1980年圣海倫斯火山爆發(fā)對之后30年火山學(xué)研究的啟示*

James W Vallance，Cynthia A Gardner，William E Scott，Richard M Iverson and Thomas C Pierson
（David A.Johnston Cascades Volcano Observatory，USGS，Vancouver，Wash.，USA）

1980年5月18日，圣海倫斯火山發(fā)生了一次大規(guī)模噴發(fā)，這一事件令科學(xué)家和大眾驚嘆不已。巨大的山體滑坡、氣浪以及隨之而來的柱狀噴發(fā)（高達25 km，持續(xù)時間長達9 hr）等影像記錄震驚全世界，同時也激起了人們對此次火山噴發(fā)事件研究的興趣（圖1）。

圣海倫斯火山噴發(fā)至今仍是一個很重要的歷史事件 對這次噴發(fā)及其后果的研究徹底改變了科學(xué)家對火山學(xué)這一領(lǐng)域的研究方式。此次噴發(fā)不僅場面壯觀，而且因其發(fā)生在白天，人們可以利用數(shù)碼技術(shù)手段記錄信息，這些記錄也成為科學(xué)研究的資料來源?；鹕奖l(fā)造成了人員死亡，對下游和下風(fēng)方向的人員和基礎(chǔ)設(shè)施造成了嚴重的影響，因此，科學(xué)家意識到必須對此次火山噴發(fā)事件進行深入研究，并與全社會一道共同努力，減輕未來火山爆發(fā)產(chǎn)生的影響。

圖1 1980年5月18日下午圣海倫斯火山的北側(cè)影像。

1 1980年火山爆發(fā)之前

在關(guān)注這次噴發(fā)事件給火山學(xué)帶來的新的理念之前，有必要回顧一下30年前火山學(xué)的研究狀況。1980年美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）對活火山的研究主要集中在夏威夷島——事實上，夏威夷島也是美國唯一的一個火山觀測點，因此研究的重點很自然地聚焦在對玄武巖火山活動的研究上。極少數(shù)的美國大學(xué)在火山學(xué)領(lǐng)域有綜合性的教學(xué)與研究項目。隸屬于華盛頓大學(xué)的太平洋西北地區(qū)地震臺網(wǎng)（PNSN）在1969年布設(shè)了第一批地震儀，用于研究區(qū)域地震，之后又于1972年在圣海倫斯火山側(cè)翼的上部布設(shè)了地震儀［1］。我們現(xiàn)在雖然擁有大量的技術(shù)和資料，比如手機、筆記本電腦、全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器、數(shù)碼相機、衛(wèi)星通訊以及連續(xù)的實時地震波形和大地測量數(shù)據(jù)等，但當時這些東西一概沒有。有科學(xué)家對包括圣海倫斯山在內(nèi)的喀斯喀特山脈（Cascades）的火山進行過研究，他們依據(jù)由火成碎屑流、火山灰和火山泥流等形成的碎屑沉積物的形態(tài)特征，推測火山歷史以及未來可能發(fā)生的火山活動，但當時這個領(lǐng)域才發(fā)展不到20年，而且只有少數(shù)幾個地質(zhì)學(xué)家在進行這方面的研究。

太平洋西北地區(qū)的居民很少有人知道自己生活在隨時有可能噴發(fā)的火山附近，而且絕大多數(shù)人不知道圣海倫斯火山曾于1857年爆發(fā)。地層學(xué)證據(jù)顯示圣海倫斯火山噴發(fā)頻繁，間歇期約幾百年甚至更短，據(jù)此，USGS在1978年發(fā)表的火山危險性評估中預(yù)言［2］，圣海倫斯火山可能會在100年內(nèi)噴發(fā)，甚至可能就在20世紀末之前噴發(fā)。1979年夏天，正在對此火山進行研究的地質(zhì)學(xué)家還只能猜測他們是否會看到火山噴發(fā)。

2 1980年火山爆發(fā)

圣海倫斯火山突然間異?；钴S，1980年3月底發(fā)生的地震預(yù)示著沉寂了123年的圣海倫斯火山開始蘇醒。一周時間內(nèi)，大量的水汽和火山灰噴涌而出，形成了山頂火山口。時常發(fā)生的震級達M 4.7的地震使火山劇烈震動。淺部巖漿入侵使火山北翼以每天1.5 m的速度向外凸起。來自USGS、太平洋西北地區(qū)地震臺網(wǎng)以及許多所大學(xué)的科學(xué)家聚集在圣海倫斯火山，他們當中只有極少數(shù)人對這座火山有很深入的了解。研究人員匆匆于晚冬時節(jié)在圣海倫斯火山地區(qū)布設(shè)新的儀器以獲取數(shù)據(jù)并進行解釋，此時，他們面臨的最大挑戰(zhàn)就是對未來可能發(fā)生的火山活動提供短期預(yù)報。美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局是這個項目的重要合作伙伴，他們?yōu)檠芯咳藛T提供了辦公場所和后勤支援。這一機構(gòu)曾經(jīng)協(xié)調(diào)處理過嚴重的森林火災(zāi)事故，但從未處理過火山噴發(fā)事件。當時的危機反應(yīng)成為國際國內(nèi)媒體關(guān)注的焦點，這對科學(xué)家而言是一項新的挑戰(zhàn)，所以他們只能在實踐中學(xué)習(xí)。

5月18日上午發(fā)生的災(zāi)難性火山噴發(fā)是美國歷史上經(jīng)濟損失最為嚴重的一次破壞性火山事件。2.8 km3的山體滑坡導(dǎo)致火山頂峰降低了400 m。淺層氣態(tài)巖漿的突然減壓使氣浪以每小時500 km的速度向北噴涌，在3分鐘時間內(nèi)推倒或燒毀了625 km3的森林。15分鐘內(nèi)，垂直的火山灰柱升至25 km的高度。當日下午，密集的火山灰云中有幾公分厚的灰塵突然降落在華盛頓東部地區(qū)，處于下風(fēng)方向的城市上空天色漆黑，人們不得不亮起燈光?；鹕交矣鹬挥昧?天時間就橫掃整個美國，環(huán)繞地球一周也僅用了15天?；鹕侥嗔魇垢浇暮恿鞒錆M了泥漿和碎屑，27座橋梁和200棟房屋被摧毀或損壞。在上游港口，船運航線上火山泥流沉積物的堆積造成31艘船只擱淺。俄勒岡州波特蘭以及華盛頓州溫哥華等港口都停運一周。

晴朗的天氣使科學(xué)家和公眾能夠清晰地看到山體滑坡、氣浪、噴發(fā)柱、火成碎屑流以及火山泥流等景象。對于此次火山爆發(fā)，事先曾有許多很好的預(yù)測，但對于山體滑坡的規(guī)模以及爆炸造成的朝北方向180°的弧形大破壞卻沒有預(yù)告出來。因次生效應(yīng)引發(fā)的問題也是令人驚訝的，比如火山灰飄移對相距很遠社區(qū)的經(jīng)濟造成的影響以及大量火山泥流的堆積物注入哥倫比亞河的航道對正常航運造成的影響。

由于此次火山噴發(fā)造成了嚴重的破壞，所以科技界加大了科學(xué)研究和災(zāi)害評估的力度。5月25日至10月18日發(fā)生的5次小規(guī)模爆發(fā)使火山灰向不同方向飄散，有些飄向大城市地區(qū)，包括俄勒岡州波特蘭市和華盛頓州首府奧林匹亞?？茖W(xué)家利用大量的資料和先進的技術(shù)手段對5月18日的火山爆發(fā)以及隨后發(fā)生的較小規(guī)模的爆發(fā)序列進行了詳盡的研究，這是以往任何一次都無法比擬的。

3 早期的火山灰和飛機事故

2010年4月，Eyjafjallaj?kull火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰從冰島蔓延到整個歐洲上空，造成大范圍的空中交通癱瘓。回想30年前，人們還不大了解大氣中的火山灰會對飛機造成嚴重影響，而且關(guān)于這方面的資料記載也很少，這種狀況今天聽起來簡直不可思議，好在當時的人們馬上就意識到火山灰對航空運輸?shù)奈：π浴?/p>

由于1980年5月18日圣海倫斯火山爆發(fā)時天氣晴朗，而且是在白天，所以很多飛機都成功地繞開了向東飄移的火山灰云。盡管天氣情況良好，一架噴氣式客機還是迷失了航向進入火山灰云層，造成了嚴重事故［3］。一周之后，也就是在5月25日火山爆發(fā)期間，一架C-130渦輪螺旋槳飛機在惡劣天氣情況下誤入火山灰云中，從而第一次記錄下由于吸入火山灰而引起的飛機引擎在飛行中出現(xiàn)的臨時故障。C-130在降低飛行高度后成功恢復(fù)動力并安全著陸，但引擎遭到毀壞。不過，幾乎又經(jīng)過了10年的時間，而且又經(jīng)歷了幾起飛機因遇到火山灰而發(fā)生的災(zāi)難，航空部門和負責(zé)航空運輸?shù)恼畽C構(gòu)才完全認識到火山灰對飛行器的威脅。

4 隨后十年

有關(guān)5月18日災(zāi)難性火山爆發(fā)以及隨后火山活動的最初觀測和解釋等方面的一篇專題論文在火山噴發(fā)后不到一年就發(fā)表了［4］。火山爆發(fā)的消息激起了世界各地火山學(xué)家的研究興趣和想象力。USGS隨后建立了喀斯喀特山脈火山觀測臺，這個觀測臺不僅對正在發(fā)生的圣海倫斯火山噴發(fā)進行監(jiān)測，而且還對整個太平洋西北地區(qū)和加州北部地區(qū)的火山進行災(zāi)害評估及監(jiān)測。由于此次圣海倫斯火山爆發(fā)以及1985年哥倫比亞的內(nèi)華達德魯茲（Nevado del Ruiz）火山爆發(fā)，USGS與美國國際發(fā)展署聯(lián)合開展了火山災(zāi)害援助計劃（VDAP），旨在對全世界發(fā)展中國家發(fā)生的火山危機事件做出快速反應(yīng)。1991年，菲律賓皮納圖博火山進入不平靜期，VDAP和USGS的科學(xué)家做好了積極響應(yīng)的準備。1991年6月12—15日，皮納圖博火山陣發(fā)性噴發(fā)，VDAP和USGS提供了最先進的設(shè)備和豐富的經(jīng)驗，這對于菲律賓科學(xué)家成功應(yīng)對火山噴發(fā)起到了關(guān)鍵作用。

Newhall［5］總結(jié)了1980年火山爆發(fā)的主要科學(xué)啟示：圓丘狀地形往往與火山側(cè)翼崩塌形成的沉積相關(guān)，這種情況見于加州的Shasta山和印尼的Galunggung山；淺層氣態(tài)巖漿覆蓋層的突然剝離會使其迅速減壓，導(dǎo)致毀滅性爆發(fā)，如1956年勘察加半島別濟米安納（Bezymianny）火山噴發(fā)以及1951年巴布亞新幾內(nèi)亞拉明頓（Lamington）火山噴發(fā)；火山活動停止以后，由于火山泥流和水中沉積物的運移，填積作用會影響到下游的居民區(qū)，這種情況見于1991年后的皮納圖博火山地區(qū)。1980年的火山爆發(fā)對生態(tài)學(xué)家而言也同樣具有重要意義，他們對遭到嚴重破壞地區(qū)的植被重建和移民問題進行研究，由此獲得了對遭到破壞的自然景觀進行恢復(fù)和重建的有益啟示。

最重要的一點是如何對火山事件做出快速反應(yīng)?？茖W(xué)家用簡明的語言向公眾傳播前后一致的信息并對災(zāi)害現(xiàn)象的本質(zhì)作出解釋，從而在公眾面前樹立起可信的形象。災(zāi)害事件協(xié)調(diào)員負責(zé)向政府官員提供信息，并幫助他們做出如何應(yīng)對火山爆發(fā)事件的決定，比如禁止人們進入潛在危險區(qū)或疏散潛在危險區(qū)的居民，但這些災(zāi)害事件協(xié)調(diào)員自己不做任何決定。責(zé)任的明確分工使科學(xué)家不參與政府決策，這樣他們就可以集中精力對火山活動進行監(jiān)測、解釋和預(yù)報?？茖W(xué)家明白他們需要向公眾發(fā)布及時、準確的火山活動信息并快速平息謠言［6］。

經(jīng)過6年斷斷續(xù)續(xù)的熔巖丘成長之后，1980年出現(xiàn)的圣海倫斯火山的不平靜狀態(tài)以及隨后發(fā)生的火山噴發(fā)終于在1986年10月結(jié)束［7］。熔巖丘的噴發(fā)比之前的爆發(fā)溫和許多，但穹丘熔巖的爆裂和坍塌時常會將火山灰送至飛機巡航高度，其產(chǎn)生的新的火山泥流也會不斷從火山口涌出。1989—1991年，已冷卻的熔巖丘至少發(fā)生了6次毫無預(yù)兆的噴發(fā)，并產(chǎn)生了火山灰云團以及少量的沉降物。這種持續(xù)的火山活動給科學(xué)家和大眾以這樣的啟示：火山爆發(fā)不同于其它自然災(zāi)害，它可以持續(xù)數(shù)年，其影響范圍可以波及距離火山很遠的地方，并且還能夠?qū)е潞娇者\輸癱瘓。

5 再次蘇醒

2004年至2008年期間圣海倫斯火山再次蘇醒（圖2）［8］，但這一次熔巖丘侵位的方式不同，其具體表現(xiàn)為150 m厚的Crater冰川侵位方式。Crater冰川成長于1980年代的熔巖丘及陡峭的1980年火山口壁之間。與1980年火山噴發(fā)的情況一樣，2004年9月底火山活動開始得非常迅速，一周之內(nèi)就導(dǎo)致多次噴發(fā)和顯著的局部形變。正如兩周內(nèi)（即熔巖脊柱從一個隱藏在冰川下的噴口突出時）出現(xiàn)的第一批前兆所示，這些現(xiàn)象表明淺部巖漿在上升。1980年代形成的熔巖丘南坡的火山噴口位置、地表地形以及先前的熔巖脊柱的殘留物似乎共同控制著熔巖脊柱的成長。巨厚的冰川冰的存在還不足以使熔巖脊柱改變方向或阻止其成長。

圖2 2006年9月12日圣海倫斯火山口的景象。圖中顯示出1980—1986年形成的熔巖丘、2004年10月中旬開始成長的復(fù)合熔巖丘以及發(fā)生劇烈形變的Crater冰川的狹長地帶。圖片來源：USGS；攝影：W E Scott

與1980年代火山噴發(fā)不同，2004—2008年的這次噴發(fā)是地表下不到1 km處固結(jié)的脫氣熔巖脊柱的連續(xù)噴發(fā)。熔巖脊柱的成長將冰川分成兩個狹長地帶，并使其先向東延伸數(shù)百米，再向西延伸數(shù)百米，其海拔也比原來高出100多米。盡管接近熱巖，此次噴發(fā)卻未能使冰川融化。但它確實使西部的冰川鼻以115 m/a的加速率向前移動，這個速率比噴發(fā)之前快110 m/a。這次加速不是因為基底滑移，而是因為冰川面坡度抬升和逐漸變陡。

這次火山爆發(fā)的另一個顯著特征是數(shù)月內(nèi)連續(xù)發(fā)生淺源地震（＜1 km）。由于每隔30～300 s就發(fā)生地震，人們將其戲稱為“敲鼓”。人們現(xiàn)在知道頻繁的地震活動發(fā)生于能形成熔巖丘的火山爆發(fā)過程中，但這種地震活動從未像2004—2008年圣海倫斯火山噴發(fā)過程中的地震活動一樣持續(xù)那么長時間。

2004年9月圣海倫斯火山蘇醒速度之快著實令人驚訝，因為2004年之前的4年是1986—2004年火山休眠期間地震活動最為平靜的時期?！白鲬?zhàn)式”GPS衛(wèi)星并未探測到火山側(cè)翼形變，而且位于火山北部9 km處的一個連續(xù)GPS臺站在1997年至2004年9月期間也沒有反應(yīng)。另外，也沒有蒸汽、火山氣體或其他現(xiàn)象預(yù)示著火山會再次噴發(fā)。這次火山噴發(fā)的氣體異常貧乏。經(jīng)過深入細致的巖石學(xué)研究，只發(fā)現(xiàn)極少量的巖漿補給。多數(shù)參數(shù)表明這一次火山噴發(fā)只是1980—1986年火山爆發(fā)周期的延續(xù)，與深源活動基本無關(guān)。巖石學(xué)和大地測量學(xué)模擬表明2004—2008年火山噴發(fā)應(yīng)歸因于約5 km深的巖漿源；很顯然，完全脫氣的巖漿從此深度運移至地表，但并沒有新的巖漿補給。這次火山噴發(fā)的觸發(fā)機制仍然是個謎，但是驅(qū)動和阻止巖漿噴發(fā)的力學(xué)模型顯示巖漿的壓力與摩擦力之間的平衡關(guān)系是如此微妙，因此，任何一個微小的變動都將改變火山噴發(fā)的形態(tài)特征［9］。

6 圣海倫斯火山爆發(fā)給火山學(xué)研究帶來的啟示

1980年5月18日圣海倫斯火山爆發(fā)可能是火山學(xué)研究領(lǐng)域最為關(guān)注的現(xiàn)代火山事件，對于這次事件的多角度的科學(xué)研究至今仍在繼續(xù)。20世紀80年代開展的形變與地震學(xué)研究顯示，熔巖丘噴發(fā)之前巖漿呈緩慢而穩(wěn)定的上升態(tài)勢，據(jù)此，科學(xué)家可以對大多數(shù)火山爆發(fā)進行預(yù)測［10］。這項研究也顯示了在靠近火山口的地方布設(shè)監(jiān)測儀器的必要性。利用閃石破裂［11］和細晶石結(jié)晶［12］等巖石學(xué)方面的研究可以估算出巖漿上涌的速率以及巖漿上升速率、脫氣減壓和結(jié)晶過程等對火山噴發(fā)類型的控制作用。對1980年代整個火山噴發(fā)周期中的火山氣體進行監(jiān)測，尤其是對二氧化硫的監(jiān)測，突顯了火山氣體排放對于解釋火山不平靜狀態(tài)及爆發(fā)過程的重要意義［13］。圣海倫斯火山噴發(fā)也促使科學(xué)家開始關(guān)注火山熔巖的基本流動和沉積過程，如火山泥流、巖屑崩落、火成碎屑流等，這些現(xiàn)象在弧形火山中都是最常見的，而且也是破壞性極強的災(zāi)害。此外，科學(xué)家還建立起模型，以對其動力學(xué)機制進行研究，并對危險區(qū)域進行劃分。與這次噴發(fā)相關(guān)的許多詳細記載，如火山灰飄落等，現(xiàn)在看來仍然非常寶貴，科學(xué)家可以利用這些資料建立更完善的模型，更準確地預(yù)測火山噴發(fā)的下游和下風(fēng)方向效應(yīng)。

過去的30年里，不僅圣海倫斯火山活動方式在演變，對火山活動的監(jiān)測和建模技術(shù)也在逐步改進。寬頻帶地震檢波器、基于衛(wèi)星和微波技術(shù)的遙感勘測以及功能強大的實時數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)逐步取代了費時費力的地震記錄人工分析流程。便捷的加速計和GPS定位儀如今可以安裝到被稱為“蜘蛛”的流動平臺上，由直升機將其快速運往危險地點。GPS遙測臺站可以監(jiān)測地形變，而在以前這項工作只能通過艱苦的野外勘測實現(xiàn)。另外還有一些技術(shù)創(chuàng)新對火山氣體排放速率的監(jiān)測也起到了促進作用。

在測地學(xué)方法發(fā)生重大變革的同時，包括激光雷達（光探測和測距系統(tǒng)）和攝影測量在內(nèi)的可視化和定位技術(shù)的革新，可以對整個火山噴發(fā)序列生成連續(xù)數(shù)字高程模型。除了GPS勘測外，衛(wèi)星還可用于地形變的雷達監(jiān)測、火山噴發(fā)柱的跟蹤監(jiān)測以及熱變化的探測。同時，數(shù)碼相機的廣泛使用使低成本的遠程延時攝影成為可能。

數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展有助于科學(xué)認知的規(guī)范化和災(zāi)害預(yù)測方法的規(guī)范化。盡管現(xiàn)在的模型還不夠完善，但地震學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球化學(xué)、火山灰消散以及流體動力學(xué)等模型現(xiàn)在已被普遍用作數(shù)據(jù)解釋和災(zāi)害預(yù)測的基礎(chǔ)。監(jiān)測和建模思想方法的快速融合，為今后火山學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

以往的記錄顯示，圣海倫斯火山仍將頻繁爆發(fā)，并且很有可能于本世紀再次噴發(fā)。過去的4000年里，圣海倫斯火山是喀斯喀特山脈最活躍的火山［2］，不僅如此，這里幾乎所有能看到的火山機構(gòu)都只有不到3000年的歷史。此火山機構(gòu)最近一次崩塌發(fā)生在約2500年前，之后火山反復(fù)噴發(fā)，火山機構(gòu)在數(shù)百年內(nèi)得以重建［14］。而對于1980年5月18日火山噴發(fā)時山體滑坡造成的火山機構(gòu)損失，目前只有7%的得以重建，因此，建造作用仍將繼續(xù)。

近30年里，圣海倫斯火山已成為世界聞名的研究火山過程和景觀響應(yīng)的天然試驗場。毫無疑問，下一次圣海倫斯火山噴發(fā)將再次吸引全世界的目光，并且為技術(shù)和方法的革新帶來新的機遇。

譯自：Eos，Vol.91，No.19，11 May 2010，169-170

原題：Mount St.Helens：A 30-year legacy of volcanism

（中國地震局地球物理研究所研究生 楊 婷譯；左玉玲 校）

（譯者電子信箱，楊 婷：yt＿dolphin＿sea＠163.com）

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2010-07-01。