团在风的作用下飘移，最终降落到地表，形成一个毯子形状的火山灰沉积层。一般距离火山口越远，火山碎屑的颗粒越小。较大的火山喷发可在火山口附近产生几米厚的火山碎屑沉积层，并且火山碎屑的直径可以达到几十厘米甚至更大，在顺风方向几百千米处的火山碎屑沉积厚度也会达到几个厘米。

火山空降碎屑的危害主要表现在以下几个方面：（1）大块的火山碎屑以弹道式从火口抛射出或是在喷发柱的底部降落下来，将造成建筑物及房屋的破坏和人畜的严重伤害（见图2），其产生的影响仅限于火口附近几千米内。（2）空降碎屑产生的主要灾害是在远离火口处，碎屑的载荷导致建筑物的坍塌（见图3）。当火山碎屑产生的载荷超过200千克/平方米（相当于未压实的10厘米玄武质碎屑）时，一些建筑物的屋顶会被压塌。当载荷超过700千克/平方米时，几乎所有的房屋都会被压塌。尤其是当火山灰为湿的时候，其产生的载荷是同厚度的干火山灰的1.5倍。（3）在更大范围内，火山碎屑空降物超过10千克/平方米（碎屑厚度约1厘米）时将会严重破坏已有耕地，影响农业生产。例如，在1815年印度尼西亚的坦博拉火山（Tambora）爆发后的火山碎屑沉积，导致几个岛屿上的大米和玉米严重歉收（见图4），这使得大约80000人陷于饥荒。火山碎屑还会破坏电力和通信设备，即使是很薄的沉积（＜2厘米）也会有一些关键设施，例如医院、发电厂、水站、水渠和表面排水系统，电话线，广播和电视发射机等受到较大的影响。（4）空气和水中悬浮的细小颗粒会进入人的呼吸道和肺部，影响人的健康（见图5）。它会阻塞发动机的过滤器和通风口，导致发动机引擎破坏而引发飞机相撞等灾难性事件（见图6）。这些细小的颗粒甚至可能会引起气候的变化。（5）携带在火山灰中的大量有害的气体，如氟和氡的富集将对环境造成污染，影响人的健康。

图2

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火山碎屑流灾害

爆炸式火山喷发柱的坍塌或者是火山口岩穹坍塌都将产生火山碎屑流。火山碎屑流是固体到半固体颗粒和热膨胀气体的混合物，沿着火山侧翼向下流动（见图7）。由于比空气重的乳状液的运动很像一次雪崩，只是它们温度非常高，而且含有毒气，像飓风一样的速度，可超过每小时100千米，高速运动的火山碎屑流是所有火山现象中最致命的火山灾难。运动着的火山碎屑流根据其运动状态的不同可分为头部、主体和尾部三部分。三个部分具有不同的流体化状态，从而控制着火山碎屑流堆积物的分层与分相。在火山碎屑流头部的流体化程度最强，侵蚀作用最明显。火山碎屑流的灾害包括浮岩流的高速冲撞作用、高温灼烧作用、掩埋淤积作用等，其分布很大程度上受地形的控制。由于喷发时碎屑物通常都保持着几百摄氏度的高温状态，加上快速的流动将使沿途所有生物难以逃脱灾难性后果。1980年5月18日美国圣海伦斯火山喷发产生的火山碎屑流，沿途摧毁了近600平方千米范围内的原始森林和一切生物，直径6英尺（约1.8米）的树木以每小时近百千米的速度被移动到了距离火山口24千米远的地方。火山碎屑流是爆炸式火山喷发的主要产物，全球平均每百年约发生40起，由于火山碎屑流的速度快，避离困难，横扫一切，破坏力大，加之温度高易发生重大火灾，所以它是火山喷发灾害严重的致灾因素。在长白山天池火山，火山碎屑流的堆积物也十分发育，分布半径为40～60千米，最大厚度100米左右，见于鸭绿江上游峡谷两岸，二道白河上游地下森林一带，如此广大的分布范围，其未来喷发可能引起的火山碎屑流灾害不可忽视。

火山熔岩流灾害

熔岩流是指从火山口喷溢流出的熔岩，特点是很少发生爆炸，常常从山顶火山口和山腰裂隙溢出相当多数量的玄武质熔岩流，岩浆黏度小，流动性大，温度高，表现为比较安静的溢流，气体释放量可多可少。由于喷发时岩浆受到较大的静压力以及气泡的膨胀作用，当其到达地表时，形成熔岩喷泉，被逸出气体推动的熔岩喷泉可达300米或更高，被喷出的多是玄武质熔岩，也可以是安山质熔岩，也有少量的火山渣和火山灰。

熔岩流的灾害分布范围视地形坡度及岩浆的物性而异，主要限于火山锥体部分和熔岩流溢流区范围内，有的呈狭长的带状，有的呈宽阔、平缓的舌状。喷出的熔岩的温度按其组分和气体量而不同，多介于900～1200℃。当熔岩中的气体含量多时，冷却到700℃之前均可流动。基性熔岩黏性低，流动性大，流速取决于坡度，最高可达45～65千米/小时，一般为15千米/小时。酸性熔岩黏滞，流动不远，甚至壅塞于火山口内。当熔岩冷却和凝结或气体排尽和成泡沫状时，它的黏度增加，运动更加滞缓。

熔岩流在大多数情况下因其流速较缓而使人们有一定时间来远离它们。但熔岩流会摧毁沿途设施并引起火灾，毁坏农田村庄，对经过的建筑及设备等资产，通常造成不可挽回的损失。如1783年冰岛拉基火山喷发，岩浆沿着16千米长的裂隙喷出，淹没了周围的村庄，覆盖面积达565平方千米，造成冰岛人口减少1/5，家畜死亡一半。

相对爆炸式喷发来说，熔岩流由于流动速度较慢，给了人们足够的反应时间，因而对人员的伤亡危害性较小。但是，由于喷发过程中往往产生巨大体积的熔岩流，对于环境的破坏力是难以抵御的，如位于美国夏威夷岛的Kalapana镇，在1990年的火山喷发中被埋在了数米深的熔岩流之下，整个城镇在一个月内几乎完全消失（见图8）。我国黑龙江省的镜泊湖火山群地区发育有大量的全新世玄武岩熔岩流，自海拔900多米的火山口流出，顺沟谷而下，流程达60多千米，对于沿途的破坏力是毁灭性的。

其他火山灾害

火山喷发引起的其他灾害包括火山泥石流、山崩、海啸、火山地震等。

火山泥石流是火山喷发物与水体混合（雨水、雪水及冰的融化）而形成的大体积快速流动的高密度流体，以及松散火山碎屑物被雨水冲刷、多次搬运的火山泥石流。火山泥石流灾害主要限于河谷低洼地带，快速大体积淤积的火山泥石流堆积物会使河床改道，堤坝淤积和破坏，造成一系列灾难性后果。火山泥石流是最主要的火山次生灾害，泥石流灾害既可能发生在火山喷发过程中，也可能发生在火山喷发停止之后。

火山喷发时亦可造成火山锥体部分崩塌而形成山崩灾害，如1888 年日本磐梯山火山活动，使小磐梯山北部崩塌，约有12立方千米的岩石沿北麓流下，夺去461 人的生命。崩落的岩块堵住了山川，因而出现桧原新的湖泊。

在近海地区发生火山喷发时，由于崩塌物落入海中，海水受堵塞而可能引起海啸。历史上最大的海啸灾害发生在1883 年印度尼西亚的克拉卡托火山喷发时，海啸袭击了苏门答腊和爪哇沿海海岸，海岸波浪高达35 米， 36417人在这次海啸中丧生。

图8 熔岩流掩埋Kalapana镇的动态过程

火山喷发预测预警

火山喷发预测预警是减轻和防御火山灾害的基础。火山监测是通过各种观察和观测手段，来监视和检测地下岩浆的动态变化，查明异常现象，捕捉火山喷发前兆，为火山喷发预报与研究提供科学依据。火山预警则是政府和主管部门对火山预报意见的决策和采取的处理原则及方式方法，主要包括火山喷发预报意见的科学评审与确定以及预报的发布与对策。

在火山临喷发前将会出现诸如地震活动性、地形变、重力、流体的地球化学性质变化等火山喷发前兆现象，而在平静期或休眠期，往往只有背景性的变化，或者零星的、偶发的前兆异常。（1）地震前兆：随着岩浆的聚集，水平引张应力逐渐增大，引发高频震群；当岩浆进一步上升时，岩浆与水的活动引起低频（长周期）地震；在临喷发前，由于流体（水、岩浆、出溶的挥发物）的囊泡化现象发生火山颤动。（2）形变前兆：火山活动前，岩浆积累引起地面隆起，当岩浆压力足以克服地表岩石强度时破裂而岩浆溢出；在火山喷发时地倾斜的振幅与岩浆供应量、岩浆喷发量有关。（3）火山气体地球化学前兆：根据火山区气体地球化学观测，可以推测火山区流体的来源和岩浆活动状态。

火山喷发灾害应急过程示意图

表1 火山喷发危险性评价等级（洪汉净，2003）

火山喷发危险性评价是火山活动趋势判定和火山预警的基础。由于火山活动及其灾害具有千变万化的表现形式，不同的国家火山喷发的危险性等级、活动分类形式与内容往往并不相同。我国大陆内部活动火山主要与板内热点和引张构造有关，或间接与板块碰撞、俯冲作用有关。我国大陆火山活动具有岩浆补给速率小、火山间距大，活动周期长的特点。不少活动火山都具有火山喷发有利的构造环境，地壳内存在岩浆囊，岩石圈较薄弱，仍然有再喷发的危险。另一方面已经几百年没有经历过喷发灾害，相当多的火山处在活动周期的前期。为了更好地进行火山喷发危险性等级划分，为了火山监测台网规划中对不同危险性的火山区别对待，为了火山预警和应急的需要，参考国外等级分类，确定了我国火山喷发危险性评价等级方案（见表1）。

火山预警的发布是一项综合性决策，既要考虑其科学依据是否充分，还要考虑它可能造成的社会影响。所以，经过科学评审后所确定的预报意见向社会发布与否，已不再是单纯的科学技术问题，而是要由政府来做决策的社会问题。从减灾意义来说，对长期火山监测与危险性预测工作对策应采取以下几个步骤：评价未来火山喷发的潜在危险；制订长期土地利用计划；评估火山的风险，制订有关火山活动征兆或当火山喷发时的应急预案，并监视火山活动状态以便监测火山喷发的起始状态和喷发过程；设计保护人民生命财产的安全措施以及应急所需的工具。其中，当危险区确定后，采取限制土地利用和开发的区划方法，是简单且有效的减灾措施。