1980年圣海倫斯火山爆發對之后30年火山學研究的啟示*

1980年圣海倫斯火山爆發對之后30年火山學研究的啟示*

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，圣海倫斯火山發生了一次大規模噴發，這一事件令科學家和大眾驚嘆不已。巨大的山體滑坡、氣浪以及隨之而來的柱狀噴發（高達25 km，持續時間長達9 hr）等影像記錄震驚全世界，同時也激起了人們對此次火山噴發事件研究的興趣（圖1）。

圣海倫斯火山噴發至今仍是一個很重要的歷史事件 對這次噴發及其后果的研究徹底改變了科學家對火山學這一領域的研究方式。此次噴發不僅場面壯觀，而且因其發生在白天，人們可以利用數碼技術手段記錄信息，這些記錄也成為科學研究的資料來源。火山爆發造成了人員死亡，對下游和下風方向的人員和基礎設施造成了嚴重的影響，因此，科學家意識到必須對此次火山噴發事件進行深入研究，并與全社會一道共同努力，減輕未來火山爆發產生的影響。

圖1 1980年5月18日下午圣海倫斯火山的北側影像。

1 1980年火山爆發之前

在關注這次噴發事件給火山學帶來的新的理念之前，有必要回顧一下30年前火山學的研究狀況。1980年美國地質調查局（USGS）對活火山的研究主要集中在夏威夷島——事實上，夏威夷島也是美國唯一的一個火山觀測點，因此研究的重點很自然地聚焦在對玄武巖火山活動的研究上。極少數的美國大學在火山學領域有綜合性的教學與研究項目。隸屬于華盛頓大學的太平洋西北地區地震臺網（PNSN）在1969年布設了第一批地震儀，用于研究區域地震，之后又于1972年在圣海倫斯火山側翼的上部布設了地震儀［1］。我們現在雖然擁有大量的技術和資料，比如手機、筆記本電腦、全球定位系統（GPS）接收器、數碼相機、衛星通訊以及連續的實時地震波形和大地測量數據等，但當時這些東西一概沒有。有科學家對包括圣海倫斯山在內的喀斯喀特山脈（Cascades）的火山進行過研究，他們依據由火成碎屑流、火山灰和火山泥流等形成的碎屑沉積物的形態特征，推測火山歷史以及未來可能發生的火山活動，但當時這個領域才發展不到20年，而且只有少數幾個地質學家在進行這方面的研究。

太平洋西北地區的居民很少有人知道自己生活在隨時有可能噴發的火山附近，而且絕大多數人不知道圣海倫斯火山曾于1857年爆發。地層學證據顯示圣海倫斯火山噴發頻繁，間歇期約幾百年甚至更短，據此，USGS在1978年發表的火山危險性評估中預言［2］，圣海倫斯火山可能會在100年內噴發，甚至可能就在20世紀末之前噴發。1979年夏天，正在對此火山進行研究的地質學家還只能猜測他們是否會看到火山噴發。

2 1980年火山爆發

圣海倫斯火山突然間異常活躍，1980年3月底發生的地震預示著沉寂了123年的圣海倫斯火山開始蘇醒。一周時間內，大量的水汽和火山灰噴涌而出，形成了山頂火山口。時常發生的震級達M 4.7的地震使火山劇烈震動。淺部巖漿入侵使火山北翼以每天1.5 m的速度向外凸起。來自USGS、太平洋西北地區地震臺網以及許多所大學的科學家聚集在圣海倫斯火山，他們當中只有極少數人對這座火山有很深入的了解。研究人員匆匆于晚冬時節在圣海倫斯火山地區布設新的儀器以獲取數據并進行解釋，此時，他們面臨的最大挑戰就是對未來可能發生的火山活動提供短期預報。美國農業部林務局是這個項目的重要合作伙伴，他們為研究人員提供了辦公場所和后勤支援。這一機構曾經協調處理過嚴重的森林火災事故，但從未處理過火山噴發事件。當時的危機反應成為國際國內媒體關注的焦點，這對科學家而言是一項新的挑戰，所以他們只能在實踐中學習。

5月18日上午發生的災難性火山噴發是美國歷史上經濟損失最為嚴重的一次破壞性火山事件。2.8 km3的山體滑坡導致火山頂峰降低了400 m。淺層氣態巖漿的突然減壓使氣浪以每小時500 km的速度向北噴涌，在3分鐘時間內推倒或燒毀了625 km3的森林。15分鐘內，垂直的火山灰柱升至25 km的高度。當日下午，密集的火山灰云中有幾公分厚的灰塵突然降落在華盛頓東部地區，處于下風方向的城市上空天色漆黑，人們不得不亮起燈光。火山灰羽只用了3天時間就橫掃整個美國，環繞地球一周也僅用了15天。火山泥流使附近的河流充滿了泥漿和碎屑，27座橋梁和200棟房屋被摧毀或損壞。在上游港口，船運航線上火山泥流沉積物的堆積造成31艘船只擱淺。俄勒岡州波特蘭以及華盛頓州溫哥華等港口都停運一周。

晴朗的天氣使科學家和公眾能夠清晰地看到山體滑坡、氣浪、噴發柱、火成碎屑流以及火山泥流等景象。對于此次火山爆發，事先曾有許多很好的預測，但對于山體滑坡的規模以及爆炸造成的朝北方向180°的弧形大破壞卻沒有預告出來。因次生效應引發的問題也是令人驚訝的，比如火山灰飄移對相距很遠社區的經濟造成的影響以及大量火山泥流的堆積物注入哥倫比亞河的航道對正常航運造成的影響。

由于此次火山噴發造成了嚴重的破壞，所以科技界加大了科學研究和災害評估的力度。5月25日至10月18日發生的5次小規模爆發使火山灰向不同方向飄散，有些飄向大城市地區，包括俄勒岡州波特蘭市和華盛頓州首府奧林匹亞。科學家利用大量的資料和先進的技術手段對5月18日的火山爆發以及隨后發生的較小規模的爆發序列進行了詳盡的研究，這是以往任何一次都無法比擬的。

3 早期的火山灰和飛機事故

2010年4月，Eyjafjallaj?kull火山爆發產生的火山灰從冰島蔓延到整個歐洲上空，造成大范圍的空中交通癱瘓。回想30年前，人們還不大了解大氣中的火山灰會對飛機造成嚴重影響，而且關于這方面的資料記載也很少，這種狀況今天聽起來簡直不可思議，好在當時的人們馬上就意識到火山灰對航空運輸的危害性。

由于1980年5月18日圣海倫斯火山爆發時天氣晴朗，而且是在白天，所以很多飛機都成功地繞開了向東飄移的火山灰云。盡管天氣情況良好，一架噴氣式客機還是迷失了航向進入火山灰云層，造成了嚴重事故［3］。一周之后，也就是在5月25日火山爆發期間，一架C-130渦輪螺旋槳飛機在惡劣天氣情況下誤入火山灰云中，從而第一次記錄下由于吸入火山灰而引起的飛機引擎在飛行中出現的臨時故障。C-130在降低飛行高度后成功恢復動力并安全著陸，但引擎遭到毀壞。不過，幾乎又經過了10年的時間，而且又經歷了幾起飛機因遇到火山灰而發生的災難，航空部門和負責航空運輸的政府機構才完全認識到火山灰對飛行器的威脅。

4 隨后十年

有關5月18日災難性火山爆發以及隨后火山活動的最初觀測和解釋等方面的一篇專題論文在火山噴發后不到一年就發表了［4］。火山爆發的消息激起了世界各地火山學家的研究興趣和想象力。USGS隨后建立了喀斯喀特山脈火山觀測臺，這個觀測臺不僅對正在發生的圣海倫斯火山噴發進行監測，而且還對整個太平洋西北地區和加州北部地區的火山進行災害評估及監測。由于此次圣海倫斯火山爆發以及1985年哥倫比亞的內華達德魯茲（Nevado del Ruiz）火山爆發，USGS與美國國際發展署聯合開展了火山災害援助計劃（VDAP），旨在對全世界發展中國家發生的火山危機事件做出快速反應。1991年，菲律賓皮納圖博火山進入不平靜期，VDAP和USGS的科學家做好了積極響應的準備。1991年6月12—15日，皮納圖博火山陣發性噴發，VDAP和USGS提供了最先進的設備和豐富的經驗，這對于菲律賓科學家成功應對火山噴發起到了關鍵作用。

Newhall［5］總結了1980年火山爆發的主要科學啟示：圓丘狀地形往往與火山側翼崩塌形成的沉積相關，這種情況見于加州的Shasta山和印尼的Galunggung山；淺層氣態巖漿覆蓋層的突然剝離會使其迅速減壓，導致毀滅性爆發，如1956年勘察加半島別濟米安納（Bezymianny）火山噴發以及1951年巴布亞新幾內亞拉明頓（Lamington）火山噴發；火山活動停止以后，由于火山泥流和水中沉積物的運移，填積作用會影響到下游的居民區，這種情況見于1991年后的皮納圖博火山地區。1980年的火山爆發對生態學家而言也同樣具有重要意義，他們對遭到嚴重破壞地區的植被重建和移民問題進行研究，由此獲得了對遭到破壞的自然景觀進行恢復和重建的有益啟示。

最重要的一點是如何對火山事件做出快速反應。科學家用簡明的語言向公眾傳播前后一致的信息并對災害現象的本質作出解釋，從而在公眾面前樹立起可信的形象。災害事件協調員負責向政府官員提供信息，并幫助他們做出如何應對火山爆發事件的決定，比如禁止人們進入潛在危險區或疏散潛在危險區的居民，但這些災害事件協調員自己不做任何決定。責任的明確分工使科學家不參與政府決策，這樣他們就可以集中精力對火山活動進行監測、解釋和預報。科學家明白他們需要向公眾發布及時、準確的火山活動信息并快速平息謠言［6］。

經過6年斷斷續續的熔巖丘成長之后，1980年出現的圣海倫斯火山的不平靜狀態以及隨后發生的火山噴發終于在1986年10月結束［7］。熔巖丘的噴發比之前的爆發溫和許多，但穹丘熔巖的爆裂和坍塌時常會將火山灰送至飛機巡航高度，其產生的新的火山泥流也會不斷從火山口涌出。1989—1991年，已冷卻的熔巖丘至少發生了6次毫無預兆的噴發，并產生了火山灰云團以及少量的沉降物。這種持續的火山活動給科學家和大眾以這樣的啟示：火山爆發不同于其它自然災害，它可以持續數年，其影響范圍可以波及距離火山很遠的地方，并且還能夠導致航空運輸癱瘓。

5 再次蘇醒

2004年至2008年期間圣海倫斯火山再次蘇醒（圖2）［8］，但這一次熔巖丘侵位的方式不同，其具體表現為150 m厚的Crater冰川侵位方式。Crater冰川成長于1980年代的熔巖丘及陡峭的1980年火山口壁之間。與1980年火山噴發的情況一樣，2004年9月底火山活動開始得非常迅速，一周之內就導致多次噴發和顯著的局部形變。正如兩周內（即熔巖脊柱從一個隱藏在冰川下的噴口突出時）出現的第一批前兆所示，這些現象表明淺部巖漿在上升。1980年代形成的熔巖丘南坡的火山噴口位置、地表地形以及先前的熔巖脊柱的殘留物似乎共同控制著熔巖脊柱的成長。巨厚的冰川冰的存在還不足以使熔巖脊柱改變方向或阻止其成長。

圖2 2006年9月12日圣海倫斯火山口的景象。圖中顯示出1980—1986年形成的熔巖丘、2004年10月中旬開始成長的復合熔巖丘以及發生劇烈形變的Crater冰川的狹長地帶。圖片來源：USGS；攝影：W E Scott

與1980年代火山噴發不同，2004—2008年的這次噴發是地表下不到1 km處固結的脫氣熔巖脊柱的連續噴發。熔巖脊柱的成長將冰川分成兩個狹長地帶，并使其先向東延伸數百米，再向西延伸數百米，其海拔也比原來高出100多米。盡管接近熱巖，此次噴發卻未能使冰川融化。但它確實使西部的冰川鼻以115 m/a的加速率向前移動，這個速率比噴發之前快110 m/a。這次加速不是因為基底滑移，而是因為冰川面坡度抬升和逐漸變陡。

這次火山爆發的另一個顯著特征是數月內連續發生淺源地震（＜1 km）。由于每隔30～300 s就發生地震，人們將其戲稱為“敲鼓”。人們現在知道頻繁的地震活動發生于能形成熔巖丘的火山爆發過程中，但這種地震活動從未像2004—2008年圣海倫斯火山噴發過程中的地震活動一樣持續那么長時間。

2004年9月圣海倫斯火山蘇醒速度之快著實令人驚訝，因為2004年之前的4年是1986—2004年火山休眠期間地震活動最為平靜的時期。“作戰式”GPS衛星并未探測到火山側翼形變，而且位于火山北部9 km處的一個連續GPS臺站在1997年至2004年9月期間也沒有反應。另外，也沒有蒸汽、火山氣體或其他現象預示著火山會再次噴發。這次火山噴發的氣體異常貧乏。經過深入細致的巖石學研究，只發現極少量的巖漿補給。多數參數表明這一次火山噴發只是1980—1986年火山爆發周期的延續，與深源活動基本無關。巖石學和大地測量學模擬表明2004—2008年火山噴發應歸因于約5 km深的巖漿源；很顯然，完全脫氣的巖漿從此深度運移至地表，但并沒有新的巖漿補給。這次火山噴發的觸發機制仍然是個謎，但是驅動和阻止巖漿噴發的力學模型顯示巖漿的壓力與摩擦力之間的平衡關系是如此微妙，因此，任何一個微小的變動都將改變火山噴發的形態特征［9］。

6 圣海倫斯火山爆發給火山學研究帶來的啟示

1980年5月18日圣海倫斯火山爆發可能是火山學研究領域最為關注的現代火山事件，對于這次事件的多角度的科學研究至今仍在繼續。20世紀80年代開展的形變與地震學研究顯示，熔巖丘噴發之前巖漿呈緩慢而穩定的上升態勢，據此，科學家可以對大多數火山爆發進行預測［10］。這項研究也顯示了在靠近火山口的地方布設監測儀器的必要性。利用閃石破裂［11］和細晶石結晶［12］等巖石學方面的研究可以估算出巖漿上涌的速率以及巖漿上升速率、脫氣減壓和結晶過程等對火山噴發類型的控制作用。對1980年代整個火山噴發周期中的火山氣體進行監測，尤其是對二氧化硫的監測，突顯了火山氣體排放對于解釋火山不平靜狀態及爆發過程的重要意義［13］。圣海倫斯火山噴發也促使科學家開始關注火山熔巖的基本流動和沉積過程，如火山泥流、巖屑崩落、火成碎屑流等，這些現象在弧形火山中都是最常見的，而且也是破壞性極強的災害。此外，科學家還建立起模型，以對其動力學機制進行研究，并對危險區域進行劃分。與這次噴發相關的許多詳細記載，如火山灰飄落等，現在看來仍然非常寶貴，科學家可以利用這些資料建立更完善的模型，更準確地預測火山噴發的下游和下風方向效應。

過去的30年里，不僅圣海倫斯火山活動方式在演變，對火山活動的監測和建模技術也在逐步改進。寬頻帶地震檢波器、基于衛星和微波技術的遙感勘測以及功能強大的實時數據處理和分析技術逐步取代了費時費力的地震記錄人工分析流程。便捷的加速計和GPS定位儀如今可以安裝到被稱為“蜘蛛”的流動平臺上，由直升機將其快速運往危險地點。GPS遙測臺站可以監測地形變，而在以前這項工作只能通過艱苦的野外勘測實現。另外還有一些技術創新對火山氣體排放速率的監測也起到了促進作用。

在測地學方法發生重大變革的同時，包括激光雷達（光探測和測距系統）和攝影測量在內的可視化和定位技術的革新，可以對整個火山噴發序列生成連續數字高程模型。除了GPS勘測外，衛星還可用于地形變的雷達監測、火山噴發柱的跟蹤監測以及熱變化的探測。同時，數碼相機的廣泛使用使低成本的遠程延時攝影成為可能。

數值模擬方法的飛速發展有助于科學認知的規范化和災害預測方法的規范化。盡管現在的模型還不夠完善，但地震學、地質力學、地球化學、火山灰消散以及流體動力學等模型現在已被普遍用作數據解釋和災害預測的基礎。監測和建模思想方法的快速融合，為今后火山學的發展奠定了基礎。

以往的記錄顯示，圣海倫斯火山仍將頻繁爆發，并且很有可能于本世紀再次噴發。過去的4000年里，圣海倫斯火山是喀斯喀特山脈最活躍的火山［2］，不僅如此，這里幾乎所有能看到的火山機構都只有不到3000年的歷史。此火山機構最近一次崩塌發生在約2500年前，之后火山反復噴發，火山機構在數百年內得以重建［14］。而對于1980年5月18日火山噴發時山體滑坡造成的火山機構損失，目前只有7%的得以重建，因此，建造作用仍將繼續。

近30年里，圣海倫斯火山已成為世界聞名的研究火山過程和景觀響應的天然試驗場。毫無疑問，下一次圣海倫斯火山噴發將再次吸引全世界的目光，并且為技術和方法的革新帶來新的機遇。

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

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

（中國地震局地球物理研究所研究生 楊 婷譯；左玉玲 校）

（譯者電子信箱，楊 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。