汤加火山的构造背景及其“1·15”大喷发过程的初步观测分析

范兴利

(成都理工大学地球勘探与信息技术教育部重点实验室，成都 610059；成都理工大学地球物理学院，成都 610059)

北京时间2022年1月15日12时27分，南太平洋汤加地区的洪阿哈阿帕伊岛(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai)海底火山(以下简称汤加火山)发生了大规模爆炸式喷发活动。此次火山喷发非常壮观，火山灰柱“直冲云霄”，整个过程被卫星清晰地记录了下来(图1)。火山爆发形成的冲击波在全球范围内传播，世界多个地方都监测到了大气压的异常变化[1]，海底喷发触发的海啸对靠近火山的汤加地区造成了严重破坏，对环太平洋沿岸地区包括斐济、新西兰、澳大利亚、菲律宾、日本、美国西海岸等地也都产生了不同程度的影响。空气中飘散的火山灰/气以及沉降的火山灰等其他火山碎屑物质严重污染了汤加地区的空气和地表水源，直接威胁到附近居民和动植物的生命安全。此次汤加火山之所以发生如此剧烈的喷发活动与它所处的地质构造背景密切相关。

图1 2022年1月15日汤加火山大喷发形成的火山灰柱“蘑菇云”(由himawari8卫星观测得到)

1 汤加火山所处大地构造背景

如图2所示，此次发生剧烈喷发的汤加火山在地理上位于南太平洋海域(南纬20.55°，西经175.39°)，南距汤加主岛(汤加塔布岛，汤加王国首都努库阿洛法所在地)65 km，西距斐济650 km，西距澳大利亚2 100 km，西南距新西兰1 770 km。该火山处于太平洋板块和印度-澳大利亚板块交界附近，属于典型的岛弧型火山。东部的太平洋板块在汤加海沟处西向俯冲于印度-澳大利亚板块之下，南北向狭长展布的汤加海沟平均水深6 000 m，最深处达10 882 m，是仅次于马里亚纳海沟的全球第二深海沟，也是地球上(深源)地震和火山活动最频发的地带之一[2]。

图3是岛弧火山的形成示意图，当密度较大的大洋板块(例如太平洋板块)在海沟处向地球深部俯冲时，随着温度和压力的升高，在某一深度位置(100 km上下)，俯冲板片(包含水、沉积物和蚀变洋壳)会发生脱水熔融作用，形成富含挥发分的岩浆向上运移至地表后喷发形成岛弧火山[3]。此次发生大喷发的洪阿哈阿帕伊岛就位于与汤加海沟近乎平行的火山弧上(图2)。与地球上其他一些岛弧火山类似，汤加火山一直以来都比较活跃，以近些年为例，汤加火山在2009年3月份发生过一次较大喷发，喷发的火山柱有7.6 km高，对当地的航空运输造成了影响，2014年和2015年也有显著的喷发活动[4]。2021年12月份汤加火山开始出现相对较小规模喷发，2022年1月14日开始大规模喷发，1月15日发生了此次爆炸式剧烈喷发。

黄色锯齿状曲线表示海沟的位置，红色小三角形代表岛弧火山，带拖尾的红色火山标志表示洪阿哈阿帕伊岛火山(汤加火山)。左上角子图(谷歌地图卫星影像数据)给出了发生火山喷发的洪阿哈阿帕伊岛与汤加主岛的位置分布。右上角子图显示了汤加地区在大尺度地图里的地理位置分布。图2 汤加火山及其邻区构造背景图

图3 岛弧火山形成机制示意图(修改自https://worldbuildingschool.com/landscaping-your-world-map/)

2 汤加火山破火山口结构

组成汤加火山的洪阿哈阿帕伊岛在2014年之前实际上是两个相邻但完全孤立的岛，分别被称为洪阿·汤加岛(Hunga Tonga)和洪阿·哈阿帕伊岛(Hunga Ha'apai)，在汤加语中，‘Hunga(洪阿)’就是火山喷发的意思。2013年11月15日的卫星影像图(图4a)上可以清晰地看到这两个独立存在的岛，这两个岛屿是2009年3月的火山活动及其更早期的火山喷发活动形成的，此次大喷发前的卫星影像资料(图4a和图4b)上还能观察到岛上覆盖的植被。2014～2015年间该地区的火山喷发活动产物直接将原本分离开来的洪阿·汤加岛和洪阿·哈阿帕伊岛连接在了一起(图4b)，从表面上看似乎火山喷发中心就位于这两座岛屿之间。实则不然，从海底三维地形图(图5b)中我们可以清楚看到，这座火山的破火山口主体部分其实隐藏在海水面之下，洪阿·汤加岛和洪阿·哈阿帕伊岛只是它露出水面的边缘部分(图5a)。尽管这座火山近些年来一直有喷发，但主要是火山口边缘地带小规模的火山活动而已。2022年1月14日较大规模喷发之后，1月15日大喷发前两小时的卫星影像图(图4c)表明两座岛屿中间发生了塌陷，这预示着海水可能大量倒灌进入了塌陷区深部，为接下来整个破火山口发生大规模的爆炸式喷发注入了物质和能量。成都国星宇航科技有限公司提供的最新卫星影像资料(图4d)显示，洪阿·汤加岛、洪阿·哈阿帕伊岛及其中间的连接体在此次大喷发中几乎被完全摧毁了，只剩下最边缘的小部分还零星地出露在海面之上。据此可以表明：整座破火山口已经遭受了严重的破坏，包括可能的下沉塌陷。

(a)和(b)分别是2013年11月15日和2016年5月19日的卫星影像图(来自谷歌地图)；(c)是2022年1月15日大喷发前两个小时的卫星影像图(来自谷歌地图)；(d)是2022年1月18日的卫星影像图(成都国星宇航科技有限公司提供的星时代-10卫星影像数据)图4 洪阿哈阿帕伊岛近年来的时空演变

3 汤加火山大喷发的量级及其对气候的潜在影响

3.1 汤加火山大喷发的量级

在火山学中，火山喷发的强度可以通过“火山喷发指数”(Volcanic Explosivity Index，简称VEI)来衡量[6](图6)，衡量指标主要包括喷出物体积和喷发柱高度等方面。指数每增加1级表示火山喷发的强度增加10倍，历史上最大规模的火山喷发强度定义为8级。2010年冰岛4级火山喷发产生的火山灰曾使欧洲多地航班瘫痪，由此可见4级以上火山喷发事件的威力。所幸的是，地球上5级及以上规模的火山喷发并不多见，19世纪以来一共有11次(不包括此次)。1815年印尼的坦博拉火山喷发是19世纪以来最强烈的火山喷发事件，火山喷发指数高达7级。6 400×104a前美国黄石公园火山发生了8级(顶级)的超级喷发事件，曾对地球的气候和环境产生了深远的影响。

据初步观测，此次汤加火山的喷发柱高度超过了30 km，喷发开始后的30 min时间内，喷发柱顶部的“蘑菇云”直径超过350 km，喷发柱的快速上升和大规模的横向膨胀表明此次火山喷发释放的能量巨大。初步估计，此次喷发的VEI可能在5级左右，因此这是1991年菲律宾皮纳图博6级火山喷发事件以来，地球上近30 a来最强的火山喷发活动记录。

(a)图(修改自Cronin等[3])中的黑色虚线表示破火山口的范围;(b)图(来自frederik ruys制作的三维海底地形模型https://twitter.com/fruys/status/1482845290369536000)中的三维海底地形显示了露出海面的破火山口边缘(火山岛)和隐藏在海水下面的破火山口主体图5 汤加火山破火山口结构示意图

图中红色圆圈内的数字表示相应等级下火山喷出物的体积图6 汤加火山大喷发与地质历史上顶级火山喷发事件的强度对比

3.2 汤加火山大喷发对气候的潜在影响

地球表面大气圈中的对流层平均厚度12 km左右，此次汤加火山的喷发柱高度超过了30 km，意味着喷发的火山灰有一部分进入了平流层。由于缺乏空气对流环境，进入平流层的火山灰可能需要几个月甚至数年才能沉降到地面。它们会遮蔽阳光，好比是在地球头顶上打了一把遮阳伞，因此会造成气温降低。需要注意的是，尽管此次汤加火山喷发很剧烈(预估VEI 5左右)，但仍然不及1815年坦博拉这类超级火山喷发的强度，因此不太可能输送大量的火山灰进入平流层。另外，火山喷发释放的二氧化硫气体对气温的潜在影响更大，因为二氧化硫进入平流层后会形成硫酸气溶胶，在平流层中横向运移输送到全球各个地方，通过阻挡太阳辐射引起近地表温度降低。但是目前据美国国家航空航天局(NASA)卫星初步监测数据(https://so2.gsfc.nasa.gov/omps_2012_now.html#hunga)，此次汤加火山喷发产生的二氧化硫约为400 kt，仅为1991年菲律宾皮纳图博火山喷发释放量的2%，所以对全球气温的影响应该很小。因此，本次汤加火山喷发对全球气候的影响，尤其是对北半球的影响应该比较有限，不太可能出现诸如1815年印尼坦博拉火山喷发时的“无夏之年”现象。

4 中国境内的火山分布及其监测情况

此次汤加火山大喷发也引起了社会大众对我们国家是否存在火山灾害的讨论。中国境内也有活火山存在，这里活火山指的是近1×104a来有过喷发活动的火山(也称全新世火山)。其中，潜在喷发危险性最强的当属位于中朝边境的长白山天池火山[7]。长白山天池火山是一座规模巨大的板内层状复式活火山，地质历史上发生过多次喷发。公元946年(后晋时期)，长白山天池火山发生的一次“千年大喷发”被认为是近2 000 a来的最大火山喷发事件之一[8]。此次喷发摧毁了方圆50 km半径内的森林，其飘散的火山灰贯穿了中国东北、俄罗斯远东地区、朝鲜半岛和日本海，甚至在北极格陵兰岛的冰芯中都有记录[9]。继“千年大喷发”之后，长白山天池火山至少又在 1413年、1668年和1702年发生过几次小规模喷发活动。2002～2005年间，增强的火山地震活动、GPS 和水准监测观察到的地表隆起、温泉气体地球化学异常以及卫星热红外遥感监测到的热异常，均表明长白山天池火山有岩浆活动的迹象[10]。近年来有关长白山天池火山是否存在潜在喷发危险的讨论，也引起了国内外研究学者的广泛关注[11]。

图7是我国境内活火山的监测分布图(来自许建东等[9])，多种监测手段包括地震、重力、形变、流体等都被用于这些活动火山的实时监测中。目前，以长白山天池火山为代表的6处活火山已被纳入中国火山监测台网，它们分别是吉林长白山天池火山、龙岗火山、黑龙江五大连池火山、镜泊湖火山、云南腾冲火山和海南琼北火山。随着国家应急管理事业的推进，我国对火山的监测和研究将持续加强和深入[9]，此次汤加火山大喷发给当地居民造成的灾害性影响也进一步凸显出我国对活动火山开展系统性研究和监测预警工作的必要性和重要性。

图7 中国境内活动火山监测分布图(来自许建东等[7])