火山灾害成因与预警研究的新成果
（一）研究火山灾害成因的新信息
1．探索引发火山灾害的地质原因
⑴研究揭示低密度岩浆积累会导致超级火山喷发。[28]2014年1月，物理学家组织网近日报道，一个由法国、瑞士和英国研究人员组成的国际研究团队，在最新一期的《自然·地球科学》上发表论文称，他们使用数值模拟和统计技术，识别出影响火山活动频率和即将释放岩浆量的情况，以确定影响火山频率和震级的因素，从而揭开超级火山爆发之谜，有助于预测未来灾难。
在地球上，大约有20个已知的超级火山，包括印度尼西亚北苏门答腊的多巴湖、新西兰的陶波湖、靠近意大利那不勒斯稍小的坎皮佛莱格瑞。超级火山喷发很少发生，平均每10年只有一次。但一旦发生，其对地球气候和生态将造成灾难性的后果，堪比一个小行星对地球的撞击。
该研究团队对不同大小火山的爆发条件，进行了超过120万次的模拟，演示出不同状况喷发的不同原因。小且频繁的火山喷发，是由已知的一个叫做岩浆补给的过程引起的，其给予岩浆房围墙以压力直到断裂点；而较大且不太频繁的火山喷发，是由火山底下低密度岩浆缓慢积累驱动引起的。
研究人员还用这个新模型，预测了地球上火山可能喷发的最大规模。这是科学家首次能够在火山爆发的频率及幅度和对其预测之间建立物理链路。火山爆发的大小是出了名的难以预料。例如，在意大利斯特隆博利岛火山岩浆每隔10分钟喷出，两天即可填满一个奥林匹克游泳池。然而，火山最后一次大喷发是在超过7万年前发生的，喷涌而出的岩浆足以填补十亿个游泳池。
研究人员解释说：“我们估计岩浆库最多可以包含突发性岩浆3.5万立方公里，其中约10%会在大爆发的过程中被释放，意味着最大的火山喷发可能释放约3500立方公里的岩浆。”
这项新研究,确定了参与爆发频率和大小的主要物理因素，如2010年在冰岛由埃亚法特拉火山引起的火山灰云。研究人员说：“了解什么在控制这些不同类型火山的运行状况,是一个基本的地质问题。一些火山定期渗出数量不大的岩浆，而另一些会击打罕见的超级火山的顶端。此项研究工作表明，这种运行状况,决定于从火山底部岩浆供应地壳浅部的速度和地壳本身的强度之间的相互作用。”
⑵发现孕育冰岛火山的是地下熔池。[29]2017年7月，美国加州大学伯克利分校地震学家芭芭拉·罗曼诺维奇率领的研究团队，在《科学》杂志上发表研究报告称，在地核和地幔之间的边界上，有10～20处黏糊糊的岩石团。它们和“地下王国”的其他部分一点也不像。在20多年的时间里，科学家一直在研究这些被称为超低速层的神秘区域的性质。如今，他们对一处位于冰岛地下近3000千米的超低速层进行分析，并且最终找到答案：它们可能是热岩柱的部分熔化源头。热岩柱能缓慢地上升并且穿过地幔，为火山形成提供原料。
超低速层因地震波以极其缓慢的方式穿过它们而得名。一种观点是如果超低速层由一种不同类型的致密岩石构成，其可能富含铁并且在化学性质上和地幔其他部分不同，速度上的下降便能得到解释。
此前，研究在超低速层和夏威夷以及萨摩亚地下的热岩柱之间建立了初步联系。不过，罗曼诺维奇表示，冰岛地下熔池的场景提供了更好的画面。这是因为来自不同方向的地震波从该区域下方穿过，并且和太平洋岛屿不同，它可被位于地球两边的传感器监测到。
该研究团队利用由美国等地的传感器阵列监测到的地震波，更好地确认了超低速层的位置和形状。他们发现，超低速层的形状是像碉堡一样的短粗圆柱，其直径有800千米、高15千米，并且或多或少地直接位于为冰岛火山提供原料的热岩柱下方。
罗曼诺维奇介绍说，其团队的成果支持部分熔化场景，因为另一种选择，即超低速层是化学性质不同的岩石，可能会产生更加不规则的形状并且最终可能不会直接位于热岩柱下方。
⑶证实北美地下存在与火山活动相关的巨大地幔柱。[30]2018年3月26日，美国德州大学奥斯汀分校彼得·尼尔森与斯蒂芬·格兰德专家组成的研究团队，在《自然·地球科学》杂志网络版发表论文称，他们分析“地球透镜计划”的数据时，发现了地球核幔边界处升起的一个地幔柱，美国西部黄石国家公园的火山活动很可能是受其驱动的。
此前几十年来，人们一直热议的一个问题，就是黄石国家公园下面是否可能存在地幔柱，即潜在的物质上涌形成的热柱。但地幔柱本身存在争议，因为地球内部的地震图像，基本无法清晰地显示出源自地幔深处的柱样特征。
由美国国家科学基金会、地质调查局、国家航空航天局等机构发起的“地球透镜计划”，是一个广泛、多目标并联合了多种观测方法的计划，被认为可以拓展地球科学的观测能力。
此次，该研究团队使用“地球透镜计划”的美国观测台阵项目收集到的数据。美国观测台阵项目，可视为一个大陆规模的地震观测台阵，有能力提供岩石圈和地球更深处的连续三维图像。研究团队对北美下方地幔进行成像处理，鉴定出一个长而细的倾斜区域，地震波在其中的传播速度较慢，这可能表明存在异常高温的物质。该区域几乎连续贯穿整个地幔，下起于墨西哥下方的核幔边界，沿东北方向上连至黄石国家公园。
研究人员表示，该发现意味着，黄石国家公园的火山活动，包括热水泉、爆发式间歇泉如著名的“老忠实间歇泉”和地质时期的超级喷发，追根究底可能都是由从地核升起的深层地幔柱驱动的。
2．探索致使火山灾害影响巨大的原因
揭示导致冰岛火山喷发影响巨大的三大原因。[31]2010年5月，有关媒体报道，冰岛大学地球科学研究所教授英伊·比亚尔纳松日前在接受记者采访时认为，此次冰岛火山喷发之所以产生巨大影响，主要有三方面原因：火山灰颗粒比以往更细、风向异常稳定以及现代航空业对飞机安全飞行要求越来越严格。
比亚尔纳松说，火山灰产生必须具备一些必要条件，其中之一就是火山坑里必须积蓄大量水。没有大量水的参与，就不会有剧烈爆炸发生。正是剧烈的爆炸将火山熔岩携带的部分物质变成了火山灰，使其在空中飘散。4月14日开始喷发的火山，正好位于冰岛埃亚菲亚德拉冰盖冰川中间正下方，大量的冰受热后融化成水，满足了火山灰产生的一个重要条件。与以往其他火山喷发的火山灰相比，这次火山灰颗粒更细小，到高空后，飘散得更远。这是本次火山喷发产生巨大影响的第一个原因。
比亚尔纳松说，第二个原因是，在这次火山喷发期间，风向非常稳定，致使欧洲多个机场纷纷关闭，造成巨大损失。
他认为，第三个原因是，现在的飞机发动机越来越先进，使得现代航空业对飞机安全飞行要求日益严格。例如，1947年，冰岛赫克拉火山喷发产生的火山灰规模，与这次火山喷发大体相当，但当时的飞机发动机对火山灰的敏感程度不如现在的飞机，所以没有出现今天的局面。
一些专家担心，目前正在发生的火山喷发活动，有可能引起附近卡特拉火山在不久的将来喷发，并且强度要大得多。对此，比亚尔纳松说，冰岛大学地球科学研究所科学家迄今没有发现卡特拉火山有任何喷发迹象。他认为，要说卡特拉火山会喷发，如果指几百年或上千年的时间，那么，这种说法无疑是正确的。至于卡特拉火山喷发后的火山灰到底是比这次多还是少，从科学上讲，这是不确定的，不能匆忙下结论。
目前，埃亚菲亚德拉冰川附近的火山仍在喷发，但比较稳定，势头趋向减弱。科学家估计，喷发还将持续一段时间。
3．探索导致火山紫外辐射强大的原因
分析火山顶部紫外辐射创纪录及其成因。[32]2014年7月，美国搜寻外星文明研究所纳塔莉·卡布罗尔负责，德国气象局等机构人员参加的一个研究小组，在《环境科学前沿》期刊上发表研究报告说，2003年12月29日，正值南半球的夏天，部署在距赤道约2400公里、海拔近6000米的玻利维亚利坎卡武尔火山山顶的测量仪，测到了43.3的紫外线指数。这一数值与火星表面的平均紫外辐射水平很相似。
研究小组说，地球表面紫外辐射最强的地方，不是在出现臭氧空洞的南极，而是在南美。他们这项新研究显示，南美安第斯山脉一座火山的山顶，曾记录下创纪录的紫外线指数，它不仅是刷新了地球表面的纪录，还堪比火星的平均辐射水平。
卡布罗尔在一份声明中说，一般夏日美国海滩上的紫外线指数，也就是8或9。当紫外线指数达到11，就被认为很危险。到了30或40，没有人会愿意到户外去。前述测量数据创下了地球表面紫外辐射的纪录，在因臭氧空洞而面临较强紫外辐射的南极，都没有记录到如此高的指数。
研究人员表示，这一地表紫外辐射纪录，与多个因素有关，包括当地位于热带、高海拔地区，当时有季节性风暴，及亚马孙雨林火灾产生的气溶胶造成臭氧层损耗等。此外，在之前两周，还出现了一次大型太阳耀斑，也可能影响了地球大气，导致臭氧层损耗进一步增加。
（二）研究火山监测与预警的新信息
1．探索火山预测与监测的新进展
⑴提出潮汐周期有助于预测火山爆发。[33]2018年3月，一个长期监测新西兰鲁阿佩胡火山的研究小组，在《科学报告》杂志上，发表文章《2007年鲁阿佩胡火山喷发对月球周期的敏感度》称，2007年新西兰鲁阿佩胡火山爆发时，火山口附近的地震震动与每月两次潮汐力变化密切相关，因此可以利用潮汐周期的信号来提前预测火山爆发事件。
研究人员称，很多研究都集中在潮汐力是否会引发火山爆发的研究，但并没有直接证据。为此，他们转换了思路，从与潮汐力相关的可检测信号出发，来验证其对火山的影响。新西兰鲁阿佩胡火山作为最受欢迎的旅游景点之一，是两座滑雪胜地所在地，因此，研究人员选择其作为研究对象进行了长期监测，以确保游客免受火山爆发的威胁。
模拟表明，当气穴的压力达到临界水平时，即可能发生蒸汽喷发的水平，与潮汐力变化相关的不同应力则会改变震颤的幅度。这也说明，整个体系中的压力情况，使得火山对潮汐变化十分敏感，而这种变化恰能被捕捉到。
研究人员认为，对于火山爆发前震动与潮汐之间关系的监测，将为火山爆发预测提供新的思路。他们也相信，这种变化信号完全能被监测，潮汐信号对预测蒸汽驱动的火山爆发，将成为未来长期研究的重要方向。
⑵开发出可由无人机搭载的火山监测装置。[34]2018年9月7日，英国布里斯托尔大学网站发表新闻通报称，该校基兰·伍德博士领衔的研究团队，开发出一种轻量级火山活动情况监测装置，这种精密仪器不但能在火山的严酷环境中持续工作，而且可由无人机搭载，从而避免人员遇险。
据新闻通报介绍，这一新装置被称为“龙之蛋”，小巧轻便，但内部配备了能够对温度、湿度、震动以及多种有毒气体进行实时监测的传感器。由于整个装置重量控制较好，研究人员可直接用无人机把它放置在火山口附近。装置能够将收集到的数据传回远处的工作站，进行火山灾害评估。
重要的是，这个装置通常处于节电状态，直到其中一个特殊探测器，感测到火山活动带来的震动才唤醒其他探测器和传感器，使整个装置进入全面工作状态。这类特殊探测器所需能量很少，它已在意大利一座火山上开展过实地测试。
伍德说，靠近火山开展科研本身是一项非常危险的工作，也会给后勤运输带来很大挑战。无人机能高效地把检测装置部署到位，不但能把面临的风险降到最低，而且也可以提高火山数据收集的效率。
2．探索火山预警的新进展
⑴创建全球首个自动化火山预警系统。[35]2018年11月，意大利佛罗伦萨大学地球物理学家毛里齐奥·里佩佩领导的研究团队，在《地球物理研究杂志·固体地球》上发表论文称，他们创建了全球首个自动化的火山早期预警系统。在西西里岛埃特纳火山爆发前约1个小时，该系统向附近有关部门发出了警报。
上述方法依赖于这样一个事实，即火山是嘈杂的。虽然它们的隆隆声和爆发听上去像喷气发动机甚至是高音的口哨声，但也会产生人们无法听到的低频次声波。与地震波不同，次声波能穿行上千英里，从而使科学家得以从远处感知火山爆发。
里佩佩团队研究的是欧洲最大的活火山埃特纳火山。起初，他们想创建一个简单的系统。该系统可利用来自现有次声传感器阵列的数据探测火山爆发，并且自动向相关部门发出警报。不过，当发现火山在爆发前通常产生次声波从而使预测成为可能时，他们的野心变大了。
尽管这一发现令人惊奇，但科学家表示，这是行得通的。埃特纳火山是一座拥有暴露岩浆的开放式通风口火山，随着火山爆发前气体从岩浆中喷出，火山口中的空气来回晃动，从而形成像木管乐器中声音一样的声波。同时，正如乐器的声音依赖于形状，火山口的几何结构也会影响其产生的声音。
该研究团队在2010年初创建了早期预警系统，并且在接下来的8年里分析了其在59次火山爆发期间的表现。该系统是一个分析来自传感器阵列的次声信号的算法，它成功预测了其中57次爆发并在火山爆发前约1个小时向科学家发送警报信息。由于测试很成功，科学家在2015年编程了该系统，使其能向意大利民防局和西西里岛上的卡塔尼亚城发送自动的邮件和文本信息警报。
⑵通过开挖火山岩浆井来提高预警能力。[36]2021年9月，《科学》网站报道，冰岛地热研究中心正计划从维蒂（Víti）火山口边缘打一口深井。冰岛地热研究中心科学主管奥托·埃利亚松认为，十年后这里可能成为全球火山学的研究中心。
冰岛可谓“冰与火”的矛盾组合。其地理位置特殊，从大陆板块的角度看，其西部是北美板块，东部是欧洲板块。而维蒂则位于这两大板块的分界点上。这使得冰岛火山活动活跃，地热资源丰富。
2009年，冰岛人试图在维蒂挖地热井，以获取地热能，然而钻井人员不小心刺穿了一个隐藏岩浆层。岩浆层喷出蒸汽和玻璃碎片后迅速冷却，这个钻孔创造了有史以来最热的地热井，随后钻井套管报废了。但这次钻探活动发现，岩浆不仅是液态的，而且是循环的，并与下方的熔体相互作用，这与之前人们的认知截然不同。
如今，研究人员正计划再挖上回被穿透的岩浆层，不过将使用更坚固的设备，以创建世界上唯一的长期岩浆观测站。这一钻井完成后，可以帮助科学家解释岩浆如何穿过地壳。研究数据还能改善对火山喷发预测，阐明大陆是如何形成和生长的。意大利国家地球物理和火山研究所的研究主任保罗·帕帕莱说：“我们探测过火星，我们探测过金星，但我们从未观察过地球表面以下的岩浆。”
由于无法直接研究岩浆，火山学家依靠地震仪、GPS传感器和雷达卫星的表面测量，来猜测岩浆的运动。科学家可以研究岩浆岩，但这些残余物是不完整的，这些岩浆岩已经失去了大部分气体，这些气体驱动喷发并影响岩浆的原始温度、压力和成分。硬化熔岩中的晶体、内含物和气泡是其原始状态的线索。
钻井难度极大，岩浆的温度超过1000°C，研究人员计划把传感器嵌入岩浆中和岩浆附近，以测量热量、压力甚至化学成分。他们正在开发新的电子产品来承受热量和压力，这些技术有朝一日可以在金星上使用。此次钻探还可使冰岛的许多地热能源公司受益，这些公司之前开发时不得不避开最热的岩石。靠近岩浆可以显著增加单个井的发电潜力。
