躁動的超級火山

林聲

維蘇威火山因龐貝古城的故事而廣為人知，但它的赫赫威名正在被它相距20千米的“鄰居”——超級火山坡皮佛萊格瑞取代。坎皮佛萊格瑞火山近年來出現(xiàn)活動跡象，歐洲南部數(shù)百萬人的生命可能處于危險之中。

意大利南部第一大城市——那波利（那不勒斯）市位于兩座火山之間：東面是著名的活火山維蘇威，西面是超級火山坎皮佛萊格瑞。實際上，那波利市的郊區(qū)就坐落在坎皮佛萊格瑞火山口上，而坎皮佛萊格瑞是一個蓄勢已久、隨時可能爆發(fā)的火山口。這個火山口左側(cè)的黑色脊——波西利波山，是這個綿延12千米的火山口的一部分。

盡管位于火山旁邊，那波利的都市生活卻欣欣向榮。用火山石建成的教堂令人嘆為觀止，輕松、時尚的都市人熙熙攘攘。在一座方方正正的混凝土建筑中，穿過一對滑動玻璃門，就是世界上最大的火山觀測站——維蘇威火山觀測站。監(jiān)測室里的92張平板屏幕上閃著清冷輝光，每一個屏幕上都在顯示火山活動的相關(guān)讀數(shù)，包括地震設(shè)備檢測到的數(shù)據(jù)。中間桌上放著一部紅色電話。一年365天，一天24小時，每天都至少有兩個人在這里值班，隨時準備拿起電話，就火山緊急事件向公眾預(yù)警。

那波利東側(cè)維蘇威火山標志性的錐形隆起，似乎時刻在向人們展示：火山隨時都有爆發(fā)的危險。但維蘇威并不是引起人們擔(dān)憂的唯一問題。現(xiàn)實威脅來自那波利西面的波西利波山。在這里，規(guī)模巨大的坎皮佛萊格瑞火山區(qū)的火山口已出現(xiàn)躁動跡象，似乎火山即將從休眠中醒來。倘若此，一場極具破壞性的火山爆發(fā)可能正在醞釀中。火山一旦爆發(fā)，將不僅給這座意大利第三大城市及周邊農(nóng)村帶來毀滅性破壞，而且有可能延伸到意大利之外，對從航空旅行到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類社會生活的方方面面都將產(chǎn)生影響。遮天蔽日的火山灰將使整個歐洲和地中海地區(qū)的天空變得灰暗不堪。

維蘇威火山觀測站。

坎皮佛萊格瑞這樣的火山口也被叫作“破火山口”，它是火山爆發(fā)時的巨大力量產(chǎn)生的大坑。該火山威力最大的一次爆發(fā)是在大約4萬年前，當(dāng)時火山口向天空噴出300立方千米的火山灰與巖石碎屑。這場爆發(fā)影響全球氣候，剝奪了尼安德特人在地球上最后的喘息機會。

該火山口附近地面上，滿是星羅棋布的蒸汽噴口（噴氣孔）。噴氣孔噴發(fā)蒸汽及各種氣體。噴發(fā)硫化物質(zhì)的噴氣孔被稱為“硫氣孔”。迪波佐利就是一個硫氣孔。2009年，這個本不起眼的噴氣孔發(fā)出咆哮聲。冒泡的泥漿和噴出的蒸汽表明，地底下有一些可怕的事情正在發(fā)生。

實際上，近十年來該火山口附近地表一直在上升。2012年，上升速度開始加快。科學(xué)家今年預(yù)測，坎皮佛萊格瑞火山可能進入了一個新的危險階段。根據(jù)該火山以往噴發(fā)歷史，科學(xué)家試圖重建其活動規(guī)律模型。但對于該火山再度噴發(fā)的威脅是否真實存在，科學(xué)界尚未達成一致。目前，主要有兩種火山爆發(fā)預(yù)測理論。

“地下火”可能沖破地殼

坎皮佛萊格瑞是一座獨特的火山。從那波利熱鬧的海濱地區(qū)到火山口只有兩站地鐵距離。2018年2月一個溫暖的早晨，火山學(xué)家切奧迪尼一行剛到這里，立即聞到了硫黃氣味。在地鐵站臺上接待他們的火山學(xué)家喬瓦尼說：“這就是坎皮佛萊格瑞火山。有些人以為只有地下蒸汽冒出，有硫質(zhì)噴氣孔的地方才是火山。但事實上，這些都是火山。”他展開手臂畫了一個大圓，表示周圍整個市郊地區(qū)都在火山區(qū)范圍內(nèi)。然后，他向下指著通往維蘇威火山觀測站的道路說：“觀測站也在火山口范圍內(nèi)。”

站在火山口邊，可聽到一種好似馬達轟鳴的聲音。灰黑色、拳頭大小的泥泡從噴氣孔中心向上猛烈翻滾，然后向下面的城郊住宅區(qū)蜿蜒流去。整個場景中彌漫著一種不祥氣氛。就在這個硫質(zhì)噴氣孔旁，切奧迪尼發(fā)現(xiàn)了火山即將蘇醒的征兆。他記錄下噴氣孔氣體的變化，特別是硫質(zhì)噴氣孔噴出的氣體成分的變化。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，坎皮佛萊格瑞火山口可能已接近“臨界排氣壓力”。一旦達到臨界點，火山就極可能會爆發(fā)。

切奧迪尼的論點是基于這樣一個事實：當(dāng)巖漿通過地殼上升時，會經(jīng)歷一個逐漸解壓的過程，并在此過程中釋放大量揮發(fā)性混合物。在達到排氣臨界點時，這種混合物幾乎完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵狻４罅扛缓值臍怏w在周圍巖石中升溫?zé)嵋合到y(tǒng)，導(dǎo)致進入巖漿和地殼表面之間巖層的熱量至少增加10倍，巖石變得越來越松軟。

在噴氣孔主噴口的一個小巖石露頭上，火山觀測站安置了兩套監(jiān)控系統(tǒng)，用以觀察地下熱量和從火山口噴出氣體成分的變化。太陽能電池板邊上的一個小棚子下面安裝了一個監(jiān)測儀器，每隔兩小時測量一次從地面滲出的氣體。另一套系統(tǒng)是紅外攝像機，目標是更高處的巖石露頭。它可以對從地底下上升到那里的熱量進行檢測，這是觀測火山活動的一個重要測量指標。

在整個火山口分布著多處這樣的監(jiān)測站點。從記錄下的數(shù)據(jù)來看，氣體中所含的一些成分在過去25年來呈下降趨勢，這表明地底下正在減壓，地下上升的巖漿可能已接近地表。在火山口獲得的數(shù)據(jù)還顯示，目前這里的火山與巴布亞新幾內(nèi)亞及加拉帕戈斯群島上較小規(guī)模的火山噴發(fā)有類似的活動趨勢。切奧迪尼認為，這說明坎皮佛萊格瑞火山區(qū)下面的巖漿正在蓄勢待發(fā)，有可能即將釋放極其危險的大量熱量。曾幾何時，這里的火山口底下是一片平地。平地土壤下面的巖石就像一個“塞子”，堵住了地下火向上噴發(fā)的口子。但上升的熾熱巖漿讓巖石變得越來越松軟，這個由巖石構(gòu)成的“塞子”的強度就會逐漸降低，最終被地下巨大熱量沖開。其結(jié)果也許會是災(zāi)難性的。

火山口已經(jīng)嚴重承壓

在維蘇威火山觀測站監(jiān)視火山活動的物理學(xué)家德納塔萊曾獲得和切奧迪尼同樣的數(shù)據(jù)，但他的結(jié)論與之截然不同。

德納塔萊及其同事認為：熱傳遞和氣體成分等檢測數(shù)據(jù)的變化并不一定就是預(yù)警信號，大型火山系統(tǒng)即使躁動不安，大多數(shù)也不會出現(xiàn)爆發(fā)。真正需要擔(dān)心的不是正在釋放壓力的巖漿，而是地殼日積月累的應(yīng)力。數(shù)千年來，這片土地的不斷變形真實記錄了這個火山口的演變故事。

德納塔萊看著地面，尋找火山爆發(fā)即將到來的危險跡象。最久遠的記錄來自2000年前古羅馬市場廢墟中的一些柱子。這些柱子至今仍然屹立在附近波佐利小鎮(zhèn)的海濱附近。這些于1750年發(fā)現(xiàn)的柱子曾令科學(xué)家困惑不解，因為柱子上布滿海洋軟體動物鉆出來的孔洞。人們花了200年時間才終于解開這個謎。原來，這些柱子上之所以會留下海中雙殼類生物鉆出的洞，是因為柱子曾經(jīng)浸沒入海水中。后來隨著火山口地面抬升，柱子又從海水中冒出來。

科學(xué)家對這些孔洞進行了年代測定，發(fā)現(xiàn)破火山口地面以每世紀大約1.7米的速度下沉。但這個破火山口在最近500年里也有兩次短暫上升期。第一次大約始于1538年，結(jié)果形成一座134米高的山。第二次就是令火山學(xué)家擔(dān)心的現(xiàn)在。

2000年前古羅馬市場廢墟中的柱子，柱子上布滿海洋軟體動物鉆出來的孔洞。

德納塔萊的辦公室里有目前火山口地面上升的簡單線狀圖表。他發(fā)現(xiàn)，從1969年到1972年火山口地面上升了1.7米，從1982年到1984年又上升了1.8米。后一個上升期中，還伴有許多小地震。線狀圖表顯示了火山口地面的顯著變化。在地質(zhì)時間意義上的短短一瞬，代表地面上升速度的線條幾乎呈垂直狀。但是，從2005年開始的隆起卻完全不同，這個時期的線條顯示的是穩(wěn)步、逐漸上升。

這一發(fā)現(xiàn)讓德納塔萊很興奮。他說，20世紀70年代和80年代的兩次隆升可能是由地下8千米處的一個巖漿房的巖漿上升引起的，在那波利市下方4千米處形成一個更淺的巖床。隨著地殼承壓，巖床破裂，導(dǎo)致地震，然后巖漿停止運動。到了2000年左右，巖漿層幾乎完全冷卻。從1985到2000年，這個火山口倒塌了近1米。但由于2005年以來地面的緩慢抬升，因倒塌失去的高度大部分已得到恢復(fù)，地震活動比之前有所減少。

維蘇威火山口。

根據(jù)德納塔萊的觀點，破火山口地面出現(xiàn)破裂點可能并不取決于任何一次單一位移，而是取決于從這個過程一開始就積累起來的總位移量。因此，目前火山爆發(fā)的風(fēng)險并不取決于2005年以來的地面抬升，而是取決于自1950年以來近4米的地面抬升。這意味著這個火山口已經(jīng)承受了很大壓力。問題是，再增加多大的壓力就會超出它的承受能力？這一點，就連德納塔萊也無法確定。

回顧歷史 預(yù)測未來

坎皮佛萊格瑞火山是否會爆發(fā)？這是一個難測的問題。預(yù)測未來火山活動，需要通過以往的歷史教訓(xùn)來評估風(fēng)險。正如火山口形成機制專家科斯塔所言：“不了解地質(zhì)歷史，就無法知道當(dāng)前情勢。”

科斯塔展開一幅地形圖，用手指在地圖上劃過波西利波山脊，呈弧形的山脈一直延伸到對面大海中的伊斯基亞小島。然后，他從山谷另一邊起劃出了一個13千米寬的橢圓形地區(qū)。他說：“那一片就是火山區(qū)。一場新的噴發(fā)有可能發(fā)生在這片區(qū)域里任何地方。”他拿出坎皮佛萊格瑞火山在過去寧靜休眠和動蕩噴發(fā)的時間表，“由于過去歷史上火山活動的不規(guī)則，我們不知道火山活動是否己開始進入一個新時期。”

在該地區(qū)過去5000年火山爆發(fā)風(fēng)險概率圖上，以波西利波山為中心向外延伸，就像一幅五彩潑墨畫，其中每一種顏色代表每年受如雪崩般襲來的火山碎屑流、超熱巖石和巖石碎片影響的概率。然而，真正的威脅是坎皮佛萊格瑞火山向空中噴發(fā)的火山灰。加上風(fēng)向的影響，即使是中等規(guī)模的噴發(fā)也會導(dǎo)致大片火山灰落在那波利人的頭頂上。如果從空中降落的火山灰太多，甚至?xí)?dǎo)致一些屋頂平臺倒塌。

2016年底，隨著切奧迪尼研究論文的發(fā)表，媒體也開始爭相報道坎皮佛萊格瑞火山爆發(fā)的潛在威脅。之后，德納塔萊等人也提出類似警告。但是，火山口本身卻一直平靜。德納塔萊后來說，“坎皮佛萊格瑞火山爆發(fā)的可能性比預(yù)期小。”他的團隊是通過認真觀察小地震發(fā)生模式變化、火山口地面隆起和對地下深處的應(yīng)力分析而得出這個結(jié)論的。他們發(fā)現(xiàn)，巖漿、熾熱的水或氣體經(jīng)過三個不同上升階段后抵達火山口下面。每經(jīng)歷一個階段，地面彈性都會被削弱一點。當(dāng)最后達到“無彈性”階段時，地殼延展已達極限，地殼變得僵硬無彈性，并出現(xiàn)許多小裂縫，隨時都可能被上升的“地下火”沖開，導(dǎo)致火山噴發(fā)。

那波利城一部分是建立在坎皮弗格瑞火山口上的。火山一旦爆發(fā)，這座城市的命運可想而知。

坎皮佛萊格瑞火山噴發(fā)歷史

坎皮佛萊格瑞火山是一個多口式噴發(fā)火山，曾發(fā)生三次噴發(fā)，其中兩次是毀滅性噴發(fā)。

第一佛萊格瑞期大約4萬年前，坎皮佛萊格瑞火山群發(fā)生一次巨大噴發(fā)，爆發(fā)強度極大，堪稱歐洲最大火山爆發(fā)，噴出的火山灰導(dǎo)致穴居人——尼安德特人滅絕。

第二佛萊格瑞期大約1.28萬年前，坎皮佛萊格瑞火山群又一次發(fā)生毀滅性噴發(fā)，形成了一個較小的火山口，位于波佐利鎮(zhèn)旁。這一爆發(fā)產(chǎn)生大量黃色凝灰?guī)r的熔結(jié)凝灰?guī)r。

第三佛萊格瑞期1538年，最近的一次活動。此次噴發(fā)規(guī)模不大，噴出一種白色凝灰?guī)r，造成那波利32人死亡。

科學(xué)家認為，目前坎皮佛萊格瑞火山口的地面隆起表明，地殼正處于一個從準彈性階段向非彈性變形階段的過渡中。火山口地面自1950年以來被推高約4米。如果上述結(jié)論無誤，那么火山口地面在上升5～12.5米后將失去彈性。但由于火山爆發(fā)不可預(yù)知性，對火山噴發(fā)機制也了解不多，因此無法確知坎皮佛萊格瑞火山口是否會在今后幾年或幾十年里達到這個極限。

如前面所提到的那樣，根據(jù)坎皮佛萊格瑞火山開始躁動不安的種種跡象來判斷火山是否會在近期噴發(fā)，科學(xué)家產(chǎn)生了兩種截然不同的判斷模式：一種是以切奧迪尼為代表，密切關(guān)注的是“臨界排氣壓力（CDP）”數(shù)據(jù)變化和地下熱量上升對地殼巖石的削弱程度；另一種是以德納塔萊為代表，關(guān)注的重點是巖石中張力的積累是否達到極限。然而，有一點是這兩種模式都一致認同的，那就是坎皮佛萊格瑞火山在經(jīng)歷了多年的平靜之后，正在開始從休眠中醒來。

這是一種讓人不安的感覺。雖然在統(tǒng)計學(xué)上這座火山再次爆發(fā)的概率很小，但這種可能性一直存在。那波利最讓人欣賞的是，它似乎擁有無窮無盡的活力。無論對未來火山噴發(fā)的預(yù)測多么可怕，人們一如既住在這里生活、奮斗。這是一座了不起的城市，盡管它的兩側(cè)是火山，腳下是巖漿，那波利卻以屹立在“地下火”之上的雄姿，向世人展示人類挑戰(zhàn)大自然威力的勇氣。

火山爆發(fā)預(yù)測新技術(shù)

先進的氣體監(jiān)測設(shè)備和衛(wèi)星GPS數(shù)據(jù)，為科學(xué)家預(yù)測毀滅性火山爆發(fā)提供更多依據(jù)。

1985年11月13日下午3點。哥倫比亞魯伊斯火山爆發(fā)。幾分鐘之內(nèi)，致命的黏土、冰和熔巖流從火山側(cè)翼沖下，摧毀城鎮(zhèn)和村莊。這一20世紀第二大火山災(zāi)難導(dǎo)致2.3萬多人死亡，僅次于造成3萬人死亡的1902年加勒比火山噴發(fā)。

在這次哥倫比亞火山爆發(fā)前，曾發(fā)生過小規(guī)模火山噴發(fā)和地震。雖然科學(xué)家注意到了火山活動異常，但無法確定火山只是會小規(guī)模噴發(fā)，還是會猛烈噴發(fā)。從那時起，火山噴發(fā)預(yù)測科學(xué)有了長足進步。例如，在1991年菲律賓呂宋島皮納圖博火山爆發(fā)之前疏散了7.5萬人。2010年印尼默拉皮火山噴發(fā)前，7萬人及時撤離了危險地區(qū)。此外，新的遠程預(yù)測方法和強大的計算機預(yù)測模型等都有助于提高火山活動預(yù)測能力。

據(jù)估計，全球大約有1550座活火山，但大多數(shù)只是偶爾發(fā)出可怕的隆隆聲。其中，約20座火山在不停地冒煙噴火，但沒有噴發(fā)。約50座火山每年都會爆發(fā)，這當(dāng)中包括一些規(guī)模較大、足以引起災(zāi)難性后果的火山噴發(fā)。

為預(yù)測大規(guī)模火山爆發(fā)，科學(xué)家對從地下巖石內(nèi)冒出的煙氣成分進行測量。從二氧化碳與二氧化硫的比率變化中，可以發(fā)現(xiàn)地下巖漿動蕩不安的線索。當(dāng)巖漿開始上移，不那么容易溶解的二氧化碳就會最先產(chǎn)生氣泡，并在隨后當(dāng)巖漿接近地表時冒出來。

幾十年來，測量這些氣體的方法就是沿著斜坡走向火山口取樣，或者駕駛飛機飛向火山口向下俯沖取樣。這兩種方法都有很大風(fēng)險。科學(xué)家已開發(fā)出一種能遠程、持續(xù)監(jiān)測目標氣體的儀器系統(tǒng)，即“火山和大氣變化觀測網(wǎng)（NOVAC）”。該網(wǎng)成員使用低成本的便攜式光譜儀，通過陽光穿過火山煙柱時被吸收的方式分析氣體濃度。

還有一種分光計可用來測量二氧化硫水平變化。這種儀器可安裝在活火山口下風(fēng)幾千米處，或安裝在航空器或衛(wèi)星上進行持續(xù)監(jiān)測。目前，全球被以這種方式進行觀察的火山大約已有35座。另一種多氣體分析儀可用來持續(xù)測量二氧化碳和二氧化硫的比例。它被安裝在火山口邊緣煙柱籠罩的地方。在哥斯達黎加，安裝在圖里亞爾瓦火山的氣體傳感器可“嗅出不好的”火山氣息。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，每次火山爆發(fā)前幾周碳硫比均會急劇上升。

但是，NOVAC檢測到的碳/硫比變化，并非在所有情況下都是可靠的旱期預(yù)警信號。例如，與圖里亞爾瓦火山鄰近的波阿斯火山最近一次噴發(fā)之前沒能被檢測記錄到這種變化。研究人員認為，NOVAC未能檢測到碳硫比變化，是因為波阿斯火山口形成的酸性湖泊。湖水吸收二氧化硫，同時允許二氧化碳通過，從而導(dǎo)致氣體比例異常。隨著壓力形成和火山噴發(fā)的臨近，這個湖里的二氧化碳極度飽和，表明有大量這種氣體冒出來。這也是火山噴發(fā)正在劇烈醞釀中的一個明確示警信號。從波阿斯火山爆發(fā)中解讀出的這一信號是一個里程碑式的進展，因為世界上有許多最不可預(yù)測且最有噴發(fā)可能性的火山（包括美國的魯伊斯火山和日本的御岳火山）都有火山口湖。

哥斯達黎加兩座火山的情況表明，沒有一種“適合所有火山”的預(yù)警信號。成功預(yù)測的關(guān)鍵是要把對火山氣體的監(jiān)測和傳統(tǒng)的地震監(jiān)測方法結(jié)合起來，并配合其他揭示火山底下巖漿活動的新技術(shù)。

通過衛(wèi)星上的全球定位系統(tǒng)（GPS），也可以監(jiān)測火山表面活動。英國火山學(xué)家希基運用這類數(shù)據(jù)，生成一種模擬日本九州島活火山櫻島火山活動的計算機模型。櫻島火山的最后一次大規(guī)模噴發(fā)是在1914年，造成58人死亡，隨后還導(dǎo)致附近海濱城市鹿兒島發(fā)生大規(guī)模洪災(zāi)。櫻島火山底下的巖漿庫從那以后就一直在補充，導(dǎo)致幾乎每天都有輕微噴發(fā)。

希基團隊將該地區(qū)地形和巖石類型輸入他們的模型中，并利用GPS定位系統(tǒng)測量的精確的地表移動數(shù)據(jù)來估算巖漿補充速度，結(jié)果表明，該地區(qū)地下巖漿庫完全填滿大約需要130年。也就是說，在未來30年里可儲存到足夠多的巖漿，導(dǎo)致與1914年相同規(guī)模的噴發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)促使鹿兒島市重新審查人員疏散計劃。與此同時，希基正在為厄瓜多爾的火山和加勒比海地區(qū)小安的列斯群島火山開發(fā)類似模型。

即便有了高科技，世界上最貧困地區(qū)的人們?nèi)匀幻媾R火山爆發(fā)帶來的危險。在許多國家，大量密集人口居住的火山危險區(qū)幾乎沒有任何監(jiān)測。但至少在哥倫比亞，在災(zāi)難發(fā)生30年后，生活在魯伊斯火山陰影下的人們把他們的希望寄托在了火山預(yù)測科學(xué)上。如今，這里的火山口上都已安裝了氣體監(jiān)測儀。科學(xué)家正在研究如何解讀火山示警信號。如果幸運，將能夠在火山噴發(fā)之前發(fā)出預(yù)警。