汤加火山活动与火山爆发指数

2022年1月15日，汤加火山剧烈喷发，引起了大家的关注，有些网友希望我科普火山知识。然而，我并非专门研究火山，只是在当年研究深源地震时，顺便剖析了火山活动与深源地震的关联性。在这样的知识背景下，我确实没能力做该方面的深度科普，但可以做点较浅科普，那就赶鸭子上架吧，于是就有了这篇博文。

1、火山分布及其活动特征

火山一般以火山链形式分布于汇聚型板块边界附近，仅少数位于离散型板块边界与构造活动强烈区域（图1），如大洋中脊、东非大裂谷等。目前，在地球上现已发现至少有1500座活火山，每年约有50座喷发。这些火山的分布具有一定的规律性，呈带状分布并且聚集在一定范围内。其中，环太平洋板块边界存在着全球将近90%的强烈火山活动。

图1 全球火山分布与1900-2013年全球M≥7.0地震分布（USGS）

2、板块俯冲导致的火山活动机制

关于火山活动机制，尚没有达成完全一致的认识。鉴于此，为节省篇幅，我仅科普主流认识。

Anderson and Natland（2014）研究发现，构造板块附近的岩浆很可能起源于上地幔特别是地幔转换带区域（图2），并非来源于地幔柱。这是由于俯冲带中矿物在高温高压下具有“脱水脱气”作用，在板块周围及其内部的岩石裂隙中形成自由水和大量气体（Thompson，1992）。一方面，目前大量的资料和研究已经表明地幔转换带区域可能存在着大量的自由水（Tetsuo et al.，1998；David and Shun-Ichiro，2003；Schmandt et al.，2014），这些自由水能够降低岩石熔融温度和岩浆粘度，有利于易流动岩浆的形成；另一方面，大量气体形成后开始聚集，这大大提高了岩浆房的压力（Mcguire et al.，1997；Blaser et al.，2014）。当岩浆房内部热量和压力积累到一定程度时，岩浆冲破地壳喷发，释放了地球内部尤其是地幔转换带中俯冲带附近的温度与压力（图3）。然后，地幔对流又不断将地核或者下地幔的热量带入到上地幔，俯冲带附近又开始新一轮的热量积累并不断形成自由水和岩浆，最终喷发，这不断消耗着地球深部热量。这种过程周而复始，形成了循环机制，使得俯冲带热结构和压力状态得以维持平衡状态。

图2 火山活动、地震与俯冲板块关系（据Green et al.（2010）修改）

（图中黄色三角形表示火山活动，红色点表示地震震源体位置）

图3 板块俯冲导致的火山活动机制

3、火山活动强烈程度的度量——火山爆发指数

火山活动的强烈程度通常采用火山爆发指数（Volcanic Explosivity Index，简称VEI）来衡量（Newhall and Self，1982），其主要根据喷发物体积及喷发柱的高度确定。VEI每增加一级，喷发物体积增加10倍，具体见表1（洪汉净 等，2003）。

表1 火山活动的强度等级

根据NOAA火山目录（https://www.ngdc.noaa.gov/），把全球1500年以来部分强烈火山活动列于表2。自1700年以来，平均每年全球火山活动释放的能量为2.8×10²⁴erg/a，与全球每年地震活动的能量4.9×10²⁴erg/a具有相同的量级，同样释放地球深部巨大能量（洪汉净 等，2003）。

表2  1500年以来全球的火山活动（VEI≥5）

VEI为8时的火山活动，属于超级火山喷发，其在能量上相当于M_W10.3地震。譬如，75000年前的美国黄石火山喷发，其相应的VEI为8，属于超级火山喷发。超级火山喷发，会严重威胁地球上的生物；不过，超级火山的喷发频率一般是数万年、数十万年的尺度。尽管如此，科学家们不应大意，应强化对超级火山活动机制的研究，以提出可靠的预测、预报、预警方法。

一拨人认为这次汤加火山喷发的VEI为6，而另一拨人认为其VEI为7，莫衷一是哦。尽管这次汤加火山喷发暂停了，但是否间隔几天后复活尚未可知。因此，要准确给出其VEI，需等待一段时间且在科学家确定喷发物体积后，方可定夺。

原文：https://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1322162.html