躁动的超级火山

2018-11-07 04:46林声

大自然探索 2018年11期

林声

维苏威火山因庞贝古城的故事而广为人知，但它的赫赫威名正在被它相距20千米的“邻居”——超级火山坡皮佛莱格瑞取代。坎皮佛莱格瑞火山近年来出现活动迹象，欧洲南部数百万人的生命可能处于危险之中。

意大利南部第一大城市——那波利（那不勒斯）市位于两座火山之间：东面是著名的活火山维苏威，西面是超级火山坎皮佛莱格瑞。实际上，那波利市的郊区就坐落在坎皮佛莱格瑞火山口上，而坎皮佛莱格瑞是一个蓄势已久、随时可能爆发的火山口。这个火山口左侧的黑色脊——波西利波山，是这个绵延12千米的火山口的一部分。

尽管位于火山旁边，那波利的都市生活却欣欣向荣。用火山石建成的教堂令人叹为观止，轻松、时尚的都市人熙熙攘攘。在一座方方正正的混凝土建筑中，穿过一对滑动玻璃门，就是世界上最大的火山观测站——维苏威火山观测站。监测室里的92张平板屏幕上闪着清冷辉光，每一个屏幕上都在显示火山活动的相关读数，包括地震设备检测到的数据。中间桌上放着一部红色电话。一年365天，一天24小时，每天都至少有两个人在这里值班，随时准备拿起电话，就火山紧急事件向公众预警。

那波利东侧维苏威火山标志性的锥形隆起，似乎时刻在向人们展示：火山随时都有爆发的危险。但维苏威并不是引起人们担忧的唯一问题。现实威胁来自那波利西面的波西利波山。在这里，规模巨大的坎皮佛莱格瑞火山区的火山口已出现躁动迹象，似乎火山即将从休眠中醒来。倘若此，一场极具破坏性的火山爆发可能正在酝酿中。火山一旦爆发，将不仅给这座意大利第三大城市及周边农村带来毁灭性破坏，而且有可能延伸到意大利之外，对从航空旅行到农业生产等人类社会生活的方方面面都将产生影响。遮天蔽日的火山灰将使整个欧洲和地中海地区的天空变得灰暗不堪。

维苏威火山观测站。

坎皮佛莱格瑞这样的火山口也被叫作“破火山口”，它是火山爆发时的巨大力量产生的大坑。该火山威力最大的一次爆发是在大约4万年前，当时火山口向天空喷出300立方千米的火山灰与岩石碎屑。这场爆发影响全球气候，剥夺了尼安德特人在地球上最后的喘息机会。

该火山口附近地面上，满是星罗棋布的蒸汽喷口（喷气孔）。喷气孔喷发蒸汽及各种气体。喷发硫化物质的喷气孔被称为“硫气孔”。迪波佐利就是一个硫气孔。2009年，这个本不起眼的喷气孔发出咆哮声。冒泡的泥浆和喷出的蒸汽表明，地底下有一些可怕的事情正在发生。

实际上，近十年来该火山口附近地表一直在上升。2012年，上升速度開始加快。科学家今年预测，坎皮佛莱格瑞火山可能进入了一个新的危险阶段。根据该火山以往喷发历史，科学家试图重建其活动规律模型。但对于该火山再度喷发的威胁是否真实存在，科学界尚未达成一致。目前，主要有两种火山爆发预测理论。

“地下火”可能冲破地壳

坎皮佛莱格瑞是一座独特的火山。从那波利热闹的海滨地区到火山口只有两站地铁距离。2018年2月一个温暖的早晨，火山学家切奥迪尼一行刚到这里，立即闻到了硫黄气味。在地铁站台上接待他们的火山学家乔瓦尼说：“这就是坎皮佛莱格瑞火山。有些人以为只有地下蒸汽冒出，有硫质喷气孔的地方才是火山。但事实上，这些都是火山。”他展开手臂画了一个大圆，表示周围整个市郊地区都在火山区范围内。然后，他向下指着通往维苏威火山观测站的道路说：“观测站也在火山口范围内。”

站在火山口边，可听到一种好似马达轰鸣的声音。灰黑色、拳头大小的泥泡从喷气孔中心向上猛烈翻滚，然后向下面的城郊住宅区蜿蜒流去。整个场景中弥漫着一种不祥气氛。就在这个硫质喷气孔旁，切奥迪尼发现了火山即将苏醒的征兆。他记录下喷气孔气体的变化，特别是硫质喷气孔喷出的气体成分的变化。相关数据显示，坎皮佛莱格瑞火山口可能已接近“临界排气压力”。一旦达到临界点，火山就极可能会爆发。

切奥迪尼的论点是基于这样一个事实：当岩浆通过地壳上升时，会经历一个逐渐解压的过程，并在此过程中释放大量挥发性混合物。在达到排气临界点时，这种混合物几乎完全转变为水蒸气。大量富含水分的气体在周围岩石中升温热液系统，导致进入岩浆和地壳表面之间岩层的热量至少增加10倍，岩石变得越来越松软。

在喷气孔主喷口的一个小岩石露头上，火山观测站安置了两套监控系统，用以观察地下热量和从火山口喷出气体成分的变化。太阳能电池板边上的一个小棚子下面安装了一个监测仪器，每隔两小时测量一次从地面渗出的气体。另一套系统是红外摄像机，目标是更高处的岩石露头。它可以对从地底下上升到那里的热量进行检测，这是观测火山活动的一个重要测量指标。

在整个火山口分布着多处这样的监测站点。从记录下的数据来看，气体中所含的一些成分在过去25年来呈下降趋势，这表明地底下正在减压，地下上升的岩浆可能已接近地表。在火山口获得的数据还显示，目前这里的火山与巴布亚新几内亚及加拉帕戈斯群岛上较小规模的火山喷发有类似的活动趋势。切奥迪尼认为，这说明坎皮佛莱格瑞火山区下面的岩浆正在蓄势待发，有可能即将释放极其危险的大量热量。曾几何时，这里的火山口底下是一片平地。平地土壤下面的岩石就像一个“塞子”，堵住了地下火向上喷发的口子。但上升的炽热岩浆让岩石变得越来越松软，这个由岩石构成的“塞子”的强度就会逐渐降低，最终被地下巨大热量冲开。其结果也许会是灾难性的。

火山口已经严重承压

在维苏威火山观测站监视火山活动的物理学家德纳塔莱曾获得和切奥迪尼同样的数据，但他的结论与之截然不同。

德纳塔莱及其同事认为：热传递和气体成分等检测数据的变化并不一定就是预警信号，大型火山系统即使躁动不安，大多数也不会出现爆发。真正需要担心的不是正在释放压力的岩浆，而是地壳日积月累的应力。数千年来，这片土地的不断变形真实记录了这个火山口的演变故事。

德纳塔莱看着地面，寻找火山爆发即将到来的危险迹象。最久远的记录来自2000年前古罗马市场废墟中的一些柱子。这些柱子至今仍然屹立在附近波佐利小镇的海滨附近。这些于1750年发现的柱子曾令科学家困惑不解，因为柱子上布满海洋软体动物钻出来的孔洞。人们花了200年时间才终于解开这个谜。原来，这些柱子上之所以会留下海中双壳类生物钻出的洞，是因为柱子曾经浸没入海水中。后来随着火山口地面抬升，柱子又从海水中冒出来。

科学家对这些孔洞进行了年代测定，发现破火山口地面以每世纪大约1.7米的速度下沉。但这个破火山口在最近500年里也有两次短暂上升期。第一次大约始于1538年，结果形成一座134米高的山。第二次就是令火山学家担心的现在。

2000年前古罗马市场废墟中的柱子，柱子上布满海洋软体动物钻出来的孔洞。

德纳塔莱的办公室里有目前火山口地面上升的简单线状图表。他发现，从1969年到1972年火山口地面上升了1.7米，从1982年到1984年又上升了1.8米。后一个上升期中，还伴有许多小地震。线状图表显示了火山口地面的显著变化。在地质时间意义上的短短一瞬，代表地面上升速度的线条几乎呈垂直状。但是，从2005年开始的隆起却完全不同，这个时期的线条显示的是稳步、逐渐上升。

这一发现让德纳塔莱很兴奋。他说，20世纪70年代和80年代的两次隆升可能是由地下8千米处的一个岩浆房的岩浆上升引起的，在那波利市下方4千米处形成一个更浅的岩床。随着地壳承压，岩床破裂，导致地震，然后岩浆停止运动。到了2000年左右，岩浆层几乎完全冷却。从1985到2000年，这个火山口倒塌了近1米。但由于2005年以来地面的缓慢抬升，因倒塌失去的高度大部分已得到恢复，地震活动比之前有所减少。

维苏威火山口。

根据德纳塔莱的观点，破火山口地面出现破裂点可能并不取决于任何一次单一位移，而是取决于从这个过程一开始就积累起来的总位移量。因此，目前火山爆发的风险并不取决于2005年以来的地面抬升，而是取决于自1950年以来近4米的地面抬升。这意味着这个火山口已经承受了很大压力。问题是，再增加多大的压力就会超出它的承受能力？这一点，就连德纳塔莱也无法确定。

回顾历史预测未来

坎皮佛莱格瑞火山是否会爆发？这是一个难测的问题。预测未来火山活动，需要通过以往的历史教训来评估风险。正如火山口形成机制专家科斯塔所言：“不了解地质历史，就无法知道当前情势。”

科斯塔展开一幅地形图，用手指在地图上划过波西利波山脊，呈弧形的山脉一直延伸到对面大海中的伊斯基亚小岛。然后，他从山谷另一边起划出了一个13千米宽的椭圆形地区。他说：“那一片就是火山区。一场新的喷发有可能发生在这片区域里任何地方。”他拿出坎皮佛莱格瑞火山在过去宁静休眠和动荡喷发的时间表，“由于过去历史上火山活动的不规则，我们不知道火山活动是否己开始进入一个新时期。”

在该地区过去5000年火山爆发风险概率图上，以波西利波山为中心向外延伸，就像一幅五彩泼墨画，其中每一种颜色代表每年受如雪崩般袭来的火山碎屑流、超热岩石和岩石碎片影响的概率。然而，真正的威胁是坎皮佛莱格瑞火山向空中喷发的火山灰。加上风向的影响，即使是中等规模的喷发也会导致大片火山灰落在那波利人的头顶上。如果从空中降落的火山灰太多，甚至会导致一些屋顶平台倒塌。

2016年底，随着切奥迪尼研究论文的发表，媒体也开始争相报道坎皮佛莱格瑞火山爆发的潜在威胁。之后，德纳塔莱等人也提出类似警告。但是，火山口本身却一直平静。德纳塔莱后来说，“坎皮佛莱格瑞火山爆发的可能性比预期小。”他的团队是通过认真观察小地震发生模式变化、火山口地面隆起和对地下深处的应力分析而得出这个结论的。他们发现，岩浆、炽热的水或气体经过三个不同上升阶段后抵达火山口下面。每经历一个阶段，地面弹性都会被削弱一点。当最后达到“无弹性”阶段时，地壳延展已达极限，地壳变得僵硬无弹性，并出现许多小裂缝，随时都可能被上升的“地下火”冲开，导致火山喷发。

那波利城一部分是建立在坎皮弗格瑞火山口上的。火山一旦爆发，这座城市的命运可想而知。

坎皮佛莱格瑞火山噴发历史

坎皮佛莱格瑞火山是一个多口式喷发火山，曾发生三次喷发，其中两次是毁灭性喷发。

第一佛莱格瑞期大约4万年前，坎皮佛莱格瑞火山群发生一次巨大喷发，爆发强度极大，堪称欧洲最大火山爆发，喷出的火山灰导致穴居人——尼安德特人灭绝。

第二佛莱格瑞期大约1.28万年前，坎皮佛莱格瑞火山群又一次发生毁灭性喷发，形成了一个较小的火山口，位于波佐利镇旁。这一爆发产生大量黄色凝灰岩的熔结凝灰岩。

第三佛莱格瑞期1538年，最近的一次活动。此次喷发规模不大，喷出一种白色凝灰岩，造成那波利32人死亡。

科学家认为，目前坎皮佛莱格瑞火山口的地面隆起表明，地壳正处于一个从准弹性阶段向非弹性变形阶段的过渡中。火山口地面自1950年以来被推高约4米。如果上述结论无误，那么火山口地面在上升5～12.5米后将失去弹性。但由于火山爆发不可预知性，对火山喷发机制也了解不多，因此无法确知坎皮佛莱格瑞火山口是否会在今后几年或几十年里达到这个极限。

如前面所提到的那样，根据坎皮佛莱格瑞火山开始躁动不安的种种迹象来判断火山是否会在近期喷发，科学家产生了两种截然不同的判断模式：一种是以切奥迪尼为代表，密切关注的是“临界排气压力（CDP）”数据变化和地下热量上升对地壳岩石的削弱程度；另一种是以德纳塔莱为代表，关注的重点是岩石中张力的积累是否达到极限。然而，有一点是这两种模式都一致认同的，那就是坎皮佛莱格瑞火山在经历了多年的平静之后，正在开始从休眠中醒来。

这是一种让人不安的感觉。虽然在统计学上这座火山再次爆发的概率很小，但这种可能性一直存在。那波利最让人欣赏的是，它似乎拥有无穷无尽的活力。无论对未来火山喷发的预测多么可怕，人们一如既住在这里生活、奋斗。这是一座了不起的城市，尽管它的两侧是火山，脚下是岩浆，那波利却以屹立在“地下火”之上的雄姿，向世人展示人类挑战大自然威力的勇气。

火山爆发预测新技术

先进的气体监测设备和卫星GPS数据，为科学家预测毁灭性火山爆发提供更多依据。

1985年11月13日下午3点。哥伦比亚鲁伊斯火山爆发。几分钟之内，致命的黏土、冰和熔岩流从火山侧翼冲下，摧毁城镇和村庄。这一20世纪第二大火山灾难导致2.3万多人死亡，仅次于造成3万人死亡的1902年加勒比火山喷发。

在这次哥伦比亚火山爆发前，曾发生过小规模火山喷发和地震。虽然科学家注意到了火山活动异常，但无法确定火山只是会小规模喷发，还是会猛烈喷发。从那时起，火山喷发预测科学有了长足进步。例如，在1991年菲律宾吕宋岛皮纳图博火山爆发之前疏散了7.5万人。2010年印尼默拉皮火山喷发前，7万人及时撤离了危险地区。此外，新的远程预测方法和强大的计算机预测模型等都有助于提高火山活动预测能力。

据估计，全球大约有1550座活火山，但大多数只是偶尔发出可怕的隆隆声。其中，约20座火山在不停地冒烟喷火，但没有喷发。约50座火山每年都会爆发，这当中包括一些规模较大、足以引起灾难性后果的火山喷发。

为预测大规模火山爆发，科学家对从地下岩石内冒出的烟气成分进行测量。从二氧化碳与二氧化硫的比率变化中，可以发现地下岩浆动荡不安的线索。当岩浆开始上移，不那么容易溶解的二氧化碳就会最先产生气泡，并在随后当岩浆接近地表时冒出来。

几十年来，测量这些气体的方法就是沿着斜坡走向火山口取样，或者驾驶飞机飞向火山口向下俯冲取样。这两种方法都有很大风险。科学家已开发出一种能远程、持续监测目标气体的仪器系统，即“火山和大气变化观测网（NOVAC）”。该网成员使用低成本的便携式光谱仪，通过阳光穿过火山烟柱时被吸收的方式分析气体浓度。

还有一种分光计可用来测量二氧化硫水平变化。这种仪器可安装在活火山口下风几千米处，或安装在航空器或卫星上进行持续监测。目前，全球被以这种方式进行观察的火山大约已有35座。另一种多气体分析仪可用来持续测量二氧化碳和二氧化硫的比例。它被安装在火山口边缘烟柱笼罩的地方。在哥斯达黎加，安装在图里亚尔瓦火山的气体传感器可“嗅出不好的”火山气息。科学家发现，每次火山爆发前几周碳硫比均会急剧上升。

但是，NOVAC检测到的碳/硫比变化，并非在所有情况下都是可靠的旱期预警信号。例如，与图里亚尔瓦火山邻近的波阿斯火山最近一次喷发之前没能被检测记录到这种变化。研究人员认为，NOVAC未能检测到碳硫比变化，是因为波阿斯火山口形成的酸性湖泊。湖水吸收二氧化硫，同时允许二氧化碳通过，从而导致气体比例异常。随着压力形成和火山噴发的临近，这个湖里的二氧化碳极度饱和，表明有大量这种气体冒出来。这也是火山喷发正在剧烈酝酿中的一个明确示警信号。从波阿斯火山爆发中解读出的这一信号是一个里程碑式的进展，因为世界上有许多最不可预测且最有喷发可能性的火山（包括美国的鲁伊斯火山和日本的御岳火山）都有火山口湖。

哥斯达黎加两座火山的情况表明，没有一种“适合所有火山”的预警信号。成功预测的关键是要把对火山气体的监测和传统的地震监测方法结合起来，并配合其他揭示火山底下岩浆活动的新技术。

通过卫星上的全球定位系统（GPS），也可以监测火山表面活动。英国火山学家希基运用这类数据，生成一种模拟日本九州岛活火山樱岛火山活动的计算机模型。樱岛火山的最后一次大规模喷发是在1914年，造成58人死亡，随后还导致附近海滨城市鹿儿岛发生大规模洪灾。樱岛火山底下的岩浆库从那以后就一直在补充，导致几乎每天都有轻微喷发。

希基团队将该地区地形和岩石类型输入他们的模型中，并利用GPS定位系统测量的精确的地表移动数据来估算岩浆补充速度，结果表明，该地区地下岩浆库完全填满大约需要130年。也就是说，在未来30年里可储存到足够多的岩浆，导致与1914年相同规模的喷发。这一发现促使鹿儿岛市重新审查人员疏散计划。与此同时，希基正在为厄瓜多尔的火山和加勒比海地区小安的列斯群岛火山开发类似模型。