日本活動火山監測與減災

藤田英輔

前 言

日本位于歐亞板塊之上，由于長期受太平洋板塊和菲律賓海板塊的俯沖作用，形成了111座活火山，這些火山是環太平洋火山帶的重要組成部分（圖1）。雖然這些火山時常威脅人類的生命和財產，但同時也為我們帶來了更多的財富。

在日本歷史上，共有30多次火山噴發造成了人類傷亡，其中造成傷亡人數最多的火山噴發記錄是1792年的云仙岳火山噴發，引發的海嘯造成了大約15000人死亡。富士山最近的一次火山噴發發生在日本寶永四年（1707年），因此被稱為“寶永大噴發”。“寶永大噴發”的噴發模式屬于普林尼式噴發，噴發物體積達到7億立方米，覆蓋了整個關東地區，其中江戶（東京的舊稱）被厚達5cm的火山灰所覆蓋。另一次災難性的火山噴發為1783年的阿薩馬火山噴發，該火山位于東京北部，火山噴發形成的火山碎屑流造成了約1400人死亡，且此次火山噴發使關東北部地區長期遭受火山泥石流災害。

因此，研究火山災害防御對人類生命和財產安全具有重要意義，我們需要從科學研究和政策制定方面付出更多努力來減少火山災害。

火山災害防御對策

根據《災害防御對策基本法》，內閣府制定了火山災害防御機構系統（圖2）。此外，《活火山特別措施法》規定了活火山附近的人類、生命和工業的評估與規劃程序。活火山附近的地方政府部門在安全時期和危機時期都必須嚴格執行當地的災害防御對策。

圖1 日本火山分布圖

與其他自然災害相比，火山災害類型多樣。因此，制定火山災害區劃圖非常復雜。在火山口附近，主要的火山災害類型為火山拋射物和火山氣體；在火山側翼上，主要的火山災害類型為火山碎屑流、涌浪、爆炸沖擊波和熔巖流。火山灰是影響范圍最廣的噴出物，對于全球氣候影響巨大；泥石流是影響時間最長的火山災害，在火山噴發很久后仍可形成。

火山災害區劃圖是在內閣辦公室的指導下，通過對各種火山災害，包括火山灰、火山碎屑流、熔巖流和火山拋射物等分析研究后制定出來的。火山災害區劃圖根據其制作方式可以分為兩大類：一類是經驗圖，即根據歷史噴發研究和記錄制定的火山災害區劃圖；另一類是使用數值模擬生成的災害區劃圖。火山災害范圍主要由火山噴發規模決定，數值模擬制定火山災害區劃圖的噴發參數都在相關文件中有明確規定。

圖2 日本火山災害防御機構圖

在吸取了2014箱根火山噴發的教訓后，日本的50座實時在線監測火山都成立了“火山防災委員會”（詳見“日本最近的火山災害”）。火山防災委員會主要負責制定火山災害區劃圖、火山預警等級和疏散計劃，主要由縣/市政當局、民防當局、警察、消防部分、救援公司和火山學家組成。

為了應對由火山噴發引起的泥石流，國土交通省制定了“火山災害應急對策”，主要為火山災害防御提供硬件設施（如泥石流壩）和軟件設施（如實時災害圖）。

火山監測與預警

從100多年前開始，火山學家開始利用機械傳感器監測火山，特別是地震觀測技術的應用，使火山監測與預警能力大幅提高。日本的第一次火山地震記錄是1888年發生的磐梯山扇形崩塌。在火山區，地震儀可以監測到地下巖漿遷移產生的各種類型的地震波。火山構造地震（VT）形成的地震波形具有很清晰的P波和S波，但其震級比普通地震小。火山區地震儀時常會監測到長周期事件（LP），可能與地下流體或巖漿的遷移有關。另外，火山顫震等長周期特征事件也可能與地下流體遷移過程有關，特別是火山淺部流體的遷移。

地表形變觀測是火山監測重要手段之一，對短期和長期的地下巖漿活動監測更靈敏。地表形變觀測一般使用水平儀、應變儀和全球定位系統（GNSS）連續觀測火山的地表形變狀態，這些技術已非常成熟，并多次成功的預測了火山噴發。

日本氣象廳（JMA）負責監測和發布日本火山危險警報。氣象廳負責全國50座重要的活火山的監測網絡，這些監測網絡通常裝備有地震儀、水平儀、應變儀、次聲和可視攝像機，這些監測數據全年24小時不斷的實時傳輸到氣象廳的四個火山觀測站和預警中心。同時，大學研究人員會根據研究項目布設監測網絡，這些研究數據也會傳輸到日本氣象廳監測系統。國立地球科學和防災研究所為全國16座火山建立了“火山監測系統”，主要設備為鉆孔型高靈敏度地震儀和水平儀、寬頻地震儀和全球定位系統（GNSS）(圖3)。日本地理空間信息管理局負責的“地理信息網絡” 系統中的1300個GNSS臺站數據也被應用于火山活動監測與評估。

圖3 日本火山監測系統中的16座火山分布圖和火山監測系統的主要設備

火山警報一般由日本氣象廳的火山觀測與預警中心根據監測數據發布，然后通過媒體和當地相關部門通知到本地居民。火山警報信息通常包括“火山警報”和“警報級別”信息。根據火山危險區域的不同，“火山警報”分為“預測”“警告”“緊急警告”三種類型。“火山警報級別”根據預先制訂的疏散計劃分為五個等級，分別為：等級1：火山活躍性增加；等級2：遠離火山口；等級3：遠離火山；等級4：準備撤離；等級5：迅速撤離。

火山爆發預測協調委員會（CCPVE，秘書處位于日本氣象廳）是日本氣象廳的顧問委員會，每4個月舉行一次，主要成員包括大學和研究機構的教授和相關部委的專業人員。根據火山爆發預測協調委員會的討論結果，日本氣象廳通常會發布新聞發布會，例如發布正在進行的火山噴發活動情況。然后，地方政府市長會根據日本氣象廳的火山災害評估結果判斷是否進行緊急疏散。

日本最近的火山災害

通常情況下，我們的火山監測網絡能夠監測到火山下部的異常信號，并多次成功發布預警信息以減少災害。然而，確實發生過很多次我們未成功預測的火山噴發，尤其是小型射汽噴發活動。在此，我們總結了日本最近的一些火山噴發事件。

2011—2018年 新燃岳和霧島山噴發

新燃岳和霧島火山位于日本九州南部，自2011年來發生過多次間歇性火山噴發（圖4）。其中2011年的火山噴發是過去300年來的第一次巖漿噴發，其噴發物體積約為2.1×107～2.7×107m3，火山爆發指數（VEI）為3。在主火山噴發前，發生了多次小規模的噴發活動，而在1月26日劇烈的次布里尼式火山噴發后，火口頂部形成了熔巖穹隆，并引發多次不連續的火山噴發，并持續了約3個月。2012—2016年發生過多次火山地震群，并且GNSS數據顯示深度為8km的巖漿房從2014年開始再次膨脹。從2017年9月23日開始，火山地震活動迅速增強，日本氣象局在10月5日將火山警戒等級從Ⅰ提高到Ⅱ。隨后，在10月11日發生了小規模的火山噴發并一直持續到17日。在2018年3月17日，火山地震活動再次增強，在火山口頂部形成熔巖薄餅，之后也發生過多次間歇性小規模噴發。在新燃岳火山活動期間，巖漿房的收縮和擴張都可以通過地表形變數據和地震活動觀測到，火山噴出的火山灰覆蓋了周邊地區，對農業等行業造成了巨大的損失。

2014年箱根火山噴發

2014年的箱根火山噴發為射汽噴發，但由于發生在周六中午，很多登山人員在山頂，導致58人不幸遇難且5人失蹤。在火山噴發前大約15天，也就是9月10日和11日，這里有地震群記錄，但是自1979年最后一次射汽噴發以來，這種規模的地震群活動時常出現。因此，9月11日出現的地震群很難確定為火山噴發前兆，所以沒有提前提高火山警戒等級。在火山噴發之后，詳細的數據分析顯示在噴發前的11分鐘有一個前兆地震群，且噴發前7分鐘出現了明顯的地表快速膨脹形變。

2018年草津白根火山噴發

草津白根山火山位于東京北部150km，是一座復式火山，主要由白根山、逢之峰、本白根山組成。1805年之后的火山噴發都發生在白根山火山口附近，且主要為射汽噴發。火山監測數據顯示湯釜火山口和本白根山下部的淺層熱液系統出現膨脹，使火山警戒等級提高。2018年1月23日，距離湯釜火山口約2km處的本白根火山口發生了小規模的射汽噴發，本次火山噴發也未成功預測，造成了一人死亡。本次火山噴發前3分鐘，地震儀和水平儀顯示巖漿房出現膨脹(圖 5)。

圖4 新燃岳火山噴發（a）2011年噴發；（b）2018年火山噴發在火山口頂部形成的薄餅狀熔巖；（c）近8年的基線變化圖；（d）火山口內薄餅狀熔巖的InSAR分析研究；（e）薄餅狀熔巖上固定點的垂直位移變化

圖5 2018年1月23日草津白根山火山射汽噴發，由V-網絡記錄的地震與水平儀變化前兆現象。紅色箭頭表示噴發前的傾斜方向。紅色虛線表示火山灰覆蓋邊界，黑色虛線為火山灰分布中心軸

總結與下一步計劃

火山監測與數據分析是判斷火山活動性的最基本方法，只有不斷努力，研究火山噴發前兆異常信號，才能降低火山噴發造成的災害。此外，提高火山監測軟件和硬件技術對于火山災害防御也具有重要意義，例如從工程技術的角度來減少泥石流災害。然而，自然災害的復雜程度遠超我們現在的認知，還有很多問題需要我們不斷研究。

東京都地區的火山灰沉降對策

富士山位于東京以西約100km處，一旦發生類似于1707年“寶永大噴發”規模的火山噴發，東京都地區將會被幾厘米深的火山灰覆蓋（圖6）。對此，政府已開始研究更加切實可行的疏散、后勤保障和除灰對策。

小規模射汽噴發監測

根據2014年的箱根火山噴發和2018年的草津白根山噴發記錄，小型的射汽噴發也會出現一些前兆現象，雖然這些異常信號非常微弱且只出現在噴發前數分鐘內。因此，很有必要在火山口附近區域建立密集的監測網絡來發現噴發前的微小信號，并通過實時預警系統通知疏散。

超級火山噴發監測

超級火山噴發是指超大規模的火山噴發，一般會形成破火山口，是火山災害監測的重要對象之一。在日本九州地區，分布眾多破火山口。日本阿蘇山破火山口是世界上最大的破火山口之一，其南北長約25km，東西長約18km，由27萬年前至9萬年前的四次大規模火山噴發形成。日本始良火山口直徑約為20km，由2萬9千年前的大規模噴發形成。此后，從2萬6千年前開始，沿著始良火山口周圍形成櫻島火山。日本的鬼界破火山口位于九州島的南部，形成于約7300年前，是日本最新形成的破火山口。因此，對于超級火山噴發，火山學家只能從地質證據來研究火山口的形成過程，而無法研究超級火山噴發的前兆現象及其前兆時間。目前，雖然有火山學家提出了一些破火山口形成的理論模型，但這些理論模型仍具有較大的爭議。

日本境內分布著111座活火山，雖然它們為我們人類提供了眾多火山財富，但火山監測和災害防御仍任重而道遠，希望我們未來能盡量減少火山噴發造成的災害。

致謝

衷心感謝Setsuya Nakada, Taku Ozawa, Hideki Ueda,Masashi Nagai及 Yuhki Kohno和日本國立地球化學與防災研究所為本文提供照片和插圖。