美國最危險火山劇烈噴發3個月:竟然是因為雨下多了?

夏威夷是一個發育在地幔熱點上的火山島鏈,頻繁的火山活動造就了夏威夷群島,但火山的威脅也成為了懸在當地居民和遊客頭頂的「達摩克利斯之劍」。作為群島上活動最頻繁的一座火山,基拉韋厄火山被美國地質調查局評為美國最危險的火山。

基拉韋厄火山是夏威夷群島上活動最頻繁的一座火山。2018年5月開始,基拉韋厄火山經歷了一系列大規模的噴發事件。綜合持續時間、複雜性等因素,火山學家將這次噴發評價為「在現代記錄中前所未有的一次火山噴發」。

然而近2年過去了,火山學家仍然不清楚是什麼引發了這次火山活動。

近日,一項發表於《自然》的論文提出了一個爭議性的新觀點——這次火山噴發或許與降水有關。

美國最危險火山劇烈噴發3個月:竟然是因為雨下多了?
基拉韋厄火山噴發(圖片來源:U.S. Geological Survey)

自1983年起,基拉韋厄火山的噴發幾乎就沒有停過,不過由於岩漿粘性低、流動性高,這裡很少發生人們想像中那種「一聲爆炸巨響後,岩漿噴上高空」的火山爆發。多數情況下,岩漿只會安靜地沿著破火山口或是裂隙流出。

當地時間2018年4月30日,基拉韋厄火山的Pu`u `O`o火山口突然崩塌,宣告了一輪尤為劇烈的火山噴發的開始。

就在4天後,火山東部的地面突然開裂,裂隙中先是噴出了富含二氧化硫的火山氣體,隨後就開始湧出岩漿。流淌在門前院後的岩漿,迫使當地居民及遊客不得不迅速撤離。

5月10日,由於地下的岩漿大量從東部裂谷帶湧出,西部Halema’uma’u火山口內的熔岩湖下降了近300米。

這樣的變化引發了連鎖反應:由於內部的岩漿流失,Halema’uma’u火山口在此後發生了數十次坍塌及爆炸,火山口升起了巨大的煙柱,甚至達到了9千米高。

然而5月只是個開始,基拉韋厄火山的噴發並未就此停歇。到了6月初,火山的東部裂谷帶已經形成了24條裂隙,湧出地表的岩漿(稱為熔岩)流速可達約100立方米/秒,每天釋放的火山氣體超過了5.5萬噸。

這時,地下淺層的岩漿基本消耗殆盡了,更深層的岩漿開始上涌,一些裂隙中噴出的岩漿達到了80米高。

這些上千攝氏度的高溫流體在短短90分鐘內就蒸發了島上最大的淡水湖,並沿著Kapoho灣的海岸流入海洋,最終冷卻形成了熔岩三角洲。

美國最危險火山劇烈噴發3個月:竟然是因為雨下多了?
衛星影像顯示,6月3日(左)熔岩向Kapoho灣地區推進,到了6月5日(右),熔岩已經覆蓋了Kapoho灣的大部分地區,甚至流入海中。(圖片來源:DigitalGlobe, via Associated Press)

持續而劇烈的火山活動直到8月初才慢慢平息下來,裂谷區流出的岩漿大大減少,二氧化硫排放量也急劇下降。

到9月22日夏威夷火山國家公園重新開放時,基拉韋厄火山的岩漿覆蓋了該島約35.5平方千米的土地,摧毀了700餘所房屋,流出的岩漿能填滿32萬個奧林匹克標準泳池。

此次火山噴發的停歇,也標誌著始於1983年,持續了35年的基拉韋厄火山噴發終於暫告一段落。

降雨引發了火山噴發?

和許多火山學家一樣,在過去的近2年間,美國邁阿密大學的傑米·法誇爾森(Jamie Farquharson)和法爾克·阿梅隆(Falk Amelung)也致力於研究是什麼導致了2018年基拉韋厄火山如此劇烈且持續的噴發。

在火山內部,岩漿會聚集在一起,形成岩漿房。當岩漿房內的壓力足夠大時,岩漿就能突破圍岩,上升到地表,並導致火山噴發。

一般來說,在火山噴發前,這個壓力會導致地面發生幾十厘米的隆起,這也成為了人們預測火山噴發的一種有效手段。

然而在2018年基拉韋厄火山噴發前,並沒有觀察到明顯的地面隆起。合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)數據顯示,從2014年中旬到2017年中旬,基拉韋厄火山附近地表的確發生了0.3米的隆起。

但是在此之後,直到2018年火山噴發前,地面隆起只有約0.01米,因此,法誇爾森和阿梅隆開始考慮是否存在其他影響因素。

他們將目光投向了降水量,這時一個令人驚訝的巧合出現了:在2018年上旬,該地區出現了遠超往年的大量降雨。

NASA的TRMM/GPM衛星數據顯示,在2018年的第一季度,基拉韋厄火山附近的降水量達到了2.25米,而過去19年該地區第一季度的降水平均值僅為0.9米。

這使他們產生了一個新想法——是不是大量降水導致了此次異常的火山噴發事件呢?

事實上,他們的猜測並不是毫無依據。過去曾有研究提出,過量的降水能夠導致地下應力的變化,從而形成新斷層或是激活老斷層,並導致山體滑坡和地震等地質現象。

另外,還有研究顯示,大雨落在灼熱的火山頂上後,可能會導致火山頂坍塌,從而引發火山爆發。然而這只是降水與淺層岩漿的直接作用,過去從未有研究將降水與地層深處的岩漿活動聯繫起來。

為了驗證他們的想法,法誇爾森和阿梅隆建立了一個模型,模擬了在大量降雨後,基拉韋厄火山內部流體壓力的變化。

按照他們的想法,降落的雨水會滲透到地下深層的岩石孔隙中,從而積累應力,這份應力可以直接導致地層機械性斷裂,並誘發火山活動。

模型的運算結果也支援了他們的假設。模型顯示,就在2018年那次火山噴發前,在地表以下約3千米的深度,流體壓力達到了半世紀以來的最高值。

除此之外,他們的假設還能解釋為何在火山噴發前沒有發生明顯的地表隆起:因為並不是岩漿房內的壓力增加了,而是降雨帶來的壓力導致東部裂谷帶更加脆弱了。

換句話說,並不是岩漿加大了「撞門」的力度,而是圍岩主動「解開了門鎖」,那麼自然就看不到岩漿「撞門」的痕迹了。

他們隨後重新檢查了自1970年起,基拉韋厄火山噴發與降水量的關係。更令法誇爾森和阿梅隆興奮的是,夏威夷群島上「雨季」火山噴發的概率比「旱季」高出一倍——儘管夏威夷群島上「雨季」比「旱季」要短,但仍有60%的火山噴發發生在「雨季」。

「我們越是深入挖掘數據,就有越多的證據指向降雨導致了火山噴發這一結論。」法誇爾森這樣介紹道。

他還強調,如果基拉韋厄火山是這種情況,那麼其他火山很可能也一樣:「已經有研究證明,冰島冰蓋的融化會影響火山活動。如果我們能確定在全球範圍內,哪些地區的降水量和火山活動間存在關聯,那將為火山活動預報提供很大的幫助。」

存在爭議

在這項出人意料的研究發表後,也出現了許多質疑的聲音。在接受《科學》雜誌的採訪時,幾位相關研究者也提出了他們的懷疑。

英國東安格利亞大學的火山學家詹尼·巴克利(Jenni Barclay)認為,降雨只可能是此次火山噴發的助因,而不是主要驅動因素。這起火山噴發非常複雜,「應當是一系列的巧合事件誘發了這次噴發。」

美國地質調查局黃石火山觀測站的火山學家邁克爾·波倫(Michael Poland)也同意這一看法。自1983年開始,基拉韋厄火山一直在持續噴發,而在2017年11月後,該地區噴出的岩漿總量開始下降。

波倫認為,這可能就像是水管堵了一樣,岩漿不能那麼順暢的噴出導致火山內部岩漿房壓力不斷積累。對於火山噴發前地面僅隆起了幾厘米的原因,波倫認為這與降水沒有關係,並且恰好證明當時岩漿房內的壓力已經高到了極致。

而美國加州大學伯克利分校的地球科學家邁克爾·曼加(Michael Manga)從另一個角度提出了懷疑。他表示,考慮到即使是融雪帶來的應力變化也能誘發小規模的地震,「這篇文章的假設也不是完全沒有道理。」

不過,對於如此大規模的火山系列噴發事件來說,降水帶來的應力變化還是太小了,「它(降水帶來的應力變化)甚至比月球的潮汐力還要小。」

而更讓他擔憂的是,這一結論可能會給基拉韋厄火山附近的居民帶來困擾:「對於真的住在火山附近的那些人,難道真的要讓他們每逢大雨就憂心忡忡嗎?還是不要吧。」

對此,法誇爾森表示,他也不希望造成過度恐慌:「我們並不是說,夏威夷每次一下雨火山就會噴發。」不過,他還是建議應當監控全球各處活火山區域的降水情況,畢竟其成本很低。同時,他還希望能夠獲得更多衛星數據,來研究其他區域火山噴發與降水的關係。「如果在未來的研究中,我們能夠拿出更多證據支援自己的結論,那麼許多人可能就會他們的看法了。」

原始論文:

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