激光技术探测火山活动及喷发物灾害

火山活动也是地球内部常见的运动形式，当地球内部岩浆与地表距离很小，而表壳覆盖层的阻力不足以阻止岩浆继续向上运动时，岩浆将喷出地表，形成各种形式的火山。火山喷发主要表现为热能的释放。

（一）火山灾害

火山给人类带来的灾难可以分为两类：一类是引起天气灾害，另外一类是火山喷发物带来的灾害。

1．火山喷发引起灾害性天气

火山喷发会引起地球气候异常，如大气温度变化和降雨量变化。火山活动后的一年至几年内，火山周围地区甚至全球将出现不同程度的降温。火山喷发也产生一系列的旱涝灾害。

1）气温变化

强烈的火山喷发会向大气圈排放大量的火山灰、水蒸气和二氧化硫等气体，尤其是二氧化硫能在平流层中形成气溶胶，并在那里停留很长时间，从而减少了太阳对地球表面的光辐射能量；此外，火山喷发产生的气溶胶会破坏平流层臭氧，从而减弱对太阳光辐射的紫外辐射的吸收，减少平流层底部的辐射加热，影响地球局地或全球气温。重大火山喷发的灰云影响太阳对地球直接辐射量的时间为2年左右，在火山喷发后1～2年很可能出现大范围的异常冷夏（秋）。

火山喷发对不同地域气候产生的影响是不同的，比如，出现降低气温的时间有差别，火山喷发后南、北半球出现较显著降温的时间不同，北半球出现时间推迟，大约晚1～2年，而南半球则提早0～1年。其次，也并非都是出现降温，也有升温情况，对1883—1992年发生的12次最大火山喷发后北半球冬季地面温度的检测结果显示，赤道附近地域在火山喷发后的第1个冬季、中纬度地域在火山喷发后的第1和第2个冬季、高纬度地域在火山喷发后的第2个冬季，欧亚大陆、北美地域等气温出现增高，而中东绝大部分地域的气温则是降低。有关研究结果还显示，近赤道地域发生火山喷发对低纬度地域的加热比高纬度地域明显得多，从而加大了赤道地域与极地的温度梯度。北半球冬季产生强的极地涡旋，洋面温度升高，这种间接的水平对流引起的气温变化，比太阳光辐射对低纬度地域夏季气温的影响更剧烈。

2）降雨量变化

重大的火山喷发常常伴随着某些地域的降水异常。火山喷发产生的火山灰和二氧化硫气体，使大气中的吸湿性凝结核增加，对降水的发生和加强产生催化作用。另外，火山喷发产生的大量水汽有利于局部地域水汽达到过饱和状态。由于火山喷发形成的气溶胶影响太阳照射地球的辐射量，间接改变大气环流，从而引起降水量及其分布出现变化，并引发一系列的旱涝灾害。中国是有旱涝历史记录较长的国家，有关气象资料显示，火山喷发对中国地域降雨是有明显影响的，而且低纬地域和中高纬地域火山爆发后，我国旱涝分布和部分地域降水变化趋势有很大差异：火山爆发当年华北地区就可能出现明显旱灾，而次年长江流域才出现明显的降水异常。在北半球火山喷发当年，黄河流域降水量偏少；而南半球低纬度地区火山喷发当年，黄河流域的降水量较多。

2．火山喷发物灾害

火山喷发物主要为碎屑物、熔岩流和火山灰，它们均会引起直接和间接灾害。

1）火山碎屑灾害

火山碎屑流是固体、半固体颗粒和热膨胀气体的混合物，沿着火山侧翼向下流动，速度很快可超过每小时100 km，常又保持着几百摄氏度的高温状态，因而在短时间内可以使沿途所有生物、城市、桥梁及建筑物等被摧毁。1980年5月18日美国圣海伦斯火山喷发产生的火山碎屑流，沿途摧毁了近600 km2范围内的原始森林和一切生物。

2）火山熔岩流灾害

熔岩流是指从火山口喷溢流出的熔岩，特点是很少发生爆炸，常常从山顶火山口和山腰裂隙溢出大量的玄武质熔岩流，其岩浆黏度小、流动性大，流速最高可达65 km／h，一般为15 km／h；温度高，喷出的熔岩温度按其组分和气体量的不同，多介于900～1 200℃。当熔岩中的气体含量多时，冷却到700℃之前均可流动。这样的熔岩流所流经之处不仅会摧毁当地的农田、建筑物、道路等，还会引起严重的火灾，图3-20是火山熔岩流经公路，导致公路上的沥青熔化、燃烧，并形成黑色浓烟的情况。

图3-20　火山熔岩流经公路

图3-21　厚厚的火山灰压塌房屋和人畜

3）火山灰

火山喷发时，炙热的火山气体和火山碎屑混合物快速从火山口喷射进入大气，随后在重力作用下较大的颗粒降落在离火山口较近处，较大火山喷发可在火山口附近产生几米厚的火山碎屑沉积层，它将造成建筑物及房屋的破坏和人畜严重伤害（见图3-21）。

较细小的颗粒将作为较大的云团在风的作用下飘移，最终将降落到地表，形成一个毯子形状的火山灰沉积层。一般距离火山口越远，火山碎屑的颗粒越小，在顺风方向几百千米处的火山碎屑沉积厚度也会达到几厘米，它将严重破坏已有耕地，影响农业生产。例如，在1815年印度尼西亚的坦博拉火山（Tambora）爆发后的火山碎屑沉积，导致几个岛屿上的大米和玉米严重歉收（见图3-22），使得当时大约80 000人陷入饥荒。

火山灰中悬浮的细小颗粒会进入人的呼吸道和肺部，影响人的健康。火山灰会严重降低大气能见度，而吸入飞机发动机的火山灰会损坏发动机的正常功能，对飞行安全产生很大影响。

图3-22　火山灰导致大米和玉米严重歉收

（二）火山喷发特征

火山喷发地点相对稳定，表现出一定的空间和时间分布以及一定的喷发形式。

1．空间分布特性

全球火山活动的地域分布不均匀，不同纬度的地域发生的概率不一样，图3-23是全球历史活动火山随纬度分布的统计图。强火山喷发次数明显随纬度变化，以赤道两侧地域最为多发，其次为北半球中高纬地域，分别对应于印尼、新几内亚地区，中美洲、菲律宾、东非裂谷地区，地中海、日本、伊豆—小笠原地区以及阿留申、堪察加地区；而且北半球火山喷发次数显著高于南半球。在南半球纬度30°～40°还有一个局部高喷发带，它主要是南智利的火山活动引起的，这种纬向构造的存在意味着与地球自转运动有关。

图3-23　全球历史活动火山随纬度分布的统计图

图3-24　历史记载火山喷发随经度分布的统计图

图3-24是历史记载火山喷发随经度分布的统计图，火山喷发主要集中在100°～150°的西太平洋地域，其次是在270°～290°的东太平洋地带和10°～20°的意大利附近。

强火山喷发也随海拔高度变化，海拔高度在1 000～4 000 m是火山喷发多发地带，其中又以海拔高度1 000～1 500 m和1 500～2 000 m是火山喷发最多的2个海拔高度，在1750—2010年间发生的139次强火山喷发事件中，在这个高度喷发的次数分别为26次和25次，占总数的18．7%和18．0%。

2．喷发准周期性(www.zuozong.com)

火山喷发往往具有时间长短不一的准周期性，它主要取决于岩浆囊体积与岩浆补给速率之比。短周期的喷发有几十年的周期，如日本有珠火山300年来30～52年喷发一次，日本三宅岛火山为21年左右的喷发周期。墨西哥科利马火山为20年左右的喷发周期。中国五大连池火山喷发周期为7～8万年，而最近喷发在1720—1721年，且构造活动背景没有改变，目前是处于喷发周期刚开始的休眠状态。另外，还有一些周期为几年到几十分钟的频繁火山喷发，如夏威夷Mauna Loa火山，1832年以来每3～4年喷发1次；日本樱岛火山平均每年喷气163次，大约每分钟喷出17 000 kg火山灰；斯特朗博利火山大约每15～20 min喷发一次。

中长周期为几千年，如日本云仙岳火山喷发周期大约为4 000年，皮那图博火山的周期为1 500年，墨西哥的波波卡特佩特火山有1 000～3 000年的周期。中等周期喷发有几百年的周期：美国Mono-Inyo火山喷发周期大约为500年，培雷火山大约为250年。火山喷发周期最长的为104～106年，通常形成具破火山口的灾难式喷发，如美国的黄石火山。

3．火山喷发与地球构造活动有关

从历史时期看，大规模火山活动与板块运动、地幔柱密切关联，全球剧烈的火山活动往往发生在大规模板块俯冲、碰撞及其大陆裂解期间。大部分火山都分布在板块边缘，其中又以聚敛板块边界为主，而且是以大角度的正面俯冲带，火山活动最强；而当板块运动方向与板块边缘走向成小角度相交时，由于缺少正面俯冲的动力，火山活动相对平静。

4．喷发形式多样性

火山的喷发方式反映火山活动的一种本质特征。喷发形式有多种，一般将其划分为两大类型：中心式喷发和裂隙式喷发，它们在喷发猛烈程度，喷发产物和产物的分布面积、喷发持续时间以及喷发周期等方面有所不同。

1）中心式火山喷发

图3-25是这种火山喷发的情景，熔岩正在从火山口喷出。据观察到的不同火山喷发特征，这类火山喷发方式又进一步划分为普利尼式（Plinian style）、斯 通 博 利 式（Strombolian style）、夏威夷式（Hawaiian style）、乌尔卡诺式（Vulcanian style）等，它们的喷发猛烈程度不同，在喷发产物以及分布面积、喷发持续时间、喷发周期、岩浆挥发分含量、黏度、岩浆通道环境以及岩浆房压力等方面也显示出不同特征。

图3-25　中心式火山喷发情景

（1）普利尼式火山喷发。喷发极为猛烈，一般出现在富硅质岩浆的喷发中，其岩浆通常具有很高的压力及挥发性成分，能以极快的速度从火山口中爆炸喷出。喷出的火山灰可以在附近几百至几千平方千米范围内形成空降堆积。

这种火山喷发方式另一主要特征为具有持续性的喷发柱。岩浆在喷发通道深处发生破碎后，其上升速度可以达到甚至超越声速。喷发出的气体及火山碎屑可以与大气混合形成大规模的喷发柱，其高度普遍在30 km以上，并能够持续喷发数十小时。

（2）斯通博利式火山喷发。一种中等猛烈程度的火山喷发形式，由一系列高频爆发相所组成，每次爆炸喷发的发生很可能是由一个或多个出溶的气泡上升至地表所致，爆炸的猛烈程度直接取决于气泡内的压力。爆炸喷发时，炽热的气体夹带着少量熔岩碎片从火山口近似垂直喷出，并通常伴随有蒸汽云。与普利尼式火山喷发不同，典型的斯通博利式火山喷发不具有持续性的喷发柱，通常为每小时喷发数次，伴随有几十分钟到几十天的休整期，并且多发生在黏度较低的岩浆之中（相对于普利尼式火山喷发），由岩浆气体所带出的熔岩物质也较少。

（3）夏威夷式火山喷发。以美国夏威夷岛为代表的一种威力较小、喷发猛烈程度低的火山喷发形式，喷发产物主要为玄武质熔岩流。若岩浆中挥发性成分的含量较多，则熔岩会具有较大的喷出压力，并会随着出溶气泡的膨胀而形成熔岩喷泉。喷发持续时间为几小时，喷发周期（大约几周），长于斯通博利式火山喷发周期（几秒到几十分钟）。喷发形成的熔岩喷泉高度通常在300 m以上。

（4）乌尔卡诺式火山喷发。由一系列发生在火山近地表位置的离散爆发相组成，其喷发时间间隔大约为几十分钟到几小时，喷发出的岩浆多为安山岩或玄武质安山岩。如果部分早期形成的岩浆未喷发出地表，则会在火山口上部形成较厚的固结外壳，气体在固结外壳下聚集使得熔体中的挥发性成分含量趋于饱和，压力升高并最终导致爆炸，在爆炸发生时通常伴随着富含火山灰的菜花状喷发云。其压力升高的原因可能是岩浆内部气体的出溶，同样也可能是由于岩浆接触了浅部地表水。

乌尔卡诺式火山喷发一般出现在黏度较大的岩浆中，但与普利尼式火山在喷发的动力学机制上有着本质的不同，可以认为普利尼式火山喷发为消防水管模型，火山碎屑随着低压、高速的气流从火山口中喷出，喷出速度取决于气流速度及碎屑的沉降速度，而乌尔卡诺式火山喷发为炮筒模型，碎屑在火山通道中受到高压气体的突然加速爆炸喷出，此时大的碎屑反而会被抛射得更远，其中的高压气体很可能来源于大气。

2）裂隙式火山喷发

图3-26是这种火山喷发的情景，其形成过程是：先在地表生成裂隙，初始喷发的熔岩沿裂隙呈带状喷出。沿裂隙有多个喷口喷发，后来喷发集中在一个或几个喷口，最后形成一个较大的锥体（带有一个或几个火山口）。初始喷发裂隙被后来的喷发物所掩盖。一般而言，喷发量超过1 km3的被称为大裂隙喷发，我国镜泊湖火山喷发便是属于这类喷发方式，它的喷发量体积达2 km3。

图3-26　裂隙式火山喷发情景

（三）激光预报火山喷发

火山监测研究表明，几乎所有的火山在喷发前，由于岩浆的增压、从深到浅的运移等作用，都会在火山下方附近出现地震活动增加、地表形变和地球化学、电、磁等异常现象，利用激光技术可以监测这些现象的发生，预报火山喷发。基本方法有两种：一种是通过地震探测演绎火山的喷发，另一种是利用激光技术测量地表或接近地表的变化，即测量地表形变。

1．通过激光预测地震演绎火山喷发

火山喷发现象和地震活动之间已经建立起了联系，地震产生的地面晃动会使地表下炽热的熔岩随之晃动，致使岩浆从火山喷出。事实上，火山喷发前，上升的岩浆会推开岩石促使岩石破裂，这就扰乱了地应力分布与孔隙流体压力，通常会引发破裂与大量小震级的地震。虽然这种情况下未必发生火山喷发，但是，高于背景值的地震通常是火山喷发将要发生的前兆，图3-27是阿拉斯加里道特火山1989年12月14日喷发前2个地震探测台站（RDN和RED）记录的实时地震波振幅，数据显示了火山喷发前24小时浅源长周期地震的强度变化，箭头所指的是火山喷发的开始和结束，实线和虚线分别代表原始和修正过的数据。阿拉斯加里道特火山（1989—1990年）喷发就是基于地震预报成功的例子，这里有11个长周期地震群是火山爆炸性喷发的前兆，基于这些地震群的特性，于1989年12月14日和1990年1月2日发布了火山喷发警报。前面我们已经介绍了利用激光技术预报地震，相应地也就可以通过激光地震探测预报火山喷发。

图3-27　阿拉斯加里道特火山1989年12月14日喷发前2个地震探测台站（RDN和RED）记录的实时地震波振幅

2．通过激光测量地表形变预报火山喷发

在地球内部的岩浆及其在火山通道内流动时，岩浆随压力的变化将导致周围地壳岩石发生变形。特塞拉特岛苏弗里埃尔火山大喷发就是基于观测到开始于1996年10月的地表形变程度估计出来，并进行了预防性撤离。激光技术是观测地表形变的主要技术之一，比如利用激光应变仪就可以测量地表或接近地表的微小变化。把应变仪放置在山洞里进行这种观测效果更好，因为在这样的环境可以极大地减少噪声干扰，提高仪器的探测灵敏度。放置在山洞的应变仪在火山喷发预报中能够发挥很好作用，如曾经比较准确地预报了2000年冰岛赫克拉火山喷发。在这一年，冰岛科学家发现连续5天在离火山15～45 km范围内放置在5个山洞的5个应变仪（即STO，SAU，GEL，SKA和BUR）出现显著的应力变化，其中STO，SAU，GEL，SKA在每30 min为一周期出现显著的张应力变化，离火山最近的BUR显示了压应力变化（见图3-28）。冰岛科学家据此发布了火山喷发警告：火山喷发可能在15 min内开始，在17 min之后确实喷发了。

3．激光雷达探测火山气体预报火山喷发

在火山喷发前夕火山会释放出可探测到的异常气体信号，例如，火山气体中的氢气也可以作为火山活动的一个有效指示。在火山喷发前几天会出现氢气释放量大幅增加，空气中氢的含量可能比其平日含量高出10倍。这是因为当岩浆内部运动引起处在地表下面的地壳产生微型裂缝时，氢气将从地球内部深处从这里逃逸出来。这样的微型裂缝往往接着发生地壳裂缝，不久就出现火山喷发。例如，1982年12月底在夏威夷拉韦厄火山的山顶和沿东部断裂带设置的监测站，获得了不规则的高值氢气逸出信号，随后在1月3日便首先在那个火山中出现了一连串熔岩喷发，从那时起那个火山发生了20多次熔岩爆发。

图3-28　冰岛山洞仪器记录到的5天应变数据

除了氢气之外，氡气含量也可以预示火山喷发。惰性气体氡天然地存在于地壳岩块中，岩块上的应力变化将使岩块发生轻微变形，致使氡得以逸散。大气中氡气浓度显著增加，预示着将出现火山喷发。

用激光雷达可以监视火山的气体喷发浓度。激光脉冲与空气中的气体分子相互作用，后向光学散射信号包含了气体成分和其浓度信，通过解读这些信息就可以了解火山气体成分和它的含量，它们预示着火山是否会喷发。