火山：大自然的烟花（下）

来源：现代物理知识杂志

刘绍文  南京大学地理与海洋科学学院

火山灾害是主要的自然灾害之一。1987年12月第42届联合国大会通过一项决议，把1991～2000年定名为“国际减轻自然灾害十年”；其中，火山列在自然灾害的第六位。

01

火山喷发的主要灾害

火山碎屑流能量大、流速快，它们从火山口喷出后以迅猛的速度沿山坡向下流动，短时间内可以摧毁火山口周围数千米甚至上百千米范围内的森林、城市、桥梁及建筑物等。火山碎屑流相当于携带大大小小的岩石碎片的灼热特级台风（台风的风速一般不超过200km/h，而大的山碎屑流的流速通常可达700km/h），因此沿途摧枯拉朽，极具破坏力。

公元79年意大利维苏威火山喷发是有史以来规模最大，给人类造成危害最惨重的喷发事件之一，也是火山碎屑流灾害的典型事例。火山喷出的碎屑流及火山灰很快埋葬了南部当时最为繁华的拥有2万人口的庞贝古城，埋深近3米，直到1689年才被后人发现。1902年Mont Pelee火山喷发产生的大量火山碎屑流使居住人口达2.9万的St. Pierre城镇变为一片废墟，据说只有2名关在监狱地下室的罪犯幸免于难。

意大利威尔苏威火山

火山熔岩流乃炽热的岩浆，它犹如奔腾的钢水，所至之处不仅会摧毁、烧毁当地的农田、生物和建筑物等，有时还会引起严重的火灾，造成巨大的灾难。熔岩流的黏度越小、流速越快、规模越大，造成的损失和灾害也越大。如1783年冰岛拉基火山喷发，其熔岩流溢满了附近的冰川河床并向周边的村庄蔓延，喷发了近12km3的熔岩，覆盖面积为565km2，造成冰岛人口减少近1/5，有一半以上的家畜死亡。若火山喷发维持时间长（有时可达数年），熔岩流流经过程中，外壳冷却固结，会形成熔岩隧道，韩国济州岛著名景点“万丈窟”就是一熔岩隧道。

韩国济州岛万丈窟

火山灰对飞行安全具有很大的影响。爆炸式火山喷发形成的大规模火山灰云能随大气环流几天内漂移到几百甚至几千千米以外的地方，喷发高度为20～35km。飞机发动机吸入火山灰会损坏发动机的正常功能。火山灰会破坏飞机的导航控制系统，严重时使飞机失灵。自1980年以来，沿北太平洋航线至少有15架飞机由于途径火山灰云区而遭到损坏，同一时间内全球共有80架飞机遭此灾害，造成的经济损失达数亿美元。这方面最近的实例为冰岛火山喷发所造成的损失。2010年4月14日以来，冰岛南部的埃亚菲亚德拉冰盖火山大规模持续喷发产生了大量的火山灰严重扰乱欧洲空中交通，受火山灰和烟尘侵袭影响，冰岛、英国、挪威、瑞典、丹麦等欧洲部分国家机场关闭，近10万次航班延误或取消，造成全球经济损失近50亿美元。

火山喷发产生的大量气体（水汽、CO2、SO2、H2S、HCl、F等）必然对环境和气候造成影响。喷发出来的某些有毒气体（CO、H2S、F等）及密度较大的气体（如CO2）会迅速扩散，在短时间内造成动物窒息，甚至死亡。1986年8月非洲喀麦隆尼奥斯湖底火山喷出大量的CO2，造成1700余人及大量生畜和动物的死亡。此外，火山气体及形成的气溶胶在大气圈内发生光化学反应，导致平流层中臭氧浓度减小，破坏臭氧层，使人类接受过量的紫外线辐射，诱发皮肤癌等疾病。滞留于平流层内的气溶胶与火山灰一起阻挡太阳光，导致太阳到地表的辐射能量减少，造成地表温度降低。强火山活动频繁期总是对应历史上较冷的时期。如1815年印度尼西亚坦博拉火山喷发，浓密的火山灰云遮天蔽日，使500km远的马都拉岛完全黑暗了3天，还使得北半球温度降低，造成1816年7~8月的欧洲和美洲还有降雪，称为“没有夏天的一年”。

越来越多的证据表明，地质历史上若干次大的物种集群灭绝事件可能是该时期火山大规模喷发活动所致，如距今2亿5千万年前的二叠纪末期灭绝（P/T事件）就与这一时期的西伯利亚玄武岩浆喷发有关；而距今6500万年前的白垩纪末期包括恐龙等在内的大型物种灭绝（K/T事件）也可能与当时的火山喷发有关，同期的溢流岩浆形成了印度德干高原。可见，火山喷发的气体所造成的环境和气候效应不容忽视

此外，火山喷发还会伴生间接灾害。大规模火山喷发引起山崩地裂，伴有泥石流和滑坡出现，从而毁坏流经地区的农作物、路桥、建筑物等，造成巨大损失。如1980年美国圣海伦斯火山喷发，炙热的岩浆融化了山顶的冰雪，形成能量极大的火山泥石流，以40m/s的速度从山坡倾泻而下，沿途几乎没有一个生命躲过这次劫难，并造成哥伦比亚河洪水泛滥，使得24人死亡，46人失踪，是美国历史上规模最大的火山灾害之一。此外，大规模近海或近岸火山喷发会引起海啸。1883年印尼喀拉喀托火山猛烈喷发引起海啸，袭击了爪哇和苏门答腊，浪高35m，毁坏300个村庄，造成3.6万人死亡。1792年日本云仙岳火山喷发物塌落海中，也引起了海啸。火山喷发往往还会伴随地震活动。如1991年菲律宾的皮纳图博火山喷发，引起了4次地震，导致周围地壳变形，对建筑物造成危害。

02

活火山的监测与灾害减轻

火山监测是火山预报的基础，也是减轻火山灾害的有效方法。目前国内外进行火山监测的主要有如下几种方式。

火山区的地震台网监测     历史记载和观测表明，火山喷发往往伴随地震的发生。研究火山喷发前的地震活动特点，是火山监测的重要而有效手段之一。通过观测，火山学家总结出火山喷发前的地震活动具有如下特征：①不具备构造地震的主震-余震序列的震群；②火山地震的震级都较小，一般小于5级，甚至小于3级；③震群中地震的波形相似；④喷发前地震数量增加；⑤震中多位于活火山及其附近。美国圣海伦斯火山区自1980年3月20日以来就频繁出现微小地震活动，3月25日后，震级增大，频繁发生4级甚至更大的地震，最终于5月18日发生大规模喷发。尽管目前火山地震监测逐渐趋向成熟，并成为主要的监测手段之一，但作为一种喷发前兆，仍存在许多捉摸不定之处，还有待进一步观测和深入研究其机制和过程。

火山区的地壳变形监测    火山喷发前，岩浆不断地向上部浅表运移，会造成喷发区周围地形不断隆升变形，隆起最突出的部位往往就是喷发中心。因此，对火山区的地壳变形进行监测，也是火山监测和预报的重要方法。如美国圣海伦斯火山喷发前其北翼隆起达100m左右，结果喷发时把整个北翼掀翻。目前，大量先进的对地空间观测技术已被引进到火山区的地壳变形监测之中，如GPS（全球定位系统）、VLBI（甚长基线干涉）、INSAR（合成孔径雷达干涉测量）等，这些观测系统不仅精度较以往有显著性提高，而是可提供实时监控和数据传输，极大地提高了数据质量和监控效率。

火山区的气体地球化学监测  通过测量火山区（主要是火山区的温泉）的CO2、CO、SO2、H2S、CH4、He、F等含量的变化，来判断火山喷发的可能性。一般地，当火山进入活跃期时，岩浆房充气膨胀，岩浆上升也会导致脱气率变化，进而影响到上述气体含量的变化。火山向活跃期发展时，喷出气体中往往含刺激性臭味的亚硫酸气和臭鸡蛋味的硫化氢（H2S）增多；而当火山处于平静期或者逐步衰老时，喷出的气体中以水汽和CO2居多。根据喷气的成分和温度变化可以辅助预测火山活动的发展趋向。

火山区的系统地温观测    火山区地温变化通常可以反映地下岩浆活动的情况，地温的骤升是火山活动的前兆之一。对火山区地温进行长期而系统的观测，可有效地判断地下岩浆活动的时空范围，从而为火山监测和预报提供科学依据。

火山区的卫星红外监测     这是近些年发展起来的火山监测中经济、快速和有效新方法之一。岩浆向上运移及火山喷发过程都是地球内部热量向外释放的过程，它们会把热量带到浅表，同时加热围岩、土壤和地下水，引起地表温度的升高。研究表明，一般的中强地震在震前能引起2～6℃的红外增温异常，而火山活动引起的温度异常显然要高于地震所引起的温度变化，因此能被每天都在高空巡航的卫星热红外仪器捕捉，从而为火山监测和预报提供依据。美国、日本、意大利、印尼和菲律宾等国家都已把卫星红外遥感用于火山监测之中。随着Internet技术的发展，使得数据实时传输和处理成为可能，这一技术也将在火山监测中发挥更大的效益。

1万年以来有过一次喷发的活火山目前在全球大约有1500座，其中534座有过历史喷发记载。在这些活火山中，只有少数（约150座）火山被不同程度的监测。火山监测可谓任重道远。近20年来，基于火山监测来获取喷发前的前兆信号并进行预报方面已取得很大进展。美国1980年圣海伦斯火山、菲律宾1991年皮纳图博火山和印度尼西亚1998年的默拉皮火山喷发得到了成功的预报，从而大大地减轻了火山灾害。但我们仍需持谨慎乐观的态度。与其他自然灾害的预测和预报一样，对科学而言，火山预报都是一个永恒的挑战。

我国的火山虽不少，但由于鲜有现代喷发，且历史时期的一些火山喷发多发生在偏僻的无人区，未能引起人们的注意，因此对火山灾害的认识也不够。然而，从地质环境上看，我国的火山处在地壳活动区，且许多火山最后一期的喷发时间距今也不算长，属于具有一定活动性的休眠火山，因此火山喷发的可能性和危害性仍旧存在。

20世纪80年代以来，我国对长白山、五大连池和腾冲火山进行了监测和研究，监测资料表明长白山火山有可能再次喷发，该火山是我国潜在危险最大的火山。云南腾冲火山区的热海热田地区是仅次于长白山天池火山的应予以高度关注的地区，均需开展深入的监测研究。这些地方目前都是著名的风景旅游区、新兴工业区和潜在的资源开发区，若万一发生火山喷发，可能造成巨大的灾害，值得引起相关官员和民众的注意。

火山喷发虽然会造成灾害性破坏，给人们带来恐惧和灾难；然而，火山喷发也是创造自然财富的重要手段。大多数的金属和非金属矿产的形成均与火山作用有关。地热温泉、矿泉水等资源也往往与火山作用伴生。特别是，火山虽然摧毁了地面原有的景观，可也同时塑造了新的更为壮观的火山景观，催生了一大批与火山有关的旅游资源。

矿产资源    富含金属或非金属元素的岩浆在上升过程中遇到合适的成矿环境和条件时，一些矿石组分会离析出来形成矿床；或在岩浆房中分异出来，随后或被喷出地表形成矿产，或就地逐步冷凝成含矿侵入体。如我国攀枝花铁钛钒矿、镜铁山铁矿床和宁芜铁矿床、金川镍铂矿等。全球主要的金刚石矿床（我国的产区主要是山东、辽宁等地）则与金伯利岩浆或钾镁煌斑岩的喷出有关。此外，许多火山喷出气体中富含硫，它们在冷凝中会形成硫磺矿，如我国的台湾基隆、云南腾冲和黑龙江德都硫矿床。许多宝石也与火山有关，我国福建明溪、江苏六合、山东昌乐、安徽女山及黑龙江尚志等地新生代玄武岩中就有许多宝石，主要为蓝宝石、红宝石、石榴子石、玉髓、橄榄石等。与火山岩有关的非金属矿产包括石棉、硅藻土等。火山灰、火山渣和浮岩等都是上好的建筑材料。

地热资源    火山和地热有如孪生兄弟，经常共生。火山携带的炽热岩浆能加热周围的地下水，从而形成丰富的地热温泉资源。新西兰、冰岛、日本等国的地热资源非常丰富，并建有地热电站。冰岛是地热之王国，该国到处都有地热温泉出露，宾馆、学校等的热水供应均来自地下热水。我国腾冲的温泉甲天下，而“大滚锅温泉”则乃温泉之王，其温度之高、压力之大、蒸汽之盛，实为国内罕见。徐霞客见过后曾描述“水与气从中喷出，风水交迫，喷若发机，声如吼虎，其高数尺，坠涧下流，犹热若探汤”。台湾地区的温泉多达80～100处，其温泉分布均与第四纪火山岩分布一致。

土地资源    火山喷发能给人类创造土地资源。夏威夷群岛、冰岛及台湾的澎湖列岛等全是火山喷发出来的，1960年夏威夷基拉韦厄火山大爆发时，熔岩流从高处奔腾下泻，涌入大海，在海边填造了一块约2km2的新陆地。1986年喷发时，给大岛增加了17英亩的新土地。20多年来，基拉韦厄火山持续不断涌出的大量岩浆已经在夏威夷岛东南形成了几个新的黑沙滩并使岛的面积不断扩大。火山喷出的火山灰使土壤肥沃，往往形成重要的农业区。我国东北的“黑土地”及其优质的大米均得益于历史上数次火山喷发带来的营养。

旅游资源    火山喷发造就了千姿百态的自然景观，引人入胜。它们带来了高耸的锥形火山（如日本富士山）、神秘的熔岩通道（如韩国济州岛的万丈窟）、壮观的火山碎屑流峡谷（如我国长白山鸭绿江峡谷）、清澈的火山口湖（如长白山天池）和堰塞湖（如镜泊湖及五大连池）等。因故，世界上很多火山区都是著名的风景区，是当今旅游和疗养的热点地区。如美国的黄石公园、夏威夷群岛、日本鹿儿岛、富士山、意大利的维苏威、新西兰的北岛、韩国济州岛以及我国的长白山等均以火山景观著称。我国的41个地质公园中就有7个与火山有关。

科研价值    人类目前对地球的了解还远不及对宇宙的了解，地球与我们的生产生活息息相关，需要深入认识。地球的半径为6370km，而地球上目前最深的钻探仅为12km，还没有钻透地壳，更不屑说深部的地幔。科研工作者在研究地球内部时往往缺乏直接手段和样品，而火山喷发携带的深部地幔物质则为我们打开了一扇窥视地球深处的窗口。通过玄武岩浆中夹带的地幔岩石，科学家可以研究地幔的物质组成和物理化学性质。我国的河北汉诺坝、河南鹤壁、山东蒙阴和安徽女山等地因出露大量的火山岩包体，吸引了国内外众多地球科学家前来开展研究，从而推动了中国地学的发展。

火山喷发是自然界常见的一种地质现象，它并非是什么不可知的神秘力量。随着现代科学的发展，人们对火山及其喷发机制和过程也越来越了解。科学地认识火山是开发和利用火山资源、规避火山灾害的必由之路。（全文完）

本文选自《现代物理知识》2010年第4期    时光摘编