火山災害與火山噴發預測預警

許建東

火山災害與火山噴發預測預警

許建東

許建東，研究員、博士生導師，中國地震局火山研究中心主任，中國災害防御協會火山專業委員會副主任。1983畢業于北京大學地質系，1998年獲美國紐約州立大學地質學博士學位，現于中國地震局地質研究所從事火山地質、火山監測與災害評估等研究工作，負責中國大陸活動火山監測與國家火山臺網中心運維；先后主持國家自然科學基金委、科技部、財政部和中國地震局等多項重大項目，在國內外重要期刊發表論文40余篇，曾榮獲“中央國家機關五一勞動獎章”等表彰和獎勵。

火山噴發是人類面臨的一種重大自然災害。在地球上幾乎每年都有規模和程度不等的火山噴發，給當地居民的日常生活、生命安全和生存環境造成了巨大危害，尤其是近期世界各地的火山噴發頻繁，由此引發的災害日益引起人們關注。據不完全統計，全球有近20%的居民生活在火山災害危險區和影響區范圍內。在過去400年的時間里，火山噴發已經奪去了大約27 萬人的生命。火山噴發作為突發性強、社會危害巨大、群眾恐懼心理深、造成死亡人數多的自然災害，決定了其必然成為國家公共安全體系建設的重點考慮內容之一。

國際上火山災害和風險評估、火山緊急事件管理等方面的研究與實踐始于20世紀中期。火山災害嚴重的發達國家，大都建立了采用高新科技的現代化監測系統，通過對地震活動、地球物理場、火山氣體以及大地形變的觀測，不僅多次成功地預報了火山噴發，而且根據監測情況隨時提高警報級別，組織人員從災害區撤離，成功地減輕了火山災害帶來的損失。

我國的火山研究工作雖然起步較晚，但通過30多年的努力，在火山監測與火山災害等領域均取得了一系列重要成就，積累了以長白山天池火山為代表的6座活火山20多年的監測數據，發展了適合中國活動火山特點的火山噴發危險性和災害分析理論與方法，完成了與國際接軌的火山災害區劃圖，并制定出針對性預防對策。國務院早在2010年《關于進一步加強防震減災工作的意見》中第3條就明確提出要“加強火山、海洋地震監測及海嘯防范”，同時強調要“推進地震、火山監測預警、災害防御、災難醫學和應急救援等領域的關鍵技術研發，努力突破制約防震減災事業發展的科技瓶頸，提升科技對防震減災的貢獻率”。

加強我國火山監測與災害預測的理論與實踐，既是火山學研究事業發展的需要，也是社會和諧發展的需求，對于推動我國火山災害學的理論研究和實踐應用給社會公眾提供安全保障，均具有重要的意義。

火山災害類型

火山噴發是地殼運動的表現形式，也是地球內部能量在地表釋放過程的體現。在火山噴發過程中地球內部物質快速猛烈地以巖漿形式噴出地表，形成以火山碎屑流和火山熔巖流為代表的火山噴發物（見圖1），并由此引發的泥石流、山崩、地震、海嘯等，都會產生對人類生命財產、生態環境等造成嚴重損害的自然災害。

火山空降碎屑災害

在爆炸式火山噴發時，炙熱的火山氣體和火山碎屑（包括火山灰和較大的火山巖碎塊）混合物快速從火山口噴射入大氣中。這些混合物的密度一般小于空氣，所以會一直上升到大氣層，直到不受浮力影響。例如，1980年5月18日圣海倫斯火山在三十分鐘內噴發柱高度達到了25千米。當保持火山碎屑懸浮的能量消失時，顆粒開始在重力作用下下降。較大的顆粒降落在離火山口較近處，細小的顆粒作為一個較大的云團在風的作用下飄移，最終降落到地表，形成一個毯子形狀的火山灰沉積層。一般距離火山口越遠，火山碎屑的顆粒越小。較大的火山噴發可在火山口附近產生幾米厚的火山碎屑沉積層，并且火山碎屑的直徑可以達到幾十厘米甚至更大，在順風方向幾百千米處的火山碎屑沉積厚度也會達到幾個厘米。

火山空降碎屑的危害主要表現在以下幾個方面：（1）大塊的火山碎屑以彈道式從火口拋射出或是在噴發柱的底部降落下來，將造成建筑物及房屋的破壞和人畜的嚴重傷害（見圖2），其產生的影響僅限于火口附近幾千米內。（2）空降碎屑產生的主要災害是在遠離火口處，碎屑的載荷導致建筑物的坍塌（見圖3）。當火山碎屑產生的載荷超過200千克/平方米（相當于未壓實的10厘米玄武質碎屑）時，一些建筑物的屋頂會被壓塌。當載荷超過700千克/平方米時，幾乎所有的房屋都會被壓塌。尤其是當火山灰為濕的時候，其產生的載荷是同厚度的干火山灰的1.5倍。（3）在更大范圍內，火山碎屑空降物超過10千克/平方米（碎屑厚度約1厘米）時將會嚴重破壞已有耕地，影響農業生產。例如，在1815年印度尼西亞的坦博拉火山（Tambora）爆發后的火山碎屑沉積，導致幾個島嶼上的大米和玉米嚴重歉收（見圖4），這使得大約80000人陷于饑荒。火山碎屑還會破壞電力和通信設備，即使是很薄的沉積（＜2厘米）也會有一些關鍵設施，例如醫院、發電廠、水站、水渠和表面排水系統，電話線，廣播和電視發射機等受到較大的影響。（4）空氣和水中懸浮的細小顆粒會進入人的呼吸道和肺部，影響人的健康（見圖5）。它會阻塞發動機的過濾器和通風口，導致發動機引擎破壞而引發飛機相撞等災難性事件（見圖6）。這些細小的顆粒甚至可能會引起氣候的變化。（5）攜帶在火山灰中的大量有害的氣體，如氟和氡的富集將對環境造成污染，影響人的健康。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

火山碎屑流災害

爆炸式火山噴發柱的坍塌或者是火山口巖穹坍塌都將產生火山碎屑流。火山碎屑流是固體到半固體顆粒和熱膨脹氣體的混合物，沿著火山側翼向下流動（見圖7）。由于比空氣重的乳狀液的運動很像一次雪崩，只是它們溫度非常高，而且含有毒氣，像颶風一樣的速度，可超過每小時100千米，高速運動的火山碎屑流是所有火山現象中最致命的火山災難。運動著的火山碎屑流根據其運動狀態的不同可分為頭部、主體和尾部三部分。三個部分具有不同的流體化狀態，從而控制著火山碎屑流堆積物的分層與分相。在火山碎屑流頭部的流體化程度最強，侵蝕作用最明顯。火山碎屑流的災害包括浮巖流的高速沖撞作用、高溫灼燒作用、掩埋淤積作用等，其分布很大程度上受地形的控制。由于噴發時碎屑物通常都保持著幾百攝氏度的高溫狀態，加上快速的流動將使沿途所有生物難以逃脫災難性后果。1980年5月18日美國圣海倫斯火山噴發產生的火山碎屑流，沿途摧毀了近600平方千米范圍內的原始森林和一切生物，直徑6英尺（約1.8米）的樹木以每小時近百千米的速度被移動到了距離火山口24千米遠的地方。火山碎屑流是爆炸式火山噴發的主要產物，全球平均每百年約發生40起，由于火山碎屑流的速度快，避離困難，橫掃一切，破壞力大，加之溫度高易發生重大火災，所以它是火山噴發災害嚴重的致災因素。在長白山天池火山，火山碎屑流的堆積物也十分發育，分布半徑為40～60千米，最大厚度100米左右，見于鴨綠江上游峽谷兩岸，二道白河上游地下森林一帶，如此廣大的分布范圍，其未來噴發可能引起的火山碎屑流災害不可忽視。

火山熔巖流災害

熔巖流是指從火山口噴溢流出的熔巖，特點是很少發生爆炸，常常從山頂火山口和山腰裂隙溢出相當多數量的玄武質熔巖流，巖漿黏度小，流動性大，溫度高，表現為比較安靜的溢流，氣體釋放量可多可少。由于噴發時巖漿受到較大的靜壓力以及氣泡的膨脹作用，當其到達地表時，形成熔巖噴泉，被逸出氣體推動的熔巖噴泉可達300米或更高，被噴出的多是玄武質熔巖，也可以是安山質熔巖，也有少量的火山渣和火山灰。

熔巖流的災害分布范圍視地形坡度及巖漿的物性而異，主要限于火山錐體部分和熔巖流溢流區范圍內，有的呈狹長的帶狀，有的呈寬闊、平緩的舌狀。噴出的熔巖的溫度按其組分和氣體量而不同，多介于900～1200℃。當熔巖中的氣體含量多時，冷卻到700℃之前均可流動。基性熔巖黏性低，流動性大，流速取決于坡度，最高可達45～65千米/小時，一般為15千米/小時。酸性熔巖黏滯，流動不遠，甚至壅塞于火山口內。當熔巖冷卻和凝結或氣體排盡和成泡沫狀時，它的黏度增加，運動更加滯緩。

熔巖流在大多數情況下因其流速較緩而使人們有一定時間來遠離它們。但熔巖流會摧毀沿途設施并引起火災，毀壞農田村莊，對經過的建筑及設備等資產，通常造成不可挽回的損失。如1783年冰島拉基火山噴發，巖漿沿著16千米長的裂隙噴出，淹沒了周圍的村莊，覆蓋面積達565平方千米，造成冰島人口減少1/5，家畜死亡一半。

相對爆炸式噴發來說，熔巖流由于流動速度較慢，給了人們足夠的反應時間，因而對人員的傷亡危害性較小。但是，由于噴發過程中往往產生巨大體積的熔巖流，對于環境的破壞力是難以抵御的，如位于美國夏威夷島的Kalapana鎮，在1990年的火山噴發中被埋在了數米深的熔巖流之下，整個城鎮在一個月內幾乎完全消失（見圖8）。我國黑龍江省的鏡泊湖火山群地區發育有大量的全新世玄武巖熔巖流，自海拔900多米的火山口流出，順溝谷而下，流程達60多千米，對于沿途的破壞力是毀滅性的。

其他火山災害

火山噴發引起的其他災害包括火山泥石流、山崩、海嘯、火山地震等。

火山泥石流是火山噴發物與水體混合（雨水、雪水及冰的融化）而形成的大體積快速流動的高密度流體，以及松散火山碎屑物被雨水沖刷、多次搬運的火山泥石流。火山泥石流災害主要限于河谷低洼地帶，快速大體積淤積的火山泥石流堆積物會使河床改道，堤壩淤積和破壞，造成一系列災難性后果。火山泥石流是最主要的火山次生災害，泥石流災害既可能發生在火山噴發過程中，也可能發生在火山噴發停止之后。

火山噴發時亦可造成火山錐體部分崩塌而形成山崩災害，如1888 年日本磐梯山火山活動，使小磐梯山北部崩塌，約有12立方千米的巖石沿北麓流下，奪去461 人的生命。崩落的巖塊堵住了山川，因而出現檜原新的湖泊。

在近海地區發生火山噴發時，由于崩塌物落入海中，海水受堵塞而可能引起海嘯。歷史上最大的海嘯災害發生在1883 年印度尼西亞的克拉卡托火山噴發時，海嘯襲擊了蘇門答臘和爪哇沿海海岸，海岸波浪高達35 米， 36417人在這次海嘯中喪生。

圖8 熔巖流掩埋Kalapana鎮的動態過程

火山噴發預測預警

火山噴發預測預警是減輕和防御火山災害的基礎。火山監測是通過各種觀察和觀測手段，來監視和檢測地下巖漿的動態變化，查明異常現象，捕捉火山噴發前兆，為火山噴發預報與研究提供科學依據。火山預警則是政府和主管部門對火山預報意見的決策和采取的處理原則及方式方法，主要包括火山噴發預報意見的科學評審與確定以及預報的發布與對策。

在火山臨噴發前將會出現諸如地震活動性、地形變、重力、流體的地球化學性質變化等火山噴發前兆現象，而在平靜期或休眠期，往往只有背景性的變化，或者零星的、偶發的前兆異常。（1）地震前兆：隨著巖漿的聚集，水平引張應力逐漸增大，引發高頻震群；當巖漿進一步上升時，巖漿與水的活動引起低頻（長周期）地震；在臨噴發前，由于流體（水、巖漿、出溶的揮發物）的囊泡化現象發生火山顫動。（2）形變前兆：火山活動前，巖漿積累引起地面隆起，當巖漿壓力足以克服地表巖石強度時破裂而巖漿溢出；在火山噴發時地傾斜的振幅與巖漿供應量、巖漿噴發量有關。（3）火山氣體地球化學前兆：根據火山區氣體地球化學觀測，可以推測火山區流體的來源和巖漿活動狀態。

火山噴發災害應急過程示意圖

表1 火山噴發危險性評價等級（洪漢凈，2003）

火山噴發危險性評價是火山活動趨勢判定和火山預警的基礎。由于火山活動及其災害具有千變萬化的表現形式，不同的國家火山噴發的危險性等級、活動分類形式與內容往往并不相同。我國大陸內部活動火山主要與板內熱點和引張構造有關，或間接與板塊碰撞、俯沖作用有關。我國大陸火山活動具有巖漿補給速率小、火山間距大，活動周期長的特點。不少活動火山都具有火山噴發有利的構造環境，地殼內存在巖漿囊，巖石圈較薄弱，仍然有再噴發的危險。另一方面已經幾百年沒有經歷過噴發災害，相當多的火山處在活動周期的前期。為了更好地進行火山噴發危險性等級劃分，為了火山監測臺網規劃中對不同危險性的火山區別對待，為了火山預警和應急的需要，參考國外等級分類，確定了我國火山噴發危險性評價等級方案（見表1）。

火山預警的發布是一項綜合性決策，既要考慮其科學依據是否充分，還要考慮它可能造成的社會影響。所以，經過科學評審后所確定的預報意見向社會發布與否，已不再是單純的科學技術問題，而是要由政府來做決策的社會問題。從減災意義來說，對長期火山監測與危險性預測工作對策應采取以下幾個步驟：評價未來火山噴發的潛在危險；制訂長期土地利用計劃；評估火山的風險，制訂有關火山活動征兆或當火山噴發時的應急預案，并監視火山活動狀態以便監測火山噴發的起始狀態和噴發過程；設計保護人民生命財產的安全措施以及應急所需的工具。其中，當危險區確定后，采取限制土地利用和開發的區劃方法，是簡單且有效的減災措施。