暴雨后不见彩虹却引来一场持续四个月的火山喷发？

澎湃新闻 2020-05-25 10:11 大字

原创 liweiran 我是科学家iScientist

2018年5月3日，一场灾难悄然降临在美国夏威夷岛。

伴随着奇怪的轰鸣，夏威夷岛东南侧的一处居民区——雷拉尼庄园的地面突然裂开一条几百米长的裂缝，温度高达上千摄氏度的岩浆从这里喷出，房屋瞬间燃起熊熊大火，数千居民只得带上贵重物品匆忙逃离，眼看家园化为废墟。

2018年5月，基拉韦厄火山喷发产生的熔岩流进入居民区｜npr.org

岩浆源源不断地从新出现的裂缝中涌出，不仅摧毁了民房，还霸占了周围的公路。当地政府因此封锁了喷发附近的主道路，并派出军队把守在出入口。

喷发形成的岩浆涌上公路｜usatoday

由于工作原因，我当时正好在夏威夷岛，傍晚驾车行驶在距离喷发口几公里外的公路上，可以清晰地看见流动在地表的熔岩倒映于天空中的红色火光。

2018年6月1日，夏威夷岛。流动于地表的熔岩倒映在天空的火光 | 作者拍摄

夏威夷岛最活跃的火山：

基拉韦厄火山

从雷拉尼庄园喷出地面的岩浆，其实来源于三十公里开外的基拉韦厄（Kīlauea，夏威夷语意为“喷涌”）火山。它是夏威夷岛四座活火山中最活跃的一个：仅在20世纪，就曾喷发过大约52次。与常见的“火山口喷出岩浆”不同，发生在基拉韦厄火山的，是稍显狡猾的“裂隙式喷发”——由于处在裂谷区，这里的浅层地壳比较“脆弱”，更容易被岩浆折断、撕裂，形成喷发，因此也更难以防范。2018年的这次喷发一共形成了大约24个喷发口。

2018年5月，岩浆从夏威夷岛雷拉尼庄园的地表，撕开一条长达六百多米的裂缝｜theatlantic

夏威夷火山的岩浆，大多数是镁铁元素含量较高的硅酸质玄武岩。这些岩浆的粘度较小，像从地下源源不断挤出的番茄酱，在地面上缓缓流动，有的可以长途跋涉数十公里。

“八号裂缝”（图上方火光处）当属2018年喷发中最“长寿”的喷发口。它持续喷发了三个多月，喷出岩浆的速率最高达到每秒钟50到150立方米｜美国地质调查局USGS

这场喷发持续了四个月，直到2018年9月才结束。岩浆覆盖了约35平方千米的土地，摧毁了超过700座房屋，造成了超过8亿美元的经济损失。

一部分岩浆流入太平洋，与原有的海岸线连结起来，使夏威夷岛的面积增加了超过3平方千米。

2019年拍摄的卫星图像显示了2018年喷发形成的熔岩流覆盖的巨大区域（图中灰黑色部分）｜美国地质调查局USGS

火山喷发的背后推手

大多数情况下，火山喷发与储藏在地幔或下地壳的深部岩浆向地表运动有关。

当上涌的岩浆体积足够大，位于地表的火山山体往往会发生形变，整体向上抬升。这些岩浆活动，通常会被位于地表的火山监测系统（比如形变观测仪和GPS），或环绕地球的卫星（以拍摄图像的形式）记录下来。

然而，2018年的这次喷发，并没有在卫星图像中留下明显的“山体抬升”痕迹。究竟是什么引起了这次喷发？为什么这次喷发与过去三十五年中发生过的喷发相比，规模更大，持续时间更长？

2020年4月，来自迈阿密大学的两位科学家杰米·法夸尔森（Jamie I. Farquharson ）和法尔克·阿梅隆（Falk Amelung）在《自然》杂志上发表了一篇文章[1]，提出这次喷发可能与喷发前过量的降雨有关。

夏威夷岛全年降水主要集中在三月到八月之间。在2018年1月中下旬，夏威夷岛所在的北太平洋地区的大气圈曾出现大规模（范围超过1000千米）的气流变化，使得该岛在接下来的几个月内，持续处于低气压环境。

这篇论文指出，根据美国国家航空航天局（NASA）的卫星数据，基拉韦厄火山所在地区2018年第一季度的降雨量累积达到2.25米，远高于过去十九年（第一季度）中平均0.9米的降雨量，而2018年喷发前一个月的总降雨量约1米，这大约是过去十九年每月平均降雨量的10倍。

基拉韦厄火山2018年喷发前的降雨量，与2000-2019年之间降雨量的对比（a）每日累计降雨量;（c）每月累计降雨量;（e）每半年累积降雨量 | 参考文献[1]

这篇论文还提出，自1790年以来，基拉韦厄火山的喷发超过六成（总共33次喷发中的20次）都发生在“雨季”。就连发生在1924年5月，基拉韦厄火山自19世纪以来最剧烈的那次喷发，也正好发生在异常大量的降雨之后。

然而，即使降雨与喷发时间恰好重合，降雨到底如何引起火山喷发呢？

论文的两位作者认为，大量降雨会渗入火山底下的地层，导致地下深度约1千米~3千米的地层水压力增大，使本就脆弱的裂谷区地层更容易破裂。岩石破裂产生的裂隙使岩浆更容易从地壳深部上涌，最终促成了喷发。

利用火山所在区域以往的降雨记录及卫星数据，他们计算出了2018年喷发前火山所在区域地下水水压随时间的变化，认为这次喷发前的压力，达到了过去45年来的最大值（约数百帕斯卡）。

不仅如此，过去45年中暴雨导致地下水压力陡增的时间段，也恰好与卫星数据显示的多次岩浆上涌的时间段相吻合。因此他们认为，过量的降雨是引起2018年基拉韦厄火山喷发的主要原因。

不过，事实是否真的如此？

“过量降雨引起火山喷发”仍存争议

这篇发表在《自然》杂志的论文，自今年4月刊出以来，在火山学界引起了不小的争论。

“降雨可能引起浅层蒸汽式喷发”的说法虽早已存在，但这个过程被认为仅发生离地表很近的地方，远未达到论文中提到的“距地面3千米深处”。加州大学伯克利分校的著名火山学家迈克尔·曼加（Michael Manga），在《自然》杂志上发表了一篇针对此文的评论文章 [2]，提出了三个疑虑。

首先，这篇论文计算的地下水压力增值很小，仅数百帕斯卡，这一数值甚至小于潮汐对火山体系造成的应力变化。如此小的压力变化，只有在地下岩石已达到“几近破裂”的临界点时，才有可能发挥文中提到的作用。

其次，虽然这样的地下水压力变化有可能引发地震（2018年喷发初期，基拉韦厄火山周围也的确发生过一次6.9级地震），但是，地震可能会使积聚在岩浆房周围地层中的压力得到释放，压力减小的岩浆则更难“突出重围”向地表移动，这反而抑制了火山喷发的发生。

最后，较浅地层中的地下水很可能以气体（而非液体水）的形式存在，这就意味着地层中实际的压力变化，很可能比论文中推导出的压力值更小。

另外，美国地质调查局（USGS）夏威夷火山监测所的科学家们曾在2019年的《科学》杂志发表过一篇论文。他们，早在2018年喷发前两个月，他们就利用安置于Pu“u “ō“ō喷气口附近的测斜仪，观察到了由岩浆地下活动引起的地表形变，并且在4月17日（喷发前约两周）公开发布了预警，提出可能会有新的喷发口出现在Pu“u “ō“ō喷气口周围，或者是东部裂谷区内（这也正是实际喷发发生的区域）。

如果要验证两位学者提出的“降雨与地下水压力变化”的模型是否正确，还需要对比地下水的监测数据。可惜的是，目前世界上大部分火山的监测工作，还并未涉及到地下水监测。

如此看来，降雨到底能否引发火山喷发，答案还有待商榷。

极端天气，

会导致更频繁的火山喷发吗？

虽然目前无法确定暴雨与火山喷发是否存在必然的联系，但可以确定的是，降雨量及地下水压力的变化，应该在未来被纳入火山监测的范围。

在全球变暖，极端天气越发频繁的今天，火山喷发除了很大程度上受地球内部活动的影响，也很可能诱发于多种外部因素的相互作用。

而以上关于火山喷发成因的争论，也间接告诉了我们，人类目前对火山的认识非常有限。

不论是对火山，还是对其他自然现象的探索，仍然路漫漫其修远兮。不过，借助科学的手段，更多谜题会在未来揭开。

关于火山，你还好奇哪些话题？欢迎留言~

作者名片

作者：liweiran

编辑：Yuki

排版：雷颖

参考资料：

[1] J. I. Farquharson & F. Amelung (2020). Extreme rainfall triggered the 2018 rift eruption at Kīlauea Volcano. Nature, 580: 491-495. DOI: 10.1038/s41586-020-2172-5