顾国辉，关 升，韩 迪，盘晓东，宋雨佳

（1. 吉林省地震局，吉林 长春 130117；2. 中国地震局火山研究所，吉林 长春 130117）

0 引言

火山口塌陷或破火山口的形成是火山作用的重要部分。相比于陆相火山地貌塑造过程的岩体侵蚀、搬运和再沉积过程，海底火山喷发的地貌形成具有特殊性。据USGS 公布的全球火山目录，目前已发现全新世活火山中海底火山就有124 座。目前全球55 个火山观测站，普遍采用的火山监测技术是火山地震学方法（92%的测站采用）、地形变测量（71%） 和火山气体地球化学观测（55%）。由于陆相火山引发的灾害更易受关注、监测设备便于架设、设备便于维护等原因，目前建立火山监测站基本都针对陆相火山。相比陆相火山，海底火山由于观测条件制约，在海底设备的安装布放、供电以及维修等都比在陆地上困难许多，使得海底火山监测预警系统面临诸多挑战。尽管目前有科学家尝试利用次声波数据来监测海底火山的岩浆活动，通过信号分析技术就可以实现海底火山喷发的短期预警，但是，真正实现海底火山喷发的预警，依旧任重道远。因此目前对海底火山监测、海底火山结构及地形探测等大都借助卫星观测、声波监测、层析成像、多波束地形探测等手段加以分析[1-2]。例如，Vaughan等[3]2010 年基于高分辨率星载热量散发和反辐射仪（ASTER）和中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据分析了2009 年3 月17 日汤加洪阿哈阿帕伊岛火山的喷发活动，监测到火山喷发柱高度达4.0～7.6km，火山岛屿的面积增加了三倍。Coca 等[4]2014 年基于MODIS 探测到了火山喷发海域出现类似海洋示踪剂的物质，通过图像处理技术证实是受影响水域中高浓度硫化合物原因。海底火山探测方面，Chadwick 等[5]2012 年运用声波技术监测了马里亚纳岛弧海底火山滑坡事件，测量了滑坡的大小和范围，并确定了滑坡的发生时间。Chadwick 等[6]2008 年在克马德克火山岛弧北部的浅海莫诺瓦伊火山进行了多波束测深，记录到两次扇形滑坡使火山降低176m，并识别出了山顶附近的滑坡碎屑堆积物。杨清福等[7]2017 年基于多波束测深探测技术对中朝边境长白山天池火山开展了精细的湖底地形探测，厘定了天池水深、水域面积、蓄水量等参数，得到了高分辨率湖底三维地形，在天池湖底识别出了一个喷火口、一个熔岩丘和五处破火山口内壁垮塌堆积区。2015 年Friant 等[8]学者，首次在小安德列斯群岛火山基于科学钻探研究了海底火山滑坡、岛屿建造和崩塌的海底记录等，表明产生这些大规模海底火山破坏的最可能机制是火山碎屑崩塌，这些结果对海啸产生的规模有影响。

2021 年12 月20 日以来的汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山喷发事件引起了全球的广泛关注，2022 年1 月15 日发生大规模爆炸式喷发，火山灰、气体和蒸汽组成的火山喷发柱喷射到20km 高空，释放二氧化硫约4×105t。并且此次喷发引起了太平洋海域大范围海啸，最大海啸高度达1.74m。火山喷发后，汤加洪阿哈阿帕伊岛2.85km2的陆地面积几乎“消失”，本文通过分析前人相关研究成果，结合卫星影像资料，对此次汤加洪阿哈阿帕伊岛火山口塌陷方式进行初步分析，对海底火山喷发机制及海底火山灾害的研究具有重要参考意义。

1 地质背景

汤加群岛火山位于太平洋西南部，沿着汤加—克马德克岛弧分布有20 余座全新世火山，位于汤加—克马德克—新西兰火山链的北端，这是太平洋板块俯冲到印度—澳大利亚板块之下的结果[9]（图1a）。板块边界处的大角度碰撞、俯冲和板块后退形成了残余火山岛弧、弧后盆地和活动的汤加—克马德克火山岛弧（图1a），该处地壳厚度约为20km[10-11]。

图1 汤加火山大地构造及位置分布图（a 是汤加大地构造图；b 是汤加火山分布图）[14]Fig.1 Volcanic tectonics and location distribution of Tonga（a，Tonga Geotectonic Map；b，Map of Tonga's volcanoes）[14]

洪阿哈阿帕伊岛（Hunga Haapai） 火山是一座高约1800m，宽20km 的巨型海底火山，位于南太平洋西部，是高度活跃的汤加—克马德克群岛火山弧的一部分，此火山弧是从新西兰东北向北延伸到斐济的俯冲带。洪阿哈阿帕伊岛两个线性安山岩岛屿长约2km，该岛海拔约114m，两个岛屿都呈现出朝内的陡崖，此次喷发前地表覆盖安山岩和火山碎屑[12-13]。

2 喷发历史

汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山自1912 年第一次喷发以来，1937、1988、2009、2014、2015 年相继发生了几次小规模海底喷发活动。惠灵顿火山灰咨询中心（VAAC） 报告称[15]，2009 年3 月18 日喷发在海上形成了新的陆地（图2），此次喷发持续两个月，喷发的特点是水下大量岩浆活动，伴随着火山灰和蒸汽羽流达到7.6km。

2014 年12 月19 日，洪阿哈阿帕伊岛火山开始活动，2015 年1 月6 日在Hunga Haapai岛和Hunga Tonga 岛之间形成一个新的岛屿，海拔已超70m。2015 年1 月15 日，新的火山锥体高度已达到80m，三个大致沿NW—SE 向排列的火山口不断发生爆炸式喷发。火山口迁移后该岛东南部边缘部分不断崩塌，2015 年1月24 日停止活动，此次喷发形成高约120m、宽约2km 的近圆形火山锥体。在此次火山活动期间，火山碎屑沉积物的侵蚀和再喷发形成了一个岛屿，在2015 年4 月12 日之前与Hunga Haapai 岛相连，如图2 所示。随后南部的波浪侵蚀作用重塑了火山锥体，并改造了火山碎屑堆积体[16]。

图2 历史喷发位置图[12]Fig.2 Historical eruption locations[12]

3 火山口塌陷时间

确定火山口塌陷时间对于分析海底火山喷发机理及火山地貌的形成具有重要意义，若火山口塌陷出现在火山大喷发前，火山喷发机理可能是上部锥体滑坡后，火山机构上部减压诱发火山喷发，例如1980 年美国圣海伦斯火山喷发；火山口塌陷发生在火山喷发之后或者伴随火山喷发，火山可能是爆炸式喷发。但是对于海底火山或针对某一次火山喷发不可一概而论。

2021 年12 月20 日汤加洪阿哈阿帕伊岛火山又开始喷发，至2022 年1 月13 日大规模喷发前都有间歇性的火山气体逸出等活动迹象。世界时间2022 年1 月13 日17 时42 分，该火山出现2022 年第一次大规模喷发。世界时间1月15 日4 时39 分该火山发生爆炸式大喷发，此次喷发是本世纪以来最大规模的火山喷发，火山喷发柱高度达20km。火山喷发产生的冲击波还影响了多地的气压，火山喷发同时引发了太平洋全域海啸（图7）。臭氧卫星（OMPS）数据显示，喷出的火山灰及火山气体已到达了平流层。“哨兵-5P”卫星对流层气体观测仪（TROPOMI） 基于卫星的大气SO2浓度测量结果，SO2排放量约4×105t[17]。

据2022 年1 月15 日喷发前卫星影像图推测（图3），此次喷发后导致洪阿哈阿帕伊岛海底火山出露海平面部分出现坍塌，因此可以确定在1 月15 日大喷发之前，洪阿哈阿帕伊岛海底火山锥体已发生破坏。美国地质调查局2022年1 月12 日至1 月18 日每周火山活动报告指出[18]，1 月14 日和15 日，汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山大喷发产生了火山灰羽流，到达平流层，并造成了严重的区域影响。1 月14 日的喷发活动已经导致该岛中部大约1/3 的面积“消失”。从大喷发后的1 月17 日卫星图像显示，以前合并的岛屿大部分已被摧毁，只剩下东北部位的Hunga Tonga 岛（200m 长） 和西南的Hunga Haapai 岛（700m 长） 的小部分（图4）。因此，我们确定此次海平面上火山口塌陷时间应在2022 年1 月15 日大喷发之前。

图3 2022 年1 月15 日大喷发前图片（图片来源：ADAM Platform）Fig.3 Images before the large eruption on January 15，2022（Source from ADAM Platform）

图4 汤加洪阿哈阿帕伊岛火山喷发前后形状对比（图片来源：ADAM Platform）Fig.4 Comparison of shapes before and after the eruption of Hunga Haapai Volcano in Tonga（Source from ADAM Platform）

4 火山口塌陷机制探讨

此次汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山喷发后引起了太平洋海域大范围的海啸，查明火山口塌陷机制对于解释此次海啸原因及探讨海底火山喷发机理具有重要意义。相对于陆相火山，海底火山由于位置特殊，监测手段有限，目前海底火山的研究程度还比较低。

通过总结前人研究成果，海底火山口塌陷方式可以划分为两类：（1） 火山锥体侧向滑坡[3，8，19]，如图5 所示；（2）火山爆炸式喷发使火山口呈碎裂式破坏[20]，如图6 所示。总结前人研究成果，火山口塌陷机制最少有三种可能：（1）锥体顶部堆积的数十米厚的火山碎屑物质逐步变陡导致塌陷[21-22]；（2）火山通道或裂隙的扩展导致锥体变形和破坏[23]；（3）由火山系统内部或下部岩浆侵入等热液蚀变引起的滑坡[24-25]。地震可能会加剧上述过程，加速火山锥体的变形破坏。

图5 火山口滑坡模式图[6]Fig.5 Crater landslide model diagram[6]

图6 火山口爆炸模式图[15]Fig.6 Crater explosion model diagram[15]

结合卫星影像资料（图3-4） 及前人相关研究成果，汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山的火山口塌陷原因有两种可能：（1） 2021 年12 月以来的间歇性喷发使岩浆通道不断打开，大量海水涌入岩浆系统，2022 年1 月14 日的爆炸式喷发导致火山口塌陷；（2） 2022 年1 月15日大喷发之前，由于岩浆补给上涌，锥体变形，导致火山锥体滑坡，火山机构上部减压，诱发了火山喷发。

通过此次海啸产生的全球大规模浪涌来看，太平洋海域产生的海啸高度几乎是均匀和对称的（图7），不太可能是侧翼滑坡导致的海啸，因此推测此次火山口破坏更有可能是14 日爆炸式喷发导致的，使海平面以上的火山口被炸碎，2022 年1 月15 日的大喷发加剧了火山口的破坏。但是目前对于海底火山喷发机理的研究还不够深入，汤加火山洪阿哈阿帕伊岛海底火山的火山口具体塌陷时间及机理还需要更多的证据才能得出更加科学的结论。

图7 汤加火山爆发引发海啸影响区域和到时图（图片来源：自然资源部海啸预警中心）Fig.7 Tsunami impact area and arrival map caused by the volcanic eruption in Tonga（Photo credit from National Marine Environmental Monitoring Center，China）

因此，要得出科学的结论，还需要开展喷发后海底三维地形精细化探测及科学钻探等工作，才能确定火山口塌陷机理。

5 结论

本文通过总结美国地质调查局（USGS） 每周全球火山活动周报、惠灵顿火山灰咨询中心（VAAC） 公告、火山发现网（Volcano Discovery）等资料了解了此次火山喷发过程及火山灰、海啸等灾害的影响，通过Platform 公司公布的火山喷发前后卫星图片分析了此次火山喷发前后地形地貌的变化。在此基础上，查阅前人海底火山口塌陷相关研究成果，总结了火山口塌陷方式及类型。本文结合最近汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山喷发事件，对其火山口塌陷方式进行探讨。通过多因素分析，认为汤加洪阿哈阿帕伊岛火山口塌陷原因可能是爆炸式喷发，使海平面上部火山口被炸碎。由于缺少现场探测等证据，本文仅结合现有资料做了初步分析，今后还需要开展喷发后海底三维地形精细化探测及科学钻探等工作，才能确定火山口塌陷方式。目前海底火山的监测预警还不够完善，往往都是火山喷发后才引起广泛关注，缺乏必要的海底火山预测与预警机制，在今后工作中更应结合最新卫星观测、次声监测、海底光纤监测等技术，对目前较为活跃的海底火山带开展长期监测工作，不断提高预测预警水平。

致谢：本文采用数据信息来源于 Smithsonian、Volcanodiscovery 网站以及VAAC 等火山官方研究管理机构，在此表示感谢。