火山災(zāi)害與火山噴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警

許建東

火山災(zāi)害與火山噴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警

許建東

許建東，研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)地震局火山研究中心主任，中國(guó)災(zāi)害防御協(xié)會(huì)火山專業(yè)委員會(huì)副主任。1983畢業(yè)于北京大學(xué)地質(zhì)系，1998年獲美國(guó)紐約州立大學(xué)地質(zhì)學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)于中國(guó)地震局地質(zhì)研究所從事火山地質(zhì)、火山監(jiān)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估等研究工作，負(fù)責(zé)中國(guó)大陸活動(dòng)火山監(jiān)測(cè)與國(guó)家火山臺(tái)網(wǎng)中心運(yùn)維；先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、財(cái)政部和中國(guó)地震局等多項(xiàng)重大項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)外重要期刊發(fā)表論文40余篇，曾榮獲“中央國(guó)家機(jī)關(guān)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆钡缺碚煤酮?jiǎng)勵(lì)。

火山噴發(fā)是人類面臨的一種重大自然災(zāi)害。在地球上幾乎每年都有規(guī)模和程度不等的火山噴發(fā)，給當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ?、生命安全和生存環(huán)境造成了巨大危害，尤其是近期世界各地的火山噴發(fā)頻繁，由此引發(fā)的災(zāi)害日益引起人們關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球有近20%的居民生活在火山災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)和影響區(qū)范圍內(nèi)。在過(guò)去400年的時(shí)間里，火山噴發(fā)已經(jīng)奪去了大約27 萬(wàn)人的生命?；鹕絿姲l(fā)作為突發(fā)性強(qiáng)、社會(huì)危害巨大、群眾恐懼心理深、造成死亡人數(shù)多的自然災(zāi)害，決定了其必然成為國(guó)家公共安全體系建設(shè)的重點(diǎn)考慮內(nèi)容之一。

國(guó)際上火山災(zāi)害和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、火山緊急事件管理等方面的研究與實(shí)踐始于20世紀(jì)中期?；鹕綖?zāi)害嚴(yán)重的發(fā)達(dá)國(guó)家，大都建立了采用高新科技的現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)地震活動(dòng)、地球物理場(chǎng)、火山氣體以及大地形變的觀測(cè)，不僅多次成功地預(yù)報(bào)了火山噴發(fā)，而且根據(jù)監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)提高警報(bào)級(jí)別，組織人員從災(zāi)害區(qū)撤離，成功地減輕了火山災(zāi)害帶來(lái)的損失。

我國(guó)的火山研究工作雖然起步較晚，但通過(guò)30多年的努力，在火山監(jiān)測(cè)與火山災(zāi)害等領(lǐng)域均取得了一系列重要成就，積累了以長(zhǎng)白山天池火山為代表的6座活火山20多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)展了適合中國(guó)活動(dòng)火山特點(diǎn)的火山噴發(fā)危險(xiǎn)性和災(zāi)害分析理論與方法，完成了與國(guó)際接軌的火山災(zāi)害區(qū)劃圖，并制定出針對(duì)性預(yù)防對(duì)策。國(guó)務(wù)院早在2010年《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的意見》中第3條就明確提出要“加強(qiáng)火山、海洋地震監(jiān)測(cè)及海嘯防范”，同時(shí)強(qiáng)調(diào)要“推進(jìn)地震、火山監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)害防御、災(zāi)難醫(yī)學(xué)和應(yīng)急救援等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，努力突破制約防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展的科技瓶頸，提升科技對(duì)防震減災(zāi)的貢獻(xiàn)率”。

加強(qiáng)我國(guó)火山監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)測(cè)的理論與實(shí)踐，既是火山學(xué)研究事業(yè)發(fā)展的需要，也是社會(huì)和諧發(fā)展的需求，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)火山災(zāi)害學(xué)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用給社會(huì)公眾提供安全保障，均具有重要的意義。

火山災(zāi)害類型

火山噴發(fā)是地殼運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式，也是地球內(nèi)部能量在地表釋放過(guò)程的體現(xiàn)。在火山噴發(fā)過(guò)程中地球內(nèi)部物質(zhì)快速猛烈地以巖漿形式噴出地表，形成以火山碎屑流和火山熔巖流為代表的火山噴發(fā)物（見圖1），并由此引發(fā)的泥石流、山崩、地震、海嘯等，都會(huì)產(chǎn)生對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重?fù)p害的自然災(zāi)害。

火山空降碎屑災(zāi)害

在爆炸式火山噴發(fā)時(shí)，炙熱的火山氣體和火山碎屑（包括火山灰和較大的火山巖碎塊）混合物快速?gòu)幕鹕娇趪娚淙氪髿庵?。這些混合物的密度一般小于空氣，所以會(huì)一直上升到大氣層，直到不受浮力影響。例如，1980年5月18日圣海倫斯火山在三十分鐘內(nèi)噴發(fā)柱高度達(dá)到了25千米。當(dāng)保持火山碎屑懸浮的能量消失時(shí)，顆粒開始在重力作用下下降。較大的顆粒降落在離火山口較近處，細(xì)小的顆粒作為一個(gè)較大的云團(tuán)在風(fēng)的作用下飄移，最終降落到地表，形成一個(gè)毯子形狀的火山灰沉積層。一般距離火山口越遠(yuǎn)，火山碎屑的顆粒越小。較大的火山噴發(fā)可在火山口附近產(chǎn)生幾米厚的火山碎屑沉積層，并且火山碎屑的直徑可以達(dá)到幾十厘米甚至更大，在順風(fēng)方向幾百千米處的火山碎屑沉積厚度也會(huì)達(dá)到幾個(gè)厘米。

火山空降碎屑的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）大塊的火山碎屑以彈道式從火口拋射出或是在噴發(fā)柱的底部降落下來(lái)，將造成建筑物及房屋的破壞和人畜的嚴(yán)重傷害（見圖2），其產(chǎn)生的影響僅限于火口附近幾千米內(nèi)。（2）空降碎屑產(chǎn)生的主要災(zāi)害是在遠(yuǎn)離火口處，碎屑的載荷導(dǎo)致建筑物的坍塌（見圖3）。當(dāng)火山碎屑產(chǎn)生的載荷超過(guò)200千克/平方米（相當(dāng)于未壓實(shí)的10厘米玄武質(zhì)碎屑）時(shí)，一些建筑物的屋頂會(huì)被壓塌。當(dāng)載荷超過(guò)700千克/平方米時(shí)，幾乎所有的房屋都會(huì)被壓塌。尤其是當(dāng)火山灰為濕的時(shí)候，其產(chǎn)生的載荷是同厚度的干火山灰的1.5倍。（3）在更大范圍內(nèi)，火山碎屑空降物超過(guò)10千克/平方米（碎屑厚度約1厘米）時(shí)將會(huì)嚴(yán)重破壞已有耕地，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。例如，在1815年印度尼西亞的坦博拉火山（Tambora）爆發(fā)后的火山碎屑沉積，導(dǎo)致幾個(gè)島嶼上的大米和玉米嚴(yán)重歉收（見圖4），這使得大約80000人陷于饑荒?；鹕剿樾歼€會(huì)破壞電力和通信設(shè)備，即使是很薄的沉積（＜2厘米）也會(huì)有一些關(guān)鍵設(shè)施，例如醫(yī)院、發(fā)電廠、水站、水渠和表面排水系統(tǒng)，電話線，廣播和電視發(fā)射機(jī)等受到較大的影響。（4）空氣和水中懸浮的細(xì)小顆粒會(huì)進(jìn)入人的呼吸道和肺部，影響人的健康（見圖5）。它會(huì)阻塞發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)濾器和通風(fēng)口，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)引擎破壞而引發(fā)飛機(jī)相撞等災(zāi)難性事件（見圖6）。這些細(xì)小的顆粒甚至可能會(huì)引起氣候的變化。（5）攜帶在火山灰中的大量有害的氣體，如氟和氡的富集將對(duì)環(huán)境造成污染，影響人的健康。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

火山碎屑流災(zāi)害

爆炸式火山噴發(fā)柱的坍塌或者是火山口巖穹坍塌都將產(chǎn)生火山碎屑流?；鹕剿樾剂魇枪腆w到半固體顆粒和熱膨脹氣體的混合物，沿著火山側(cè)翼向下流動(dòng)（見圖7）。由于比空氣重的乳狀液的運(yùn)動(dòng)很像一次雪崩，只是它們溫度非常高，而且含有毒氣，像颶風(fēng)一樣的速度，可超過(guò)每小時(shí)100千米，高速運(yùn)動(dòng)的火山碎屑流是所有火山現(xiàn)象中最致命的火山災(zāi)難。運(yùn)動(dòng)著的火山碎屑流根據(jù)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同可分為頭部、主體和尾部三部分。三個(gè)部分具有不同的流體化狀態(tài)，從而控制著火山碎屑流堆積物的分層與分相。在火山碎屑流頭部的流體化程度最強(qiáng)，侵蝕作用最明顯?；鹕剿樾剂鞯臑?zāi)害包括浮巖流的高速?zèng)_撞作用、高溫灼燒作用、掩埋淤積作用等，其分布很大程度上受地形的控制。由于噴發(fā)時(shí)碎屑物通常都保持著幾百攝氏度的高溫狀態(tài)，加上快速的流動(dòng)將使沿途所有生物難以逃脫災(zāi)難性后果。1980年5月18日美國(guó)圣海倫斯火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山碎屑流，沿途摧毀了近600平方千米范圍內(nèi)的原始森林和一切生物，直徑6英尺（約1.8米）的樹木以每小時(shí)近百千米的速度被移動(dòng)到了距離火山口24千米遠(yuǎn)的地方?；鹕剿樾剂魇潜ㄊ交鹕絿姲l(fā)的主要產(chǎn)物，全球平均每百年約發(fā)生40起，由于火山碎屑流的速度快，避離困難，橫掃一切，破壞力大，加之溫度高易發(fā)生重大火災(zāi)，所以它是火山噴發(fā)災(zāi)害嚴(yán)重的致災(zāi)因素。在長(zhǎng)白山天池火山，火山碎屑流的堆積物也十分發(fā)育，分布半徑為40～60千米，最大厚度100米左右，見于鴨綠江上游峽谷兩岸，二道白河上游地下森林一帶，如此廣大的分布范圍，其未來(lái)噴發(fā)可能引起的火山碎屑流災(zāi)害不可忽視。

火山熔巖流災(zāi)害

熔巖流是指從火山口噴溢流出的熔巖，特點(diǎn)是很少發(fā)生爆炸，常常從山頂火山口和山腰裂隙溢出相當(dāng)多數(shù)量的玄武質(zhì)熔巖流，巖漿黏度小，流動(dòng)性大，溫度高，表現(xiàn)為比較安靜的溢流，氣體釋放量可多可少。由于噴發(fā)時(shí)巖漿受到較大的靜壓力以及氣泡的膨脹作用，當(dāng)其到達(dá)地表時(shí)，形成熔巖噴泉，被逸出氣體推動(dòng)的熔巖噴泉可達(dá)300米或更高，被噴出的多是玄武質(zhì)熔巖，也可以是安山質(zhì)熔巖，也有少量的火山渣和火山灰。

熔巖流的災(zāi)害分布范圍視地形坡度及巖漿的物性而異，主要限于火山錐體部分和熔巖流溢流區(qū)范圍內(nèi)，有的呈狹長(zhǎng)的帶狀，有的呈寬闊、平緩的舌狀。噴出的熔巖的溫度按其組分和氣體量而不同，多介于900～1200℃。當(dāng)熔巖中的氣體含量多時(shí)，冷卻到700℃之前均可流動(dòng)?；匀蹘r黏性低，流動(dòng)性大，流速取決于坡度，最高可達(dá)45～65千米/小時(shí)，一般為15千米/小時(shí)。酸性熔巖黏滯，流動(dòng)不遠(yuǎn)，甚至壅塞于火山口內(nèi)。當(dāng)熔巖冷卻和凝結(jié)或氣體排盡和成泡沫狀時(shí)，它的黏度增加，運(yùn)動(dòng)更加滯緩。

熔巖流在大多數(shù)情況下因其流速較緩而使人們有一定時(shí)間來(lái)遠(yuǎn)離它們。但熔巖流會(huì)摧毀沿途設(shè)施并引起火災(zāi)，毀壞農(nóng)田村莊，對(duì)經(jīng)過(guò)的建筑及設(shè)備等資產(chǎn)，通常造成不可挽回的損失。如1783年冰島拉基火山噴發(fā)，巖漿沿著16千米長(zhǎng)的裂隙噴出，淹沒了周圍的村莊，覆蓋面積達(dá)565平方千米，造成冰島人口減少1/5，家畜死亡一半。

相對(duì)爆炸式噴發(fā)來(lái)說(shuō)，熔巖流由于流動(dòng)速度較慢，給了人們足夠的反應(yīng)時(shí)間，因而對(duì)人員的傷亡危害性較小。但是，由于噴發(fā)過(guò)程中往往產(chǎn)生巨大體積的熔巖流，對(duì)于環(huán)境的破壞力是難以抵御的，如位于美國(guó)夏威夷島的Kalapana鎮(zhèn)，在1990年的火山噴發(fā)中被埋在了數(shù)米深的熔巖流之下，整個(gè)城鎮(zhèn)在一個(gè)月內(nèi)幾乎完全消失（見圖8）。我國(guó)黑龍江省的鏡泊湖火山群地區(qū)發(fā)育有大量的全新世玄武巖熔巖流，自海拔900多米的火山口流出，順溝谷而下，流程達(dá)60多千米，對(duì)于沿途的破壞力是毀滅性的。

其他火山災(zāi)害

火山噴發(fā)引起的其他災(zāi)害包括火山泥石流、山崩、海嘯、火山地震等。

火山泥石流是火山噴發(fā)物與水體混合（雨水、雪水及冰的融化）而形成的大體積快速流動(dòng)的高密度流體，以及松散火山碎屑物被雨水沖刷、多次搬運(yùn)的火山泥石流。火山泥石流災(zāi)害主要限于河谷低洼地帶，快速大體積淤積的火山泥石流堆積物會(huì)使河床改道，堤壩淤積和破壞，造成一系列災(zāi)難性后果?；鹕侥嗍魇亲钪饕幕鹕酱紊鸀?zāi)害，泥石流災(zāi)害既可能發(fā)生在火山噴發(fā)過(guò)程中，也可能發(fā)生在火山噴發(fā)停止之后。

火山噴發(fā)時(shí)亦可造成火山錐體部分崩塌而形成山崩災(zāi)害，如1888 年日本磐梯山火山活動(dòng)，使小磐梯山北部崩塌，約有12立方千米的巖石沿北麓流下，奪去461 人的生命。崩落的巖塊堵住了山川，因而出現(xiàn)檜原新的湖泊。

在近海地區(qū)發(fā)生火山噴發(fā)時(shí)，由于崩塌物落入海中，海水受堵塞而可能引起海嘯。歷史上最大的海嘯災(zāi)害發(fā)生在1883 年印度尼西亞的克拉卡托火山噴發(fā)時(shí)，海嘯襲擊了蘇門答臘和爪哇沿海海岸，海岸波浪高達(dá)35 米， 36417人在這次海嘯中喪生。

圖8 熔巖流掩埋Kalapana鎮(zhèn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程

火山噴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警

火山噴發(fā)預(yù)測(cè)預(yù)警是減輕和防御火山災(zāi)害的基礎(chǔ)?；鹕奖O(jiān)測(cè)是通過(guò)各種觀察和觀測(cè)手段，來(lái)監(jiān)視和檢測(cè)地下巖漿的動(dòng)態(tài)變化，查明異?，F(xiàn)象，捕捉火山噴發(fā)前兆，為火山噴發(fā)預(yù)報(bào)與研究提供科學(xué)依據(jù)?；鹕筋A(yù)警則是政府和主管部門對(duì)火山預(yù)報(bào)意見的決策和采取的處理原則及方式方法，主要包括火山噴發(fā)預(yù)報(bào)意見的科學(xué)評(píng)審與確定以及預(yù)報(bào)的發(fā)布與對(duì)策。

在火山臨噴發(fā)前將會(huì)出現(xiàn)諸如地震活動(dòng)性、地形變、重力、流體的地球化學(xué)性質(zhì)變化等火山噴發(fā)前兆現(xiàn)象，而在平靜期或休眠期，往往只有背景性的變化，或者零星的、偶發(fā)的前兆異常。（1）地震前兆：隨著巖漿的聚集，水平引張應(yīng)力逐漸增大，引發(fā)高頻震群；當(dāng)巖漿進(jìn)一步上升時(shí)，巖漿與水的活動(dòng)引起低頻（長(zhǎng)周期）地震；在臨噴發(fā)前，由于流體（水、巖漿、出溶的揮發(fā)物）的囊泡化現(xiàn)象發(fā)生火山顫動(dòng)。（2）形變前兆：火山活動(dòng)前，巖漿積累引起地面隆起，當(dāng)巖漿壓力足以克服地表巖石強(qiáng)度時(shí)破裂而巖漿溢出；在火山噴發(fā)時(shí)地傾斜的振幅與巖漿供應(yīng)量、巖漿噴發(fā)量有關(guān)。（3）火山氣體地球化學(xué)前兆：根據(jù)火山區(qū)氣體地球化學(xué)觀測(cè)，可以推測(cè)火山區(qū)流體的來(lái)源和巖漿活動(dòng)狀態(tài)。

火山噴發(fā)災(zāi)害應(yīng)急過(guò)程示意圖

表1 火山噴發(fā)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)（洪漢凈，2003）

火山噴發(fā)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是火山活動(dòng)趨勢(shì)判定和火山預(yù)警的基礎(chǔ)。由于火山活動(dòng)及其災(zāi)害具有千變?nèi)f化的表現(xiàn)形式，不同的國(guó)家火山噴發(fā)的危險(xiǎn)性等級(jí)、活動(dòng)分類形式與內(nèi)容往往并不相同。我國(guó)大陸內(nèi)部活動(dòng)火山主要與板內(nèi)熱點(diǎn)和引張構(gòu)造有關(guān)，或間接與板塊碰撞、俯沖作用有關(guān)。我國(guó)大陸火山活動(dòng)具有巖漿補(bǔ)給速率小、火山間距大，活動(dòng)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。不少活動(dòng)火山都具有火山噴發(fā)有利的構(gòu)造環(huán)境，地殼內(nèi)存在巖漿囊，巖石圈較薄弱，仍然有再噴發(fā)的危險(xiǎn)。另一方面已經(jīng)幾百年沒有經(jīng)歷過(guò)噴發(fā)災(zāi)害，相當(dāng)多的火山處在活動(dòng)周期的前期。為了更好地進(jìn)行火山噴發(fā)危險(xiǎn)性等級(jí)劃分，為了火山監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)規(guī)劃中對(duì)不同危險(xiǎn)性的火山區(qū)別對(duì)待，為了火山預(yù)警和應(yīng)急的需要，參考國(guó)外等級(jí)分類，確定了我國(guó)火山噴發(fā)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)方案（見表1）。

火山預(yù)警的發(fā)布是一項(xiàng)綜合性決策，既要考慮其科學(xué)依據(jù)是否充分，還要考慮它可能造成的社會(huì)影響。所以，經(jīng)過(guò)科學(xué)評(píng)審后所確定的預(yù)報(bào)意見向社會(huì)發(fā)布與否，已不再是單純的科學(xué)技術(shù)問題，而是要由政府來(lái)做決策的社會(huì)問題。從減災(zāi)意義來(lái)說(shuō)，對(duì)長(zhǎng)期火山監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)工作對(duì)策應(yīng)采取以下幾個(gè)步驟：評(píng)價(jià)未來(lái)火山噴發(fā)的潛在危險(xiǎn)；制訂長(zhǎng)期土地利用計(jì)劃；評(píng)估火山的風(fēng)險(xiǎn)，制訂有關(guān)火山活動(dòng)征兆或當(dāng)火山噴發(fā)時(shí)的應(yīng)急預(yù)案，并監(jiān)視火山活動(dòng)狀態(tài)以便監(jiān)測(cè)火山噴發(fā)的起始狀態(tài)和噴發(fā)過(guò)程；設(shè)計(jì)保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全措施以及應(yīng)急所需的工具。其中，當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)確定后，采取限制土地利用和開發(fā)的區(qū)劃方法，是簡(jiǎn)單且有效的減災(zāi)措施。