美国地质调查局火山灾害项目与2018年夏威夷基拉维厄火山喷发概况

Walter Mooney

引 言

在美国，尤其是美国西部、阿拉斯加和夏威夷等地区，火山喷发的危险性极高。为了减少火山灾害的影响，美国地质调查局（USGS）成立了火山灾害项目（VHP）。该项目对美国危险火山进行监测和研究，广泛收集并分析地球物理和地质数据，以确保人民生命财产安全，并向公众、科学家以及灾害政策制定者传达相关信息。作为美国最活跃的火山之一，夏威夷基拉维厄火山是火山灾害项目（VHP）的重点监测对象（图1）。该火山几乎保持持续喷发状态，使周围地区遭受了巨大的灾害。因此，很有必要对该火山的地质历史和现今活动状态进行详细研究，尽量减少火山灾害的危害。

美国地质调查局火山灾害项目（VHP）介绍

（一）项目介绍

美国地质调查局的火山灾害项目是美国内政部的一部分，负责管理5个火山监测站的运行与维护。每个火山监测站负责一片特定的火山危险区域内的活跃火山和潜在活跃火山的监测任务，其中的3个监测站位于美国西海岸，另外两个监测站分别位于夏威夷和怀俄明州的黄石国家公园内（图2）。

火山灾害项目的主要目的是对火山进行详细研究，弄清其动力过程，以尽量减少火山灾害风险。通过详细的火山地质填图工作和年代学测试工作，可以判断火山喷发时代和期次，对于评估火山未来可能产生的灾害具有重要意义。火山监测站对地震、地形变化、水文和地球化学特征进行实时或非实时观测（图3），这些火山详细研究资料对实施火山减灾计划具有重大作用。

火山监测站根据监测资料的分析结果，向公众发布紧急和远期的火山灾害信息，主要包括灾害及疏散通知、报告、灾害地图、灾害评估及相关新闻。根据地质记录，火山监测站负责汇编有关的火山信息，提供火山活动状态和远期活动预测结果，并出版火山危险灾害地图。短期灾害评估包括紧急灾害通告、疏散路线和短期火山灾害地图，并通过多种方式传达给公众；而远期火山灾害评估结果发布在美国地质调查局的火山灾害项目官方网站上。

（二）数据收集

1.地震

地震活动观测是火山监测的重要手段之一，主要是通过地震监测网络将地震数据实时传输到火山监测站进行分析。根据火山危险等级，地震监测网络一般由布设在火山周围20km内的6～16台地震仪组成（图4）。由地震监测网络收集的地震数据一般经系统自动分析，判断火山活动性的强弱。同时，科学家通过分析地震数据可以预测火山活动，特别是在火山喷发前产生的地震群具有重要指示意义。虽然地震群不一定会导致火山喷发，但地震学家根据火山构造地震（由岩浆和气体迁移导致的脆性破裂）和低频地震（由岩浆和气体上升迁移导致的破裂）和颤动（持续的高振幅信号；由一系列的岩浆迁移、火山构造、地震和低频地震及气体因素导致）可判断地下岩浆迁移和变化过程。

图1 基拉维厄火山口及美国地质调查局夏威夷火山监测站鸟瞰图

图2 火山灾害项目管理的火山监测站及相关设施。AVO指阿拉斯加火山监测站，CVO指喀斯喀特火山监测站，HVO指夏威夷火山监测站，LVO指长谷火山监测站（现为加利福尼亚火山监测站CalVO），YVO指黄石火山监测站。

图3 美国地质调查局火山灾害项目使用的数据收集方法

图4 美国地质调查局火山灾害项目在华盛顿布设的地震仪，通常安置在地表之上，便于监管

2.地形变

地表形变是一项非常灵敏的火山监测技术手段，厘米级别及以上的地表形变是火山活动状态改变的标志。岩浆和流体的迁移过程都可以导致火山内部发生膨胀、收缩和破裂，从而导致地表产生形变。主要的监测仪器有：全球定位系统（GPS）接收器、水平仪、应变仪和卫星。GPS系统由一系列地球同步轨道卫星组成，信号接收器通过接收多颗卫星发射的电磁波可以计算出具体位置。在火山周围布置多颗GPS信号接收器，是一种相对低成本的地表形变监测方法（图5）。水平仪通常布设在浅部钻孔内，通过测量水平仪的角度变化而达到浅层地壳形变监测的目的。应变仪通常由充满液体的容器或一对平行的板组成，一般埋藏于钻孔中。由于岩浆迁移导致的地壳形变通常会改变钻孔的形状，固定的应变仪能监测到地壳的变化。干涉合成孔径雷达（InSAR）形成的雷达图像可用于远程绘制整个区域的地表形变，其精度可达一厘米内。通过对比同一区域的不同时间的InSAR图像，可以计算出该区域地表的垂直变化，其优点是可以远程监测危险区域，能在夜间工作且不受大多数天气的影响。通过分析上述地形变监测数据和其它数据，火山灾害项目科学家可以判断火山内部活动状态。

图5 夏威夷大学在基拉维厄火山边缘布设的GPS信号接收器

3.气体和水

随着岩浆上升迁移，溶解在岩浆中的气体会由于压力的降低而与岩浆分离，密度小于岩浆的气体，会最先沿着岩浆通道或断裂逸出到地表。气体的浓度和排放速率反映了岩浆体的组成成分、规模和位置分布，所以，在火山监测中，逸出到地表的火山气体的浓度和排放速率是重点监测对象。其中，二氧化碳和二氧化硫是火山气体监测中最重要的指标。二氧化碳通常在相对较深处与岩浆分离，因此，二氧化碳浓度的增加可能揭示新的岩浆补给。相反，二氧化硫在相对较浅的区域与岩浆分离，其浓度的增加可能表明熔岩已上升到地表或正在内部喷发。

气体采样方式多样，主要是在高浓度二氧化碳气体溢出口布设多种气体采集和测试装置，通过光学和电化学传感器测量多种气体成分和参数，包括温度和压力等。气体采集和测试区域也可以为喷气孔、沿着地表微小裂缝和长裂缝，以及沿着新鲜熔岩和火山碎屑流表面（图6）。此外，使用光谱仪也可以远程测量某些气体的浓度，如二氧化硫。

（三）火山灾害疏散警报

图6 美国地质调查局火山灾害项目组科学家在黄石公园的鹈鹕河采集气体样品

图7 美国地质调查局分布于全世界的火山灾害援助项目（VDAP）

美国地质调查局火山灾害项目负责发送火山警报，向公众传达火山活动状态等信息。该项目负责的5个火山监测站向当地的相关群体发送火山活动通知、每日/每周/每月更新状态报告、火山航空通告和火山警报。根据信息接收群体、火山危险性的等级和监测站的不同，火山警报类型和通知方式也存在区别。在火山危险期，火山灾害项目的科学家需尽快确定火山灾害类型及危险区域，以便采取相应的紧急措施。并非所有的警报和应急计划都由火山灾害项目负责处理，例如，火山警报和疏散通知由政府部门执行。

（四）火山灾害援助项目（VDAP）

火山灾害援助项目（VDAP）主要为其他国家的火山部门提供科学援助，由美国地质调查局和美国外国灾害援助办公室在1986年联合成立，目前已协助12个国家处理了70多次火山紧急情况（图7）。参与该项目的约20名美国科学家旨在为国外科学家和政府部门提供专业的科学知识和技术资源，包括在火山喷发前、喷发期间和喷发后提供美国的监测工具，如地震、卫星、GPS和气体监测装备等。美国科学家根据外方科学家的请求，协助进行火山灾害监测、火山活动预测、早期预警评估与制定和国际救援机构沟通等工作。

VDAP为合作双赢的项目，使美国和外国政府都直接从合作中收益。通过协助其他国家进行火山监测与减灾工作，美国地质调查局火山学家不仅加强了国际合作，而且获得第一手监测数据和经验，为美国火山灾害政策的制定提供了科学的经验和方法。

（五）美国地质调查局的五个火山监测站

1. 阿拉斯加火山监测站

阿拉斯加火山监测站（AVO）由阿拉斯加费尔班克斯大学地球物理研究所、阿拉斯加地质和地球物理调查局和美国地质调查局共同管理，主要依靠地震数据监测整个阿拉斯加的20多座火山（图8）。同时，结合卫星图像数据，阿拉斯加火山监测站可以更准确的评估火山活动并向公众传达紧急情况。此外，阿拉斯加火山监测站还通过电子邮件发送每周火山活动和调查报告。

2. 加利福尼亚火山监测站

图8 火山灾害项目在阿斯拉加设立的火山监测系统

加利福尼亚火山监测站（CalVO）于2012年在长谷火山监测站的基础上改建而成，主要负责加利福尼亚州和内华达州的14座火山监测任务，监测仪器包括GPS和气相色谱仪等（图9）。该监测站以火山警报的形式向公众、媒体和政府发布火山活动危险变化情况，发布途径包括电子邮件、电话、传真和会议。

3.喀斯喀特火山监测站

喀斯喀特火山监测站（CVO）位于华盛顿州温哥华市，负责监测整个华盛顿州、俄勒冈州和爱达荷州的火山，同时负责美国地质调查局的火山灾害援助项目（图10）。该火山监测站负责与媒体和公众交流，并管理美国地质调查局的火山社交媒体。火山监测站内设有沉积实验室，主要为美国地质调查局、大学和其他政府机构与合作伙伴测试分析样品，以更好地了解火山。

4. 黄石火山监测站

黄石火山监测站（YVO）由8个组织共同建立，归美国地质调查局管理（图11）。国家公园管理局、国家自然科学基金委和各大学的科学家共同合作，对黄石火山区及周边区域进行科学研究。研究信息在各个组织中和火山监测站之间是共享的，以便美国地质调查局的科学家能够有效且简明地将重要研究成果传达给相关部门。每个单位负责的研究重点不同，其中犹他大学主要负责地震网络的监测工作，国家自然科学基金委的附属机构(UNAVCO)负责井下应变仪和地震仪的操作，怀俄明州和周边州的地质调查部门负责与各自地区的公众交流信息。在火山爆发风险相对较低期间，黄石火山监测站重点进行更深入的火山研究及其区域地质背景研究，为降低黄石和其他火山灾害做好充足的准备。

5. 夏威夷火山监测站

夏威夷火山监测站（HVO）成立于1912年，是美国建立的第一座火山监测站，主要负责夏威夷地区的六座活火山的监测任务，重点监测1970年以来发生过多次喷发的基拉维厄火山（图12）。为了保证当地的安全，夏威夷火山监测站建立了实时火山监测网络，包括野外监测站和卫星联合数据分析。夏威夷火山监测站同时负责记录和报告夏威夷地区的地震活动，这些地震数据不仅可用来进行火山监测，还可用于夏威夷的地震活动研究。由于夏威夷火山喷发以熔岩流为主，卫星影像常被用于跟踪熔岩的运动过程。同时，卫星影像也用于监测火山气体，特别是记录火山气体污染等级。

图9 加利福尼亚火山监测站的科学家正在进行火山监测工作

图10 位于华盛顿州的喀斯喀特火山监测站

图11 黄石火山监测站鸟瞰图

图12 位于基拉维厄火山口周围的夏威夷火山监测站

基拉维厄火山喷发概况

（一）夏威夷群岛介绍

夏威夷群岛由位于北太平洋的八座主要火山岛组成（图13），其中基拉维厄火山是夏威夷地区五座活火山中最活跃的火山。基拉维厄火山自1983年持续喷发至今，吸引了众多火山学家对其喷发进行研究，其中，最近的Pu'u'Ō'ō火山锥喷发是夏威夷近35年来规模最大、周期最长的熔岩流喷发。

图13 夏威夷东南地区的8座主要岛屿

图14 夏威夷岛的火山分布及规模

图15 夏威夷火山的地面火山警报级别图

夏威夷岛，也被称为大岛，位于夏威夷群岛最东南部，发育多座火山，包括Lö'ihi火山、Mauna Kea火山、Hualalai火山和Haleakala火山（图14）。夏威夷最近喷发的火山为基拉维厄火山（Kilauea）和莫纳罗亚火山（Mauna Loa），两座火山喷发都很频繁。根据美国地质调查局公布的火山警戒级别和航空颜色代码指标，基拉维厄火山为“橙色等级”（图15），表明该火山正在喷发中，需要对其进行密切的监测。

（二）夏威夷群岛的起源

夏威夷群岛是数百万年来无数次火山喷发形成的巨大火山峰，部分火山峰比洋底高9km以上。这些高于海平面的火山峰仅代表巨大的夏威夷海底山脊—帝王海山链的极小部分，这片区域包括80座以上大型火山，横跨太平洋海底，从夏威夷群岛延伸到阿留申海沟（图16）。

世界上大多数的活火山沿着地壳板块边界分布，但夏威夷火山群岛分布于太平洋板块中间（图17），与最近的板块边界相隔3200km以上，是由夏威夷热点的火山作用形成。

1963年，地球物理学家威尔逊提出了热点假设理论，用来解释板内火山活动的成因。他认为，在夏威夷群岛等地发现的异常的火山活动可归因于地壳板块之下的超高温的区域，这些高温区域持续时间很长，能提供局部的热能（热柱），产生的岩浆形成了这些板内火山活动。此外，威尔逊还推断，夏威夷海底山脊——帝王海山链独特的线性构造是由太平洋板块相对地幔中的热能柱向西北移动造成。威尔逊的假设现已被广泛接收，且大量地球物理和地质学证据表明威尔逊假设中的夏威夷热点现位于夏威夷地幔位置。

图17 太平洋板块构造简图，显示夏威夷热点位于太平洋板块中间

图16 夏威夷海底山脊——帝王海山链图

夏威夷群岛在局部热点上向西北逐渐漂移，因此，从西北到东南的主要熔岩的年龄是越来越新的。西北部的熔岩年龄最老，东南部的熔岩年龄最新：其中，Ni'ihau和Kaua'i火山喷发时代为3.8百万～5.6百万年；O'ahu火山喷发时代为2.2百万～3.4百万年；Moloka'i火山喷发时代为1.3百万～1.8百万年；Maui火山喷发时代为0.8百万～1.3百万年，夏威夷主岛喷发时代小于0.7百万年。有科学家估计夏威夷的火山热点宽约320km，但为各个火山提供岩浆的垂直通道要窄的多。

（三）基拉维厄火山

基拉维厄火山是一座盾形火山，位于莫纳罗亚火山（Mauna Loa Volcano）的东部斜坡上，主要由喷发出的酸性岩浆组成。基拉维厄火山位于夏威夷东南部的裂谷带内（图18、图19和图20），与夏威夷其他岛屿的古火山相比，基拉维厄火山岛缺乏古老的裸露岩石，因此地质学家很难厘清其完整的喷发历史。基拉维厄火山表面只有10%的岩石年龄超过1000年，另外90%的熔岩流被这些最新的熔岩流所覆盖，其中20%的熔岩流年龄小于200年。

（四）2018年基拉维厄火山喷发

基拉维厄Pu'u'Ō'ō火山喷发始于1983年（图21），是500多年来基拉维厄火山东部裂谷带内持续时间最长、喷发规模最大的火山喷发。熔岩喷泉和熔岩流使当地地貌特征发生了较大的改变，并多次对当地居民造成冲击。截至2016年年底，火山熔岩流已覆盖144km2，喷发体积约4.4km3，为夏威夷东南海岸增加了1.79km2的新土地。基拉维厄火山的顶峰在1983年火山爆发后沉寂了25年，在2007年末，新的活动迹象逐渐出现。2007年11月至12月，二氧化硫排放量和地震活动开始超过正常的背景水平。2008年的前几个月，气体排放和地震活动持续增加，到3月初，这些监测参数比正常水平高好几倍。2008年初，随着气体排放量的增加，Halema'uma'u停车场周围产生了高浓度的二氧化硫，使国家公园环形山道于2月20日被迫关闭。

2008年3月19日凌晨2点58分，基拉维厄峰发生了一次小地震，与此同时，福马罗勒地区也发生了坍塌，塌陷形成了一个小坑。在接下来的几个月里，美国地质调查局的地质学家偶尔透过厚厚的烟雾看到深红色的火光（图22）。

图18 夏威夷热点及其形成的火山群岛简图

图19 盾状火山内部结构示意图

图20 基拉维厄火山地理位置图

图21 Pu'u'Ō'ō火山喷发第一天的熔岩流照片

图22 黎明时分的Halema'uma'u火山口的延时摄影照片

图23 截至2018年8月1日上午10点，基拉维厄下东裂谷区熔岩流和裂隙分布图。图中紫色区域表示1840年、1955年、1960年和2014—2015年熔岩流的喷发

图24 8号裂缝的航拍照片，熔岩沿着裂缝流到海里

2014年6月27日，Pu'u'Ō'ō火山口东侧翼形成了新的裂缝，这些裂缝导致卡瓦莱河停止流动。随后，新的熔岩流迅速向东部推进，从7月至10月延伸了20km至Pāhoa社区。

从1997年至今，Pu'u'Ō'ō火山的熔岩流一直以平稳的绳状熔岩流覆盖于熔岩盾之上，部分沿着通道流入大海，偶尔形成新的气体逸出口。但近期火山口发生坍塌，火山口增大，火山活动明显增强。Leilani Estates及周边地区的喷发异常突然，这是由PuʻuʻŌʻō的一个破火山口坍塌引起的，破坏力和影响范围都特别大。

2018年5月3日，位于基拉维厄火山东部裂谷带低Puna喷发是一次持续的火山喷发事件，与1983年1月3日的基拉维厄火山喷发有关。熔岩喷泉的喷发高达90米，地震和地形变造成Leilani Estates地区道路破裂，使岩浆和火山气体沿着裂缝流出和逸出。5月4日，Puna发生6.9级地震。截至2018年5月27日，Leilani Estates附近共形成了24条裂缝（图23）。其中最引人注目的是第8条裂缝，它不断地从火山口向东北方向喷出岩浆（图24）。

（五）紧急疏散与管理

基拉维厄火山的熔岩覆盖面积约14.2km2，对当地居民的影响巨大，其中熔岩摧毁了超过700所房屋。2018年7月的最后几天，基拉维厄火山裂隙附近的熔岩点燃了树木和草地，引发了夏威夷大岛的森林大火，使很多房屋化为灰烬。

2018年5月31日，基拉维厄火山东部的Leilani Estates地区发布了强制性的24小时疏散命令，拒绝疏散的居民甚至会被警方拘留，紧急疏散了2000多人，并被安排住在避难所和其他临时住所。

到目前为止，美国地质调查局夏威夷火山监测站依然实时监测基拉维厄火山日常活动状态，并在美国地质调查局官方网站发布基拉维厄火山喷发的最新信息。