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科研进展
汤加海底火山喷发:来自西太平洋地球深部的信息
来源:海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室     2022-01-22 21:08:05
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北京时间2022年1月15日中午12点10分前后,南太平洋岛国汤加(Tonga)的洪阿×哈阿帕伊岛(Hunga Ha’apai,位于南纬20.536°,西经175.382°)附近发生了一次猛烈的火山喷发(图1),初步判断喷发强度达到火山喷发指数5级以上,与公元79年形成庞贝古城的维苏威火山相当,略低于1991年菲律宾皮纳图博火山(6级)。此次汤加火山喷发对南半球的新西兰、澳大利亚和南美洲农业、渔业和旅游业都将造成不利影响,其潜在的环境影响程度取决于火山灰的总量和二氧化硫等气体喷发量。从目前的观测数据看,此次火山喷发释放到大气中的二氧化硫仅为40万吨。海洋试点国家实验室模拟计算显示,二氧化硫对全球气温的影响微乎其微。

图1 汤加洪阿×哈阿帕伊火山喷发形成了巨大的火山灰云(由himawari8卫星观测得到)


1. 此次汤加火山喷发规模多大?
汤加洪阿×哈阿帕伊岛火山喷发将约5立方千米的火山灰喷到大气中,大量火山灰可以喷射到超过20千米的高空,形成了一个直径约500-600千米的火山灰柱,进入平流层。在火山灰向西漂移的过程中,部分火山灰达到约31千米高空,在39千米高空也检测到少量火山物质。从喷发量来看,汤加火山与菲律宾皮纳图博火山非常接近。但是,皮纳图博火山灰大量喷发到了40千米的高空,高于汤加火山的喷发高度。究其原因是汤加火山是水下喷发。
澳大利亚国立大学著名学者Richard Arculus认为汤加火山喷发释放的能量超过1000颗广岛原子弹。广岛原子弹为1.2-1.5万吨TNT当量,即此次汤加火山喷发的能量约为1500万吨TNT当量。
汤加火山喷发形成的火山灰蘑菇云的直径约为“沙皇”氢弹爆炸产生的蘑菇云的3倍(图2)。“沙皇”氢弹是人类制造、引爆的当量最大的核武器,有5000万吨TNT当量,在离地4公里的高度引爆,周围1000平方公里的人们都能看到和感受到,连斯堪的纳维亚半岛当地的玻璃都被震碎。
显然,蘑菇云的直径不能直接转换为能量。氢弹爆炸的能量密度远高于火山灰和烟尘。而且火山喷发过程中,大量的能量消耗从地球深部冲破地壳和海水的阻碍。此外,火山喷发的火山灰蘑菇云在喷发后会不断扩张,这种比较也没有准确的科学意义。

图2 汤加火山喷发形成的火山灰蘑菇云与“沙皇”氢弹爆炸形成的蘑菇云对照

也有人将此次汤加火山喷发所形成的火山灰蘑菇云与法国进行对比(图3),其面积接近法国面积的一半。

值得指出的是,水下喷发的火山灰蘑菇云不论是高度还是范围都要远远小于地表喷发的火山。

图3 汤加火山喷发形成的火山灰蘑菇云与法国面积对比


2. 为什么汤加会发生如此大的火山喷发?

 汤加位于西太平洋俯冲带的汤加—克马德克俯冲带上,是环太平洋俯冲带的重要组成部分。环太平洋俯冲带存在大量的火山活动,被称为“火环”(图4)。其中尤以西太平洋和印度尼西亚东部火山活动最为频繁。沿汤加—克马德克俯冲带(图4),太平洋板块下插到澳大利亚-新西兰板块之下,板块俯冲把水、沉积物和大洋板片带入地幔,诱发岩浆活动(图5),形成一个约3000千米长的火山岛链。该火山带上的岩浆富含水蒸气、二氧化硫等挥发分,往往形成强烈的火山喷发现象。



图4 环太平洋火山带(上图)。其中西太平洋俯冲带有水下喷发火山,火山喷发对海洋环流的影响较大。汤加洪阿×哈阿帕伊火山位于西太平洋汤加-克马德克俯冲带上(下图)。图中紫色的区域为海沟位置。

图5 汤加火山作为环太平洋火山带的一员,其形成受控于板块俯冲。板块俯冲将水、沉积物和蚀变洋壳带入地幔深部,形成富含挥发分的岛弧火山岩浆,出现爆炸式喷发。


3. 汤加火山喷发的影响多大?

图6 汤加洪阿×哈阿帕伊火山喷发前后的卫星图像(来自Sentinel-1卫星数据)

此次汤加火山喷发属于海底火山喷发,其喷发中心位于洪阿×哈阿帕伊岛(Hunga Ha’apai)和洪阿×汤加岛(Hunga Tonga)附近(图5、6)。该处的火山是目前全球最活跃的活火山之一。此前2009年、2014年、2015年、2019年和2021年,该火山曾发生多次喷发。上次喷发发生在2022年1月14日,规模为2021年12月22日喷发的数倍。仅仅一天之后,2022年1月15日的大规模喷发,喷发量较前一日又增加了数倍。巨大的喷发导致周围岛屿被破坏,其主体喷发发生在海底。如此频繁的喷发,说明该火山深部可能存在较大的岩浆房,未来几年可能有更大规模的喷发。

海底火山爆炸式喷发产生强烈的冲击波,可以引发海啸,同时可能导致了老火山口的崩塌和海底滑坡,也会进一步引起海啸。此前美国、日本等多国发布了海啸预警。2022年1月14日的火山喷发在汤加首都努库阿洛法(Nuku''''alofa)产生了30厘米的海啸。2022年1月15日的喷发,在汤加引发了约1.2米的海啸。新西兰、澳大利亚和万里之遥的日本、美国西海岸等地都观测到了明显的海啸波。

图7 汤加火山喷发释放了约40万吨的二氧化硫。卫星资料显示汤加火山目前影响范围已经到达澳大利亚西北,由Sentinel 5卫星观测得到(上图)。火山灰扩散模式(下图)。从现有资料看,汤加火山灰和二氧化硫主要受南半球低纬度信风带影响,向西扩散。著名的大堡礁无疑将受到严重影响。

由于海水的影响,此次为海底火山喷发,其释放的火山灰和有毒气体比同等当量的地表喷发火山(如皮纳图博火山)大幅度减少,火山灰的喷发高度也会大幅度下降。

火山灰喷发高度是影响火山喷发致灾强度的一个重要的因素。喷发到平流层的火山灰和二氧化硫会破坏臭氧层、形成气溶胶,阻挡阳光照射到地表。大规模火山喷发会导致全球变冷,形成“火山冬天”。
汤加位于南纬20度的热带地区,其平流层高度在15千米到50千米之间。显然,此次汤加火山喷发会将部分火山灰和二氧化硫等有毒气体喷发到平流层。但是主要的火山灰在平流层以下,受南半球低纬度信风带的影响。
此次汤加火山喷发等级接近1991年菲律宾皮纳图博火山,但是由于是海底喷发,火山灰喷发的高度最高达到为约30千米,远低于后者的40千米。与此同时,由于海水压力的作用,海底喷发的火山气体中二氧化硫的含量会大幅度下降。目前观测数据显示,整个南半球最近火山喷发的二氧化硫只有40万吨(图7),而1991年皮纳图博火山喷发释放的二氧化硫约为2000万吨。因此,目前看来,汤加火山喷发所造成的气候影响会远小于后者。
1991年菲律宾皮纳图博火山喷发曾导致全球降温约0.5度,此次汤加火山喷发究竟会对气候产生多大的影响,还需要进一步监测、评估。可以肯定的是,其影响远小于1991年的皮纳图博火山喷发。
汤加火山位于南纬20.5度,离南极比皮纳图博火山近3000千米,火山灰对南极的影响有可能超过1991年菲律宾皮纳图博火山。

这次汤加海底火山爆发,喷发高度较低、二氧化硫排放量较小,但是喷发释放的火山灰,通常处于热力学活跃状态,反应性极高,可以迅速改变海域内生物地球化学过程,并在沉积物内留有明显可测的变化信号。因此,受汤加火山喷发的海域在未来一段时间内很可能面临如下几个变化:(1)火山灰提供大量痕量元素,导致表层海水内初级生产激增;(2)有机碳沉降量增加,沉积物内有机碳含量提高;(3) 沉积物内金属氧化物富集,同时提高金属氧化物和有机碳两者埋藏效率;(4)火山灰蚀变(溶解),可显著促进碳酸钙生成和沉积,可能成为沉积物内重要碳汇。但这些过程效率及碳沉积通量,与沉积环境、火山灰自身特点、海水和沉积物地质和地球化学条件等,都有直接关系,需要更进一步的观测和评估。


4. 人类历史上灾难性的火山喷发


图8 汤加火山与近200年来著名的火山喷发对比图

地球历史上曾发生过很多次大规模的火山喷发。其中影响最大的应属西伯利亚大火成岩省。喷发的火山灰总量超过此次汤加火山喷发量的1百万倍。导致地球上超过80%的物种灭绝,是地球历史上最严重的生物大灭绝事件。

人类历史记载的最大火山喷发是印度尼西亚的坦博拉火山(图8)。1815年,印度尼西亚地区坦博拉火山的喷发达到了火山喷发指数的7级,形成了直径7千米的火山口,喷发出的火山灰总量达到100立方千米,约为此次汤加火山喷发量的20倍。剧烈的喷发将大量火山灰和二氧化硫送入平流层,阻挡太阳辐射,引起近地面温度降低。平流层以下的火山灰随东南信风,影响我国海南、云南和西藏等地,导致了降温和灾害性大雪,部分地区树木被冻死,粮食绝产,引发灾荒。美国新英格兰和加拿大在1816年6月飞雪,全年每个月都有霜冻记录,出现了“无夏之年”。坦博拉火山所引发的饥荒和疾病造成了超过8万人死亡,是人类历史上造成死亡最多的一次火山喷发。
海底火山喷发往往会引发海啸。其中,1883年印尼Krakatau海底火山喷发, 喷发量达到18立方千米,形成了很大海啸,死亡人数是3.5万。
另一个著名的灾害性火山喷发是公元79年喷发的维苏威火山喷发(图9)。该火山喷发了约5立方千米的火山灰,但是造成了超过1.5万人死亡,形成著名的庞贝古城。维苏威火山是一座典型的活火山,历史上多次喷发。

   

图9 意大利的维苏威火山。距离那不勒斯11千米。

图10 庞贝古城人类遗骸化石

庞贝城就是在远古时期维苏威火山一次爆发后变硬的熔岩基础上建成的,距维苏威火山口8公里。著名的地理学家斯特拉波(公元前63年-公元23年)断定它是一座死火山,当时的人们完全相信他的这一论断,在维斯威火山半山腰建立了庞贝古城,享受其独特的温泉和风景。公元79年8月24日这一天,维苏威火山突然爆发,厚约5-6米的火山灰将庞贝及其居民整体变成了化石(图10)。

长白山是我国境内的大火山(图11)。长白山最早的喷发时间约在200-300万年前,随后在60万年、30万年、20万年、8万年等多次喷发。有记录以来,公元946年、1597年、1668年和1702年四次喷发。其中,公元946,长白山喷发非常强烈,达到6级喷发指数。火山物质顺着风直接飘到了1200公里外的日本北部。形成的火山口直径约4.5公里、深约1公里,即今天的长白山天池。

图11 长白山天池


5. 认识地球深部运转规律是后板块理论时代的重大前沿挑战 

火山喷发是地球内部运动的产物。海底火山喷发是所有火山喷发中研究程度最低的喷发方式。西太平洋是全球最主要爆发式的海底火山喷发区。这些火山活动多与板块俯冲密切相关。大规模海底火山喷发,对海洋和大气产生重大影响。这些均是正在执行的基金委重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”的重点研究内容。该重大研究计划由吴立新院士为专家组组长,汇集了我国海洋与固体地球科学一大批优秀科学家,相信会在相关问题上取得重要突破。  “地球内部是如何运行”一直是困扰科学家的难题,是Science创刊125周年时提出的125个科学问题之一。大洋钻探是了解地球内部运动的重要途径,长期由美国和西方国家主导。目前国际大洋发现计划(IODP)计划经费只安排到2023年。由于疫情影响,一些航次被取消,实际执行可能推后到2024年9月。此后大洋钻探何去何从尚为未可知。我国应抢抓机遇,积极探索海底深部钻探新技术、新方法、新装备,培育可能的一些颠覆性技术,深海与深地研究协同推进,为发展新的动力地球理论,保障战略性矿产资源与能源安全、防灾减灾做出贡献。


小知识

火山分级:

火山爆发指数(Volcanic Explosivity Index,简称VEI)是美国地调局C. Newhall博士和夏威夷S. Self博士1982年提出火山爆发级别分类方法,以喷出物体积、火山云和定性观测用来量度火山爆发的强烈程度。以历史上最大型的火山爆发强度为8级,而非爆炸性喷发强度为0级,指数每增1级表示火山爆发威力大10倍。此分类指标有一个致命的弱点:对地球历史上最大的火山喷发认识不足。

火山类型:

根据构造位置不同,地球上存在三种主要的火山活动类型,分别为:洋中脊型火山、地幔柱型火山和俯冲带型火山。

洋中脊型火山均为海底火山,每年喷发量约有20立方千米,分布在全球近6万千米的扩张洋脊上。主要为亏损型玄武岩,缺少挥发组分。其喷发机会全部是熔岩,寂静无声,不被察觉。对人类社会乃至环境的影响很小。

地幔柱型火山主要分为两类,一类是地幔柱头喷发,形成大火成岩省;另一类则是地幔柱尾的喷发,代表性产物是大洋中广泛分布的岛链、海山链。地幔柱头喷发比较少见,平均数百万年、乃至数千万年喷发一次。但是每一次喷发都会对全球环境造成巨大的影响。其中,2.52亿年前喷发的西伯利亚大火成岩省,喷发量超过汤加喷发的100万倍,导致了地球历史上最大规模的生命灭绝,超过80%的物种消亡;有观点认为,6.7千万年前,恐龙灭绝也与印度德干大火成岩省喷发有关。目前,地幔柱相关的火山喷发主要与地幔柱尾相关,平均每年喷发量约为2立方千米,最典型的是夏威夷和冰岛。喷发也以熔岩为主,地幔柱火山岩的挥发分超过洋中脊玄武岩,对环境的影响也远大于洋中脊玄武岩。

俯冲带型火山是板块俯冲的产物,平均每年形成约1-3立方千米的俯冲带岩浆岩。板块俯冲将大量的水、二氧化碳等挥发分带到地球深部,形成富含挥发分的岩浆。因此,俯冲带火山岩通常是爆炸式剧烈喷发。人类历史上最大的灾害性的火山喷发主要来自俯冲带。


作者:孙卫东、田凡凡、谢国治、王鲲、王宏、孙晓乐

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