美国最危险火山剧烈喷发3个月:竟然是因为雨下多了?

来源:泡面小镇

夏威夷是一个发育在地幔热点上的火山岛链,频繁的火山活动造就了夏威夷群岛,但火山的威胁也成为了悬在当地居民和游客头顶的“达摩克利斯之剑”。作为群岛上活动最频繁的一座火山,基拉韦厄火山被美国地质调查局评为美国最危险的火山。

基拉韦厄火山是夏威夷群岛上活动最频繁的一座火山。2018年5月开始,基拉韦厄火山经历了一系列大规模的喷发事件。综合持续时间、复杂性等因素,火山学家将这次喷发评价为“在现代记录中前所未有的一次火山喷发”。

然而近2年过去了,火山学家仍然不清楚是什么引发了这次火山活动。

近日,一项发表于《自然》的论文提出了一个争议性的新观点——这次火山喷发或许与降水有关。

美国最危险火山剧烈喷发3个月:竟然是因为雨下多了?
基拉韦厄火山喷发(图片来源:U.S. Geological Survey)

自1983年起,基拉韦厄火山的喷发几乎就没有停过,不过由于岩浆粘性低、流动性高,这里很少发生人们想象中那种“一声爆炸巨响后,岩浆喷上高空”的火山爆发。多数情况下,岩浆只会安静地沿着破火山口或是裂隙流出。

当地时间2018年4月30日,基拉韦厄火山的Pu`u `O`o火山口突然崩塌,宣告了一轮尤为剧烈的火山喷发的开始。

就在4天后,火山东部的地面突然开裂,裂隙中先是喷出了富含二氧化硫的火山气体,随后就开始涌出岩浆。流淌在门前院后的岩浆,迫使当地居民及游客不得不迅速撤离。

5月10日,由于地下的岩浆大量从东部裂谷带涌出,西部Halema'uma'u火山口内的熔岩湖下降了近300米。

这样的变化引发了连锁反应:由于内部的岩浆流失,Halema'uma'u火山口在此后发生了数十次坍塌及爆炸,火山口升起了巨大的烟柱,甚至达到了9千米高。

然而5月只是个开始,基拉韦厄火山的喷发并未就此停歇。到了6月初,火山的东部裂谷带已经形成了24条裂隙,涌出地表的岩浆(称为熔岩)流速可达约100立方米/秒,每天释放的火山气体超过了5.5万吨。

这时,地下浅层的岩浆基本消耗殆尽了,更深层的岩浆开始上涌,一些裂隙中喷出的岩浆达到了80米高。

这些上千摄氏度的高温流体在短短90分钟内就蒸发了岛上最大的淡水湖,并沿着Kapoho湾的海岸流入海洋,最终冷却形成了熔岩三角洲。

美国最危险火山剧烈喷发3个月:竟然是因为雨下多了?
卫星图像显示,6月3日(左)熔岩向Kapoho湾地区推进,到了6月5日(右),熔岩已经覆盖了Kapoho湾的大部分地区,甚至流入海中。(图片来源:DigitalGlobe, via Associated Press)

持续而剧烈的火山活动直到8月初才慢慢平息下来,裂谷区流出的岩浆大大减少,二氧化硫排放量也急剧下降。

到9月22日夏威夷火山国家公园重新开放时,基拉韦厄火山的岩浆覆盖了该岛约35.5平方千米的土地,摧毁了700余所房屋,流出的岩浆能填满32万个奥林匹克标准泳池。

此次火山喷发的停歇,也标志着始于1983年,持续了35年的基拉韦厄火山喷发终于暂告一段落。

降雨引发了火山喷发?

和许多火山学家一样,在过去的近2年间,美国迈阿密大学的杰米·法夸尔森(Jamie Farquharson)和法尔克·阿梅隆(Falk Amelung)也致力于研究是什么导致了2018年基拉韦厄火山如此剧烈且持续的喷发。

在火山内部,岩浆会聚集在一起,形成岩浆房。当岩浆房内的压力足够大时,岩浆就能突破围岩,上升到地表,并导致火山喷发。

一般来说,在火山喷发前,这个压力会导致地面发生几十厘米的隆起,这也成为了人们预测火山喷发的一种有效手段。

然而在2018年基拉韦厄火山喷发前,并没有观察到明显的地面隆起。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)数据显示,从2014年中旬到2017年中旬,基拉韦厄火山附近地表的确发生了0.3米的隆起。

但是在此之后,直到2018年火山喷发前,地面隆起只有约0.01米,因此,法夸尔森和阿梅隆开始考虑是否存在其他影响因素。

他们将目光投向了降水量,这时一个令人惊讶的巧合出现了:在2018年上旬,该地区出现了远超往年的大量降雨。

NASA的TRMM/GPM卫星数据显示,在2018年的第一季度,基拉韦厄火山附近的降水量达到了2.25米,而过去19年该地区第一季度的降水平均值仅为0.9米。

这使他们产生了一个新想法——是不是大量降水导致了此次异常的火山喷发事件呢?

事实上,他们的猜测并不是毫无依据。过去曾有研究提出,过量的降水能够导致地下应力的变化,从而形成新断层或是激活老断层,并导致山体滑坡和地震等地质现象。

另外,还有研究显示,大雨落在灼热的火山顶上后,可能会导致火山顶坍塌,从而引发火山爆发。然而这只是降水与浅层岩浆的直接作用,过去从未有研究将降水与地层深处的岩浆活动联系起来。

为了验证他们的想法,法夸尔森和阿梅隆建立了一个模型,模拟了在大量降雨后,基拉韦厄火山内部流体压力的变化。

按照他们的想法,降落的雨水会渗透到地下深层的岩石孔隙中,从而积累应力,这份应力可以直接导致地层机械性断裂,并诱发火山活动。

模型的运算结果也支持了他们的假设。模型显示,就在2018年那次火山喷发前,在地表以下约3千米的深度,流体压力达到了半世纪以来的最高值。

除此之外,他们的假设还能解释为何在火山喷发前没有发生明显的地表隆起:因为并不是岩浆房内的压力增加了,而是降雨带来的压力导致东部裂谷带更加脆弱了。

换句话说,并不是岩浆加大了“撞门”的力度,而是围岩主动“解开了门锁”,那么自然就看不到岩浆“撞门”的痕迹了。

他们随后重新检查了自1970年起,基拉韦厄火山喷发与降水量的关系。更令法夸尔森和阿梅隆兴奋的是,夏威夷群岛上“雨季”火山喷发的概率比“旱季”高出一倍——尽管夏威夷群岛上“雨季”比“旱季”要短,但仍有60%的火山喷发发生在“雨季”。

“我们越是深入挖掘数据,就有越多的证据指向降雨导致了火山喷发这一结论。”法夸尔森这样介绍道。

他还强调,如果基拉韦厄火山是这种情况,那么其他火山很可能也一样:“已经有研究证明,冰岛冰盖的融化会影响火山活动。如果我们能确定在全球范围内,哪些地区的降水量和火山活动间存在关联,那将为火山活动预报提供很大的帮助。”

存在争议

在这项出人意料的研究发表后,也出现了许多质疑的声音。在接受《科学》杂志的采访时,几位相关研究者也提出了他们的怀疑。

英国东安格利亚大学的火山学家詹尼·巴克利(Jenni Barclay)认为,降雨只可能是此次火山喷发的助因,而不是主要驱动因素。这起火山喷发非常复杂,“应当是一系列的巧合事件诱发了这次喷发。”

美国地质调查局黄石火山观测站的火山学家迈克尔·波伦(Michael Poland)也同意这一看法。自1983年开始,基拉韦厄火山一直在持续喷发,而在2017年11月后,该地区喷出的岩浆总量开始下降。

波伦认为,这可能就像是水管堵了一样,岩浆不能那么顺畅的喷出导致火山内部岩浆房压力不断积累。对于火山喷发前地面仅隆起了几厘米的原因,波伦认为这与降水没有关系,并且恰好证明当时岩浆房内的压力已经高到了极致。

而美国加州大学伯克利分校的地球科学家迈克尔·曼加(Michael Manga)从另一个角度提出了怀疑。他表示,考虑到即使是融雪带来的应力变化也能诱发小规模的地震,“这篇文章的假设也不是完全没有道理。”

不过,对于如此大规模的火山系列喷发事件来说,降水带来的应力变化还是太小了,“它(降水带来的应力变化)甚至比月球的潮汐力还要小。”

而更让他担忧的是,这一结论可能会给基拉韦厄火山附近的居民带来困扰:“对于真的住在火山附近的那些人,难道真的要让他们每逢大雨就忧心忡忡吗?还是不要吧。”

对此,法夸尔森表示,他也不希望造成过度恐慌:“我们并不是说,夏威夷每次一下雨火山就会喷发。”不过,他还是建议应当监控全球各处活火山区域的降水情况,毕竟其成本很低。同时,他还希望能够获得更多卫星数据,来研究其他区域火山喷发与降水的关系。“如果在未来的研究中,我们能够拿出更多证据支持自己的结论,那么许多人可能就会他们的看法了。”

原始论文:

Farquharson, J.I., Amelung, F. Extreme rainfall triggered the 2018 rift eruption at Kīlauea Volcano. Nature 580, 491–495 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2172-5

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