中國活動火山監測與研究歷史回顧

許建東

前 言

火山噴發是地球自形成以來就一直存在的一種自然現象，它將地球內部物質帶至地表，為地球上生命的起源和演化提供了物質基礎，還為現代工業的發展提供了許多重要的礦產資源。可以毫不夸張地說，火山噴發是我們了解地球內部的窗口，火山作用是地球自身形成和演化至今天這種狀態的一種不可或缺的基本地質作用，也為現代物質文明的發展提供了重要基礎。

但是，火山噴發也給人類帶來了巨大災難。例如，公元79年意大利維蘇威火山噴發，當時繁華的龐貝古城被火山灰所掩埋；希臘桑托里尼的火山噴發導致公元前1400年間米諾斯文明突然消失；1815年印度尼西亞坦博拉火山猛烈大噴發，造成的直接死亡人數約1萬人，噴發次年的全球氣候異常，致使8.2萬人死于噴發后的饑荒和疫病，因此這次大噴發成為有史以來最猛烈、死亡人數最多、對氣候影響最大的火山噴發之一；我國長白山天池火山公元946年發生的千年大噴發摧毀了方圓50km半徑內的森林生態，甚至在2400km以外的庫頁海溝以及北極附近的格陵蘭冰川，都保留有明顯的源自天池火山的火山灰；2010年的冰島埃亞菲亞德拉火山（Eyjafjallajokull）噴發，火山灰肆虐歐洲，迫使很多機場關閉，航班取消，給世界的空中交通造成了極大的影響，因此火山噴發實際上也是一把雙刃劍。怎樣既充分開發利用火山資源而又將火山災害損失減少到最小，使人類和火山和諧共處，這既是“國際減災十年計劃”向國際社會提出的任務，也是那些具有火山災害或潛在火山災害威脅的國家所面臨的挑戰。

圖1 中國火山監測站分布圖

中國地域遼闊，雖然缺少現代火山噴發，但新生代火山分布極其廣泛。在國家“九五”計劃實施之前，由于對我國火山缺乏認識，對我國活火山的監測幾乎是空白，甚至缺乏火山研究的專業隊伍；對中國的火山研究也大都集中在火山巖的地層、巖石學與地球化學工作方面，有關火山地球物理、火山監測和火山災害的預測預防工作規模很小且缺乏連續性。1990年以來，在老一代科學家們的多方呼吁和全國第一次火山學術討論會的建議下，中科院地學部會同中國地震局召開《中國火山監測與研究》咨詢會議，提出“關于及早加強我國長白山、騰沖、五大連池三個現代活動火山地區監測研究的意見”，并得到國務院領導的高度重視。由此開始，在全國范圍內開始了全面系統的活動火山地質調查和潛在火山災害研究工作，并有重點地對以長白山天池火山為代表的6個火山開展了系統監測（圖1），逐步建立了火山監測與研究的專業隊伍。

中國活動火山研究發展歷史

中國火山學科的發展可以追溯到20世紀60—70年代，在此期間完成的不同比例尺地質填圖工作中，對相應火山區的火山錐體結構、熔巖流范圍及噴發時代與期次，都開展了較為廣泛的調查研究工作。1975年中科院尹贊勛赴大同火山區進行野外考察，撰寫了《大同火山的活動時代》一文，這是我國第一個關于某個具體火山的火山研究工作成果。20世紀80年代是火山巖石學研究的鼎盛時期，以玄武巖中上地幔包體研究為代表的諸多成果源自于當時的大專院校與科研院所，在地質填圖工作中也得到了較為普遍的應用。例如，中國地震局地質研究所前任所長劉若新等開展的我國東部新生代火山巖及其深源巖石包體的巖石學和地球化學研究，中國地震局何永年、林傳勇等開展的幔源包體顯微構造及上地幔流變學特征研究等都獲得了豐富的成果。20世紀90年代初期，國家自然科學基金會和地震行業基金會分別首次設立了專門從事火山學研究的項目，開始了真正意義上的火山學研究工作。劉若新等在東北火山地區開展了活動火山的調查研究，提出長白山天池火山是一座具潛在噴發危險性的活動火山，并利用當時最先進的14C測年方法首次確定了長白山火山千年大噴發的年代。在他們堅持不懈的努力下，1995年啟動了我國第一個國家級的活動火山項目“中國近代若干活動火山的監測與研究”，揭開了我國活動火山研究嶄新的一頁，這是我國第一次系統、全面、綜合地進行火山監測與研究的項目，它的實施為我國火山事業的發展打下了堅實的基礎，結束了對長白山天池、云南騰沖、黑龍江五大連池等具有潛在噴發危險的活火山不設防的局面，并在全國范圍內逐步建立了活動火山監測與研究的專業隊伍。

從“九五”開始，中國地震局所屬專業火山研究隊伍與國內相關高校與研究所同人一起，在科技部和國家自然科學基金委的持續支持下，在我國大陸主要火山地區如吉林長白山、黑龍江五大連池、內蒙古大興安嶺、云南騰沖和海南雷瓊等地系統開展了火山地質和火山巖地球化學調查與研究，在火山巖漿演化、火山噴發歷史和噴發機制方面取得了一系列創新性成果，如以長白山火山為代表的雙巖漿房互動和巖漿混合作用觸發噴發，以及其他火山具有多樣性玄武質巖漿和單成因噴發特點等，這些新的認識推動了我國活動火山研究的進程。

以中科院地質與地球物理研究所劉嘉麒院士為代表的國內科研團隊也取得了眾多優秀研究成果和認識。例如《中國火山》一書的出版，代表著劉嘉麒院士對中國境內新生代火山年代學研究的系統性測年成果，其中歸納整理、測試的大量火山噴發年齡數據，是我們開展相關火山研究工作不可多得的參考依據背景資料。

“十五”期間，在科技部的支持下，由中國地震局牽頭相繼開展了“瓊北火山探查及噴發危險性研究”“吉林東部活動火山災害預測研究”“火山災害預警研究”等社會公益性研究項目和國家科技攻關項目，在我國長白山天池、騰沖、鏡泊湖、瓊北等火山區持續進行地震、地形變與流體地球化學的流動監測，結合固定臺站監測數據進行分析研究，建立火山基礎數據庫，分析火山活動性，確定監測和防災對策，并建立了火山信息網絡系統為政府和公眾服務。

“十一五”期間，在科技部的持續支持下，中國地震局主持實施了國家科技支撐計劃課題“火山監測、預測關鍵技術與方法研究”和地震行業科研專項“中國主要活動火山噴發序列研究與災害預測”。通過火山地震觀測、GPS和大地水準測量、遙感分析、野外地質調查與數值模擬等手段，研究火山噴發與各種火山前兆活動的關系，探索火山噴發預測與火山災害評估的方法，并以長白山天池火山和騰沖火山群為試點，發展了適合我國特點的活動火山調查和監測技術，為未來我國大陸地區活動火山的全面普查和監測工作打下了基礎。

從20世紀90年代開始至今經過近30年的努力，現已在全國范圍內形成了一支包括火山地質、地球化學與地球物理等多學科綜合的火山研究隊伍。該隊伍現已成為我國活動火山研究的中堅力量。2008年，國家自然科學基金委員會在地質學科下新增設火山學二級分支學科，這是1986年國家自然科學基金委員會成立以來在地質學科僅有的2個新增分支學科之一，此舉確立了火山學研究在基礎科學研究中的地位，給我國活動火山研究和學科發展以極大的支持。

圖2 中國火山監測臺網組成示意圖

為了推動國內火山學研究工作的開展，我們也十分重視國際交流工作。采取走出去，請進來的方式，吸收國際火山學與火山災害研究的最新成果，并應用到我國境內若干活火山的研究工作中。在1990年，我所邀請到現代火山學鼻祖GPL Walker教授來華訪問一周，無論是野外考察，還是室內講學，都使我們更加系統地了解了現代火山學與火山災害研究的工作內容與工作方法。隨后在中國火山學會會員內部開展的火山物理講習班，結合我國火山研究工作實際，迅速地普及了國際上有關火山研究的各種專業知識。2000年，國際火山學會主席RSJ Sparks教授的講學訪問，則直接推動了我國“十五”火山項目研究工作中火山監測與災害防治工作的進步。隨后，世界火山學會秘書長S McNutt教授一行在天池火山觀測站為期一周的交流訪問，大大提升了我國火山地震監測與火口湖災害研究工作水平。自20世紀90年代中期開始，通過多批次選派專業研究與管理人員赴國外實地考察火山與參加學術會議，了解了發達國家火山與火山災害研究的最新成果。無論是具體的火山個案，還是系統性國家層面的火山減災方案，對我們都提供了很好的借鑒。近年來，隨著與眾多國際知名火山學家和火山監測站的廣泛科學交流，我國的活動火山研究水平日趨提高，國際影響力也日益增強，對國際火山學科的發展起著越來越重要的作用。

中國活動火山監測

隨著對我國火山活動性認識的不斷深入和對潛在火山災害風險的認知，火山噴發危險性監測、預測及減輕火山災害的迫切性及重要性引起了我國政府和人民的極大關注。2000年2月12日，為落實國務院有關中國地震局承擔減輕可能遭遇的火山災害職能的指示，加強對活動火山的監測與研究工作，防御與減輕火山災害，中國地震局成立了中國地震局火山研究中心，掛靠在中國地震局地質研究所。火山研究中心作為中國地震局火山監測研究的牽頭單位，致力于提高我國的火山監測預防能力和火山學學科的學術水平，培養火山監測研究隊伍，目前已成為我國火山監測研究的核心基地。

目前國際上常用的火山監測手段包括地震、形變、重力、電磁、地化、溫度(噴泉、噴氣)、水文、遙感及視頻實時觀測等。中國國家火山監測臺網中心于2006年正式建成并開始運行（圖2）。本著 “有所為，有所不為”的原則，在綜合考慮“危險性”與“危害性”的基礎上，把以長白山天池火山為代表的6處活火山納入了中國火山監測臺網，它們分別是吉林長白山天池火山、龍崗火山、云南騰沖火山、黑龍江五大連池火山、鏡泊湖火山和海南瓊北火山。隨著火山研究程度的深入和國力的提高，今后將有更多的活火山受到監測。

我國的火山監測臺網由火山觀測點（站）、火山監測站、區域火山臺網部、國家火山臺網中心四級結構組成。

1.火山觀測點

為獲取火山活動信息而建立的觀測點，包括單種測點或多種測點，實施相關觀測數據的采集、存貯和傳輸。

（1）火山地震測點，監測火山區域內的地震活動。火山地震測點應配置寬頻帶數字地震觀測系統，部分測點因條件特殊，可配置短周期或甚寬頻帶數字地震觀測系統。

（2）火山重力測點，觀測火山區地表重力變化，包括流動重力測點和定點相對重力測點。

（3）火山形變測點，監測火山區地表變形，包括流動水準測點、連續GPS測點、流動GPS測點、定點傾斜觀測點和跨斷層測距觀測點等。

（4）火山流體測點，采集火山流體樣品，主要是泉點或噴氣孔。

2.火山監測站

負責特定區域火山活動監測、數據常規處理、數據速報、數據存儲管理和觀測站維護、火山地震速報和火山異常事件的國家級火山觀測臺站。

3.區域火山臺網部

負責區域火山觀測臺網的運行監控、數據匯集、數據處理、數據存儲、數據傳輸、數據管理，承擔本區域火山地震速報及前兆異常上報等任務。

4.國家火山臺網中心

設在中國地震局地質研究所的國家火山臺網中心，負責全國火山觀測臺網及火山流動觀測的數據匯集、數據分析處理、數據存儲管理、數據服務，承擔火山異常判斷、火山災情分析、組織會商和上報等任務。應用現代先進的科學技術，國家火山臺網中心還分別設立了火山氣體測試實驗室、火山巖礦實驗室、火山災害模擬實驗室，承擔著全國火山巖測試、火山揮發份測試、火山災害模擬等實驗室工作，以及通過互聯網提供數據服務和火山宣傳工作（www.volcano.org.cn）。國家火山臺網中心為我國火山監測、預警、防災、減災及相關的科學研究提供高標準的基礎技術平臺，最終達到增強防御火山災害的能力，有效地減輕火山災害。

長白山火山是中國大陸規模最大的活動火山，歷史上發生過多次噴發，其中公元946年的大噴發是兩千年以來全球規模最大的噴發之一。長白山火山監測站是6個火山監測站中手段最全、測點密度最大的監測站，由11個地震觀測站（其中有三個井下擺），16個GPS觀測點，50km長的兩條水準觀測剖面，5個溫泉水化觀測點，以及一個定點形變觀測山洞組成（圖3）。2007年長白山火山監測站被中國科技部定為國家重點野外科學觀測試驗站，現已發展成為多學科、多測項、點線面相結合、具有國際先進水平的綜合性火山監測示范基地。

圖3 長白山火山監測站與長白山火山監測臺網的構成

通過對長白山火山自1999以來的地震、形變和氣體地球化學連續監測資料的綜合分析，我們獲得了2002—2005年“巖漿擾動”期間深部巖漿擾動的同步異常信號，發現長白山火山巖漿活動類似于世界上其他地區活火山，具有“活躍期”和“平靜期”交替的周期性特點。通過對火山地震的精定位和GPS與水準觀測數據的聯合反演，提出引起上述擾動事件的淺部巖漿囊位于天池火山口下方約5km處。通過與2010年噴發的冰島埃亞菲亞德拉火山監測數據的類比，初步認定目前長白山火山處于周期性的巖漿補給階段，無近期（數年）噴發危險，但中長期（數十年）噴發危險性不可忽視。

中國火山數據庫建設的重要性與迫切性

我國大陸境內新生代火山巖分布面積約18.6萬平方千米。在過去20多年的工作中，我們初步完成了以我國東北長白山天池火山、黑龍江五大連池火山及我國西南騰沖火山等三座活火山為代表的近代活火山的地質調查與填圖工作，認定了以長白山天池火山為代表的1萬年以來有過噴發的十幾座活動火山。通過30多年的努力，中國活動火山監測與研究均取得了一系列重要學術成就。在火山地質方面，完成了我國主要火山活動區的火山地質填圖，理解和認識了主要活動火山的噴發物理過程；在火山巖石地球化學方面，通過礦物、巖石主微量元素、同位素地球化學和年代學研究，初步摸清了我國活動火山的巖漿演化規律和活動歷史；在火山監測與災害性研究方面，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。自20世紀90年代中期開始的轟轟烈烈的中國大陸活動火山與噴發危險性預測研究至今已20多年，積累了海量火山監測與研究成果數據，急需建立中國火山數據庫，為中國活動火山研究可持續發展服務。

建立中國火山數據庫不僅是減輕我國火山災害的基礎工作，是對我國大陸活動火山活動規律性認識的重要步驟，還可為火山資源、環境的評價、旅游開發和當地經濟可持續發展等提供重要科學依據。中國火山數據庫作為國家科技基礎性調查工作，對于科學認識我國火山活動特點和潛在火山災害評估提供重要的基礎數據，同時也對全國火山研究隊伍的健全、培養和可持續發展起著極其重要的作用。

通過建立我國活動火山數據庫，可以幫助我們進一步了解大陸板塊內火山作用，同時透過火山這個窗口了解地球內部的巖漿作用過程和噴發機制，為預測未來的火山噴發類型及其災害特點和防范措施、火山活動規律等提供科學依據。建立中國火山數據庫，將完善我國活動火山的整體布局，為科學認識我國火山活動特點和潛在火山災害評估提供基礎數據，為中國活動火山的監測與研究工作提供必要的基礎支持；在實踐中活動火山數據庫將為我國活動火山地區火山資源的保護和合理開發、各級政府對于減輕未來可能的火山災害對策的制定等方面，提供重要依據；為中國地震局火山應急預案的實施提供科技支撐。

正在建設中的中國火山數據庫包括四個重要部分：（1）火山地質資料庫（含內蒙古大興安嶺、東北、青藏高原、華北及東南沿海新生代火山巖地區的火山地質、巖石學和地球化學數據庫）；（2）活動火山監測數據庫（含長白山火山、騰沖火山、五大連池火山、鏡泊湖火山、龍崗火山、海口火山1999年以來的測震、形變、流體地球化學監測數據）；（3）火山災害模擬數據庫（含火山灰空降、火山碎屑流、火山熔巖流、火山泥石流災害分析軟件和中外重要火山災害區劃圖）；（4）其他數據庫（含基礎地理數據、遙感數據、火山區深部結構地球物理數據、火山史料和火山科普資料）。以上述數據庫為基礎，利用GIS數據庫管理技術打造完整的數據庫交流平臺，支持高級檢索功能，通過網絡可以查詢整個中國新生代火山地質、活動火山監測、火山災害以及與中國活動火山監測研究相關的海量信息。

國際上多火山的發達國家對火山的基本科學數據、資料工作都非常重視，特別是一些著名火山都建立了較為完備的火山樣品與數據庫，通過網絡可以直接瀏覽有關火山的系統構成、噴發物與代表性樣品測試資料等相關數據。長期以來我們對中國主要活動火山科學數據的收集、資料積累和保護意識淡薄，特別是缺乏有目標地開展系統性地樣品采集、鑒定、分析和建庫基礎性工作，加上已有的資料數據分散，缺乏統一管理和共享交流的平臺，難以充分發揮資料數據和研究成果促進科研、教育，服務社會之目的。在中國地震局地質研究所中央級公益性科研院所基本科研業務專項的支持下，目前已完成了中國活動火山數據庫的架構建設，各類相關的火山數據正在錄入中。相信中國火山數據庫的建成將為中國火山研究可持續發展提供強有力的技術支撐。

結束語

總體來看，與國際火山學發展現狀相比，我國火山學的研究起步晚，很多研究領域尚屬空白。我國火山學的研究仍以火山地質學、巖石學、地球化學與年代學個性化研究為主，缺乏系統的火山學綜合研究，而定量化的火山物理、火山化學和數學模擬計算研究更少，因此我國火山學的研究與先進的國際火山學的研究尚存在明顯差距。近些年來，我國火山學者逐漸認識到了系統開展活動火山學綜合研究的重要性，即把火山地質學、火山物理學、火山地球化學、氣候學、災害學、環境學、地球物理探測和火山活動性監測等有機聯系在一起，綜合探討火山活動的動力學機制，研究火山的災害和防御，探討火山噴發對氣候環境的影響。相信對中國火山監測與研究歷史的科學回顧與總結，盡快建成中國活動火山數據庫，將會使中國火山研究盡快進入一個新階段。