美國地質調查局火山災害項目與2018年夏威夷基拉維厄火山噴發概況

Walter Mooney

引 言

在美國，尤其是美國西部、阿拉斯加和夏威夷等地區，火山噴發的危險性極高。為了減少火山災害的影響，美國地質調查局（USGS）成立了火山災害項目（VHP）。該項目對美國危險火山進行監測和研究，廣泛收集并分析地球物理和地質數據，以確保人民生命財產安全，并向公眾、科學家以及災害政策制定者傳達相關信息。作為美國最活躍的火山之一，夏威夷基拉維厄火山是火山災害項目（VHP）的重點監測對象（圖1）。該火山幾乎保持持續噴發狀態，使周圍地區遭受了巨大的災害。因此，很有必要對該火山的地質歷史和現今活動狀態進行詳細研究，盡量減少火山災害的危害。

美國地質調查局火山災害項目（VHP）介紹

（一）項目介紹

美國地質調查局的火山災害項目是美國內政部的一部分，負責管理5個火山監測站的運行與維護。每個火山監測站負責一片特定的火山危險區域內的活躍火山和潛在活躍火山的監測任務，其中的3個監測站位于美國西海岸，另外兩個監測站分別位于夏威夷和懷俄明州的黃石國家公園內（圖2）。

火山災害項目的主要目的是對火山進行詳細研究，弄清其動力過程，以盡量減少火山災害風險。通過詳細的火山地質填圖工作和年代學測試工作，可以判斷火山噴發時代和期次，對于評估火山未來可能產生的災害具有重要意義。火山監測站對地震、地形變化、水文和地球化學特征進行實時或非實時觀測（圖3），這些火山詳細研究資料對實施火山減災計劃具有重大作用。

火山監測站根據監測資料的分析結果，向公眾發布緊急和遠期的火山災害信息，主要包括災害及疏散通知、報告、災害地圖、災害評估及相關新聞。根據地質記錄，火山監測站負責匯編有關的火山信息，提供火山活動狀態和遠期活動預測結果，并出版火山危險災害地圖。短期災害評估包括緊急災害通告、疏散路線和短期火山災害地圖，并通過多種方式傳達給公眾；而遠期火山災害評估結果發布在美國地質調查局的火山災害項目官方網站上。

（二）數據收集

1.地震

地震活動觀測是火山監測的重要手段之一，主要是通過地震監測網絡將地震數據實時傳輸到火山監測站進行分析。根據火山危險等級，地震監測網絡一般由布設在火山周圍20km內的6～16臺地震儀組成（圖4）。由地震監測網絡收集的地震數據一般經系統自動分析，判斷火山活動性的強弱。同時，科學家通過分析地震數據可以預測火山活動，特別是在火山噴發前產生的地震群具有重要指示意義。雖然地震群不一定會導致火山噴發，但地震學家根據火山構造地震（由巖漿和氣體遷移導致的脆性破裂）和低頻地震（由巖漿和氣體上升遷移導致的破裂）和顫動（持續的高振幅信號；由一系列的巖漿遷移、火山構造、地震和低頻地震及氣體因素導致）可判斷地下巖漿遷移和變化過程。

圖1 基拉維厄火山口及美國地質調查局夏威夷火山監測站鳥瞰圖

圖2 火山災害項目管理的火山監測站及相關設施。AVO指阿拉斯加火山監測站，CVO指喀斯喀特火山監測站，HVO指夏威夷火山監測站，LVO指長谷火山監測站（現為加利福尼亞火山監測站CalVO），YVO指黃石火山監測站。

圖3 美國地質調查局火山災害項目使用的數據收集方法

圖4 美國地質調查局火山災害項目在華盛頓布設的地震儀，通常安置在地表之上，便于監管

2.地形變

地表形變是一項非常靈敏的火山監測技術手段，厘米級別及以上的地表形變是火山活動狀態改變的標志。巖漿和流體的遷移過程都可以導致火山內部發生膨脹、收縮和破裂，從而導致地表產生形變。主要的監測儀器有：全球定位系統（GPS）接收器、水平儀、應變儀和衛星。GPS系統由一系列地球同步軌道衛星組成，信號接收器通過接收多顆衛星發射的電磁波可以計算出具體位置。在火山周圍布置多顆GPS信號接收器，是一種相對低成本的地表形變監測方法（圖5）。水平儀通常布設在淺部鉆孔內，通過測量水平儀的角度變化而達到淺層地殼形變監測的目的。應變儀通常由充滿液體的容器或一對平行的板組成，一般埋藏于鉆孔中。由于巖漿遷移導致的地殼形變通常會改變鉆孔的形狀，固定的應變儀能監測到地殼的變化。干涉合成孔徑雷達（InSAR）形成的雷達圖像可用于遠程繪制整個區域的地表形變，其精度可達一厘米內。通過對比同一區域的不同時間的InSAR圖像，可以計算出該區域地表的垂直變化，其優點是可以遠程監測危險區域，能在夜間工作且不受大多數天氣的影響。通過分析上述地形變監測數據和其它數據，火山災害項目科學家可以判斷火山內部活動狀態。

圖5 夏威夷大學在基拉維厄火山邊緣布設的GPS信號接收器

3.氣體和水

隨著巖漿上升遷移，溶解在巖漿中的氣體會由于壓力的降低而與巖漿分離，密度小于巖漿的氣體，會最先沿著巖漿通道或斷裂逸出到地表。氣體的濃度和排放速率反映了巖漿體的組成成分、規模和位置分布，所以，在火山監測中，逸出到地表的火山氣體的濃度和排放速率是重點監測對象。其中，二氧化碳和二氧化硫是火山氣體監測中最重要的指標。二氧化碳通常在相對較深處與巖漿分離，因此，二氧化碳濃度的增加可能揭示新的巖漿補給。相反，二氧化硫在相對較淺的區域與巖漿分離，其濃度的增加可能表明熔巖已上升到地表或正在內部噴發。

氣體采樣方式多樣，主要是在高濃度二氧化碳氣體溢出口布設多種氣體采集和測試裝置，通過光學和電化學傳感器測量多種氣體成分和參數，包括溫度和壓力等。氣體采集和測試區域也可以為噴氣孔、沿著地表微小裂縫和長裂縫，以及沿著新鮮熔巖和火山碎屑流表面（圖6）。此外，使用光譜儀也可以遠程測量某些氣體的濃度，如二氧化硫。

（三）火山災害疏散警報

圖6 美國地質調查局火山災害項目組科學家在黃石公園的鵜鶘河采集氣體樣品

圖7 美國地質調查局分布于全世界的火山災害援助項目（VDAP）

美國地質調查局火山災害項目負責發送火山警報，向公眾傳達火山活動狀態等信息。該項目負責的5個火山監測站向當地的相關群體發送火山活動通知、每日/每周/每月更新狀態報告、火山航空通告和火山警報。根據信息接收群體、火山危險性的等級和監測站的不同，火山警報類型和通知方式也存在區別。在火山危險期，火山災害項目的科學家需盡快確定火山災害類型及危險區域，以便采取相應的緊急措施。并非所有的警報和應急計劃都由火山災害項目負責處理，例如，火山警報和疏散通知由政府部門執行。

（四）火山災害援助項目（VDAP）

火山災害援助項目（VDAP）主要為其他國家的火山部門提供科學援助，由美國地質調查局和美國外國災害援助辦公室在1986年聯合成立，目前已協助12個國家處理了70多次火山緊急情況（圖7）。參與該項目的約20名美國科學家旨在為國外科學家和政府部門提供專業的科學知識和技術資源，包括在火山噴發前、噴發期間和噴發后提供美國的監測工具，如地震、衛星、GPS和氣體監測裝備等。美國科學家根據外方科學家的請求，協助進行火山災害監測、火山活動預測、早期預警評估與制定和國際救援機構溝通等工作。

VDAP為合作雙贏的項目，使美國和外國政府都直接從合作中收益。通過協助其他國家進行火山監測與減災工作，美國地質調查局火山學家不僅加強了國際合作，而且獲得第一手監測數據和經驗，為美國火山災害政策的制定提供了科學的經驗和方法。

（五）美國地質調查局的五個火山監測站

1. 阿拉斯加火山監測站

阿拉斯加火山監測站（AVO）由阿拉斯加費爾班克斯大學地球物理研究所、阿拉斯加地質和地球物理調查局和美國地質調查局共同管理，主要依靠地震數據監測整個阿拉斯加的20多座火山（圖8）。同時，結合衛星圖像數據，阿拉斯加火山監測站可以更準確的評估火山活動并向公眾傳達緊急情況。此外，阿拉斯加火山監測站還通過電子郵件發送每周火山活動和調查報告。

2. 加利福尼亞火山監測站

圖8 火山災害項目在阿斯拉加設立的火山監測系統

加利福尼亞火山監測站（CalVO）于2012年在長谷火山監測站的基礎上改建而成，主要負責加利福尼亞州和內華達州的14座火山監測任務，監測儀器包括GPS和氣相色譜儀等（圖9）。該監測站以火山警報的形式向公眾、媒體和政府發布火山活動危險變化情況，發布途徑包括電子郵件、電話、傳真和會議。

3.喀斯喀特火山監測站

喀斯喀特火山監測站（CVO）位于華盛頓州溫哥華市，負責監測整個華盛頓州、俄勒岡州和愛達荷州的火山，同時負責美國地質調查局的火山災害援助項目（圖10）。該火山監測站負責與媒體和公眾交流，并管理美國地質調查局的火山社交媒體。火山監測站內設有沉積實驗室，主要為美國地質調查局、大學和其他政府機構與合作伙伴測試分析樣品，以更好地了解火山。

4. 黃石火山監測站

黃石火山監測站（YVO）由8個組織共同建立，歸美國地質調查局管理（圖11）。國家公園管理局、國家自然科學基金委和各大學的科學家共同合作，對黃石火山區及周邊區域進行科學研究。研究信息在各個組織中和火山監測站之間是共享的，以便美國地質調查局的科學家能夠有效且簡明地將重要研究成果傳達給相關部門。每個單位負責的研究重點不同，其中猶他大學主要負責地震網絡的監測工作，國家自然科學基金委的附屬機構(UNAVCO)負責井下應變儀和地震儀的操作，懷俄明州和周邊州的地質調查部門負責與各自地區的公眾交流信息。在火山爆發風險相對較低期間，黃石火山監測站重點進行更深入的火山研究及其區域地質背景研究，為降低黃石和其他火山災害做好充足的準備。

5. 夏威夷火山監測站

夏威夷火山監測站（HVO）成立于1912年，是美國建立的第一座火山監測站，主要負責夏威夷地區的六座活火山的監測任務，重點監測1970年以來發生過多次噴發的基拉維厄火山（圖12）。為了保證當地的安全，夏威夷火山監測站建立了實時火山監測網絡，包括野外監測站和衛星聯合數據分析。夏威夷火山監測站同時負責記錄和報告夏威夷地區的地震活動，這些地震數據不僅可用來進行火山監測，還可用于夏威夷的地震活動研究。由于夏威夷火山噴發以熔巖流為主，衛星影像常被用于跟蹤熔巖的運動過程。同時，衛星影像也用于監測火山氣體，特別是記錄火山氣體污染等級。

圖9 加利福尼亞火山監測站的科學家正在進行火山監測工作

圖10 位于華盛頓州的喀斯喀特火山監測站

圖11 黃石火山監測站鳥瞰圖

圖12 位于基拉維厄火山口周圍的夏威夷火山監測站

基拉維厄火山噴發概況

（一）夏威夷群島介紹

夏威夷群島由位于北太平洋的八座主要火山島組成（圖13），其中基拉維厄火山是夏威夷地區五座活火山中最活躍的火山。基拉維厄火山自1983年持續噴發至今，吸引了眾多火山學家對其噴發進行研究，其中，最近的Pu'u'ō'ō火山錐噴發是夏威夷近35年來規模最大、周期最長的熔巖流噴發。

圖13 夏威夷東南地區的8座主要島嶼

圖14 夏威夷島的火山分布及規模

圖15 夏威夷火山的地面火山警報級別圖

夏威夷島，也被稱為大島，位于夏威夷群島最東南部，發育多座火山，包括L?'ihi火山、Mauna Kea火山、Hualalai火山和Haleakala火山（圖14）。夏威夷最近噴發的火山為基拉維厄火山（Kilauea）和莫納羅亞火山（Mauna Loa），兩座火山噴發都很頻繁。根據美國地質調查局公布的火山警戒級別和航空顏色代碼指標，基拉維厄火山為“橙色等級”（圖15），表明該火山正在噴發中，需要對其進行密切的監測。

（二）夏威夷群島的起源

夏威夷群島是數百萬年來無數次火山噴發形成的巨大火山峰，部分火山峰比洋底高9km以上。這些高于海平面的火山峰僅代表巨大的夏威夷海底山脊—帝王海山鏈的極小部分，這片區域包括80座以上大型火山，橫跨太平洋海底，從夏威夷群島延伸到阿留申海溝（圖16）。

世界上大多數的活火山沿著地殼板塊邊界分布，但夏威夷火山群島分布于太平洋板塊中間（圖17），與最近的板塊邊界相隔3200km以上，是由夏威夷熱點的火山作用形成。

1963年，地球物理學家威爾遜提出了熱點假設理論，用來解釋板內火山活動的成因。他認為，在夏威夷群島等地發現的異常的火山活動可歸因于地殼板塊之下的超高溫的區域，這些高溫區域持續時間很長，能提供局部的熱能（熱柱），產生的巖漿形成了這些板內火山活動。此外，威爾遜還推斷，夏威夷海底山脊——帝王海山鏈獨特的線性構造是由太平洋板塊相對地幔中的熱能柱向西北移動造成。威爾遜的假設現已被廣泛接收，且大量地球物理和地質學證據表明威爾遜假設中的夏威夷熱點現位于夏威夷地幔位置。

圖17 太平洋板塊構造簡圖，顯示夏威夷熱點位于太平洋板塊中間

圖16 夏威夷海底山脊——帝王海山鏈圖

夏威夷群島在局部熱點上向西北逐漸漂移，因此，從西北到東南的主要熔巖的年齡是越來越新的。西北部的熔巖年齡最老，東南部的熔巖年齡最新：其中，Ni'ihau和Kaua'i火山噴發時代為3.8百萬～5.6百萬年；O'ahu火山噴發時代為2.2百萬～3.4百萬年；Moloka'i火山噴發時代為1.3百萬～1.8百萬年；Maui火山噴發時代為0.8百萬～1.3百萬年，夏威夷主島噴發時代小于0.7百萬年。有科學家估計夏威夷的火山熱點寬約320km，但為各個火山提供巖漿的垂直通道要窄的多。

（三）基拉維厄火山

基拉維厄火山是一座盾形火山，位于莫納羅亞火山（Mauna Loa Volcano）的東部斜坡上，主要由噴發出的酸性巖漿組成。基拉維厄火山位于夏威夷東南部的裂谷帶內（圖18、圖19和圖20），與夏威夷其他島嶼的古火山相比，基拉維厄火山島缺乏古老的裸露巖石，因此地質學家很難厘清其完整的噴發歷史。基拉維厄火山表面只有10%的巖石年齡超過1000年，另外90%的熔巖流被這些最新的熔巖流所覆蓋，其中20%的熔巖流年齡小于200年。

（四）2018年基拉維厄火山噴發

基拉維厄Pu'u'ō'ō火山噴發始于1983年（圖21），是500多年來基拉維厄火山東部裂谷帶內持續時間最長、噴發規模最大的火山噴發。熔巖噴泉和熔巖流使當地地貌特征發生了較大的改變，并多次對當地居民造成沖擊。截至2016年年底，火山熔巖流已覆蓋144km2，噴發體積約4.4km3，為夏威夷東南海岸增加了1.79km2的新土地。基拉維厄火山的頂峰在1983年火山爆發后沉寂了25年，在2007年末，新的活動跡象逐漸出現。2007年11月至12月，二氧化硫排放量和地震活動開始超過正常的背景水平。2008年的前幾個月，氣體排放和地震活動持續增加，到3月初，這些監測參數比正常水平高好幾倍。2008年初，隨著氣體排放量的增加，Halema'uma'u停車場周圍產生了高濃度的二氧化硫，使國家公園環形山道于2月20日被迫關閉。

2008年3月19日凌晨2點58分，基拉維厄峰發生了一次小地震，與此同時，福馬羅勒地區也發生了坍塌，塌陷形成了一個小坑。在接下來的幾個月里，美國地質調查局的地質學家偶爾透過厚厚的煙霧看到深紅色的火光（圖22）。

圖18 夏威夷熱點及其形成的火山群島簡圖

圖19 盾狀火山內部結構示意圖

圖20 基拉維厄火山地理位置圖

圖21 Pu'u'ō'ō火山噴發第一天的熔巖流照片

圖22 黎明時分的Halema'uma'u火山口的延時攝影照片

圖23 截至2018年8月1日上午10點，基拉維厄下東裂谷區熔巖流和裂隙分布圖。圖中紫色區域表示1840年、1955年、1960年和2014—2015年熔巖流的噴發

圖24 8號裂縫的航拍照片，熔巖沿著裂縫流到海里

2014年6月27日，Pu'u'ō'ō火山口東側翼形成了新的裂縫，這些裂縫導致卡瓦萊河停止流動。隨后，新的熔巖流迅速向東部推進，從7月至10月延伸了20km至Pāhoa社區。

從1997年至今，Pu'u'ō'ō火山的熔巖流一直以平穩的繩狀熔巖流覆蓋于熔巖盾之上，部分沿著通道流入大海，偶爾形成新的氣體逸出口。但近期火山口發生坍塌，火山口增大，火山活動明顯增強。Leilani Estates及周邊地區的噴發異常突然，這是由Pu?u?ō?ō的一個破火山口坍塌引起的，破壞力和影響范圍都特別大。

2018年5月3日，位于基拉維厄火山東部裂谷帶低Puna噴發是一次持續的火山噴發事件，與1983年1月3日的基拉維厄火山噴發有關。熔巖噴泉的噴發高達90米，地震和地形變造成Leilani Estates地區道路破裂，使巖漿和火山氣體沿著裂縫流出和逸出。5月4日，Puna發生6.9級地震。截至2018年5月27日，Leilani Estates附近共形成了24條裂縫（圖23）。其中最引人注目的是第8條裂縫，它不斷地從火山口向東北方向噴出巖漿（圖24）。

（五）緊急疏散與管理

基拉維厄火山的熔巖覆蓋面積約14.2km2，對當地居民的影響巨大，其中熔巖摧毀了超過700所房屋。2018年7月的最后幾天，基拉維厄火山裂隙附近的熔巖點燃了樹木和草地，引發了夏威夷大島的森林大火，使很多房屋化為灰燼。

2018年5月31日，基拉維厄火山東部的Leilani Estates地區發布了強制性的24小時疏散命令，拒絕疏散的居民甚至會被警方拘留，緊急疏散了2000多人，并被安排住在避難所和其他臨時住所。

到目前為止，美國地質調查局夏威夷火山監測站依然實時監測基拉維厄火山日常活動狀態，并在美國地質調查局官方網站發布基拉維厄火山噴發的最新信息。