“苏醒”的汤加火山
“苏醒”的汤加火山
2022年1月15日，南太平洋岛国汤加发生了本世纪以来最大的一次火山喷发事件（图1），受到全球媒体和科学界的广泛关注，Nature期刊更是先后发表多篇新闻进行了报道。2月15日，中国科学院地质与地球物理研究所郭正府研究员团队在The Innovation发表News & Buzz文章，对事件进行了回顾和讨论。
图1 汤加火山喷发的卫星云图（来自NASA官网）
此次喷发的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山（后文简称
洪阿火山）位于汤加国首都所在的汤加塔普岛以北约65公里处，火山整体高度超过1800米，火山口直径约5000米，大部分位于海平面以下，只有两个小岛露出水面（图2B）。该火山此前最近的一次喷发活动发生在2014-2015年，喷发物将两岛连在了一起，形成了一块新的陆地，曾被称为地球上“最年轻”的火山岛。
一般情况下，新形成的火山岛维持几个月就会因海水侵蚀而“消失”，但2014-2015年新形成的这一岛屿却“存活”了数年时间，这让NASA的科学家得以利用卫星观测和海底调查来研究岛屿的形成、侵蚀以及持续保留的过程。香港大学的Joseph Michalski博士认为，海洋环境与火星的低重力环境在某些方面类似，因此可以为火星上一些特征地貌的形成（例如一些小型锥形火山）提供关键的信息。经过长时间的光学、雷达、激光卫星监测，就在研究者们准备提出一种新的理论模型来解释该岛屿的缓慢侵蚀过程时，这座火山又喷发了（Mallapaty, 2022, Nature News）。
图2 （A）汤加塔普岛与洪阿火山所处的地理位置与构造背景；（B）火山历次喷发海表残留岛屿的形状；（C）全球范围内不同等级的火山喷发参数
经过近7年的休眠，洪阿火山于2021年底再度喷发，2022年1月14日，巨大的爆炸抹去了岛屿中心区域，次日火山再次猛烈喷发，喷发柱高度超过30公里。卫星影像显示，火山岛大部分被摧毁，只剩两岛的小部分露出海面（图2B）。尽管目前还没有关于火山喷发物体积的官方数据报道，但根据喷发柱高度等初步估计火山爆发指数（VEI）可能达到了5级，意味着本次喷发可能是继1991年菲律宾皮纳图博火山喷发后全球范围内最剧烈的火山喷发事件。火山爆发释放的能量巨大，整个南太平洋岛国都能听到声响，卫星探测到了大量快速移动的同心圆大气重力波（Adam, 2022, Nature News）。
与之相伴的是，火山爆发在汤加周围引发了2-15米高的海啸，距离火山喷发中心1万公里外的秘鲁也观测到了近2米高的海啸；2厘米厚的火山灰覆盖了整个汤加塔普岛，悬浮的火山灰严重影响航空安全和通讯网络；此外，由于火山灰和有毒金属颗粒等对饮用水和农业土壤的污染，在未来几个月甚至几年内当地人都将面临健康风险。值得注意的是，本次汤加火山的喷发柱高达30公里，接近1982年墨西哥埃尔奇琼火山和1991年菲律宾皮纳图博火山喷发柱高度，但产生的SO2气体仅0.4百万吨，远少于上述火山（图2C）。如此少的SO2意味着如果后续没有大规模的喷发，此次事件引起全球气候显著变化的可能性较小。
另一个受关注的问题是，火山是否还有潜在喷发的危险？通过历史记录对比，1月15日的喷发可能是该火山目前已知最大的一次。大规模火山喷发通常会从岩浆房中喷射出大量物质，而重新积累足够的岩浆和能量需要时间。火山喷发至今没有观测到其他小规模的喷发活动或前兆，如地热异常、火山脱气等。因此，汤加火山同一火山口发生类似或更大规模喷发的可能性很小，但低VEI等级的喷发活动（例如1～2级）可能会持续数年甚至数十年。
由于监测数据有限，很难通过岩浆房的活动对未来的火山喷发进行准确预测，特别是对于海底火山喷发，大多数前兆现象只能远程探测，使得这种判断存在巨大的不确定性。奥克兰大学的火山学家Cronin与同事分析了此次火山喷发散落的火山灰，初步结果表明，火山灰成分与2014-2015年的喷发物有所不同，可能来源于地球深部新岩浆的补给（Witze, 2022, Nature News）。此外，火山喷发后汤加周边4.0级以上地震频发，可能是深部岩浆仍在活动的表征。
总结与展望
海底火山喷发约占全球火山活动的四分之三，但由于上覆海水压力阻止火山岩浆中气泡的形成和膨胀，大多数喷发不会产生特别高的喷发柱，甚至不会露出海水表面，因此受到的关注更少。2022年1月15日汤加火山的喷发是个特例，火山口距海表只有不到200米，这种条件下水压无法抑制火山爆发。当海水遇到高温岩浆时，可以快速形成膨胀的蒸汽，通过这种方式将岩浆的热能有效转化为动能，最终导致爆炸性的喷发。这次火山喷发让全世界认识到海底火山喷发的巨大危害，也为火山学家们更好地理解这种喷发的机制与影响提供了一个窗口。
本文部分内容以News & Buzz文章发表于Cell旗下新刊The Innovation。（赵文斌, 孙春青, 郭正府. Reawaking of Tonga volcano [J]. The Innovation, 2022: 100218. DOI: 10.1016/j.xinn.2022.100218）
主要参考文献
1. Adam D. Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere[J]. Nature, 2022, 601: 497.
2. Mallapaty S. How the Tonga eruption is helping space scientists understand Mars[J].Nature, 2022. https://doi.org/10.1038/d41586-022-00137-z.
3. Witze A. Why the Tongan eruption will go down in the history of volcanology[J]. Nature, 2022, 602: 376-378.
（CNC-IAVCEI 郭正府 供稿）