2022年1月15日世界标準時間4∶14，位于南太平洋東加俯沖帶火山鍊區域的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai（HTHH，175.39°W，20.55°S）火山爆發并激發全球性海嘯。聚焦火山噴發和海嘯波的觀測方法，介紹了海底傳感器、大氣波變化衛星圖、電離層擾動對火山噴發和海嘯的最新監測結果。結合該區域的地質構造與火山噴發曆史資料，綜述了2022年東加HTHH火山噴發引起的海嘯特征、最新觀測手段，提出了對俯沖帶火山海嘯等進行詳細的海洋地球實體調查、基于觀測綜合量化研究海底火山大規模噴發對全球氣候的潛在影響等建議。
俯沖帶是火山噴發、地震、大型滑坡等重大自然災害的頻發區域。這些海底構造事件的發生可能引發超大海嘯，給臨近沿岸地區造成大量人員傷亡與巨大經濟損失。2022年1月14日，位于南太平洋東加俯沖帶弧後區域的Hunga Tonga-Hunga Ha'apai（以下簡稱HTHH）海底火山噴發（圖1），釋放裡氏震級5.8級的能量，并引發了全球性海嘯，這次火山噴發及其産生的罕見海嘯在10h内迅速傳播到了環太平洋沿岸地區，導緻太平洋沿岸國家相繼釋出海嘯預警；海嘯信号随後到達了大西洋、印度洋、加勒比海和地中海等區域。此外，衛星觀測資料顯示此次火山噴發羽流高達58km，達到了大氣中間層，造成了電離層擾動，并從火山噴發區域在大氣層以波動的形式向全球範圍傳播，波動氣壓的變化被全球氣壓計網路成功記錄（圖1）。
圖1 環太平洋海底壓力計（藍色、綠色倒三角表示）與氣壓計（紅圈）台站分布圖（a）與東加火山區域地質圖（b）
聚焦此次罕見火山噴發及其引發海嘯的最新觀測結果，綜合整理與分析2022年HTHH火山噴發前地表的形變特征，噴發後引發的海嘯以及大氣波、電離層等多種新觀測結果，對俯沖帶火山海嘯等海洋地質災害的研究提出展望與建議。
東加俯沖帶區域構造及HTHH火山噴發前的地表形變特征
01 - 構造背景與曆史活動
在西南太平洋區域，快速移動的太平洋闆塊向澳洲闆塊俯沖彙聚，形成了世界上僅次于馬裡亞納海溝的第二深東加-克馬德克海溝（圖1）。該俯沖帶的彙聚速率約為20cm/a，具有非常活躍的弧後擴張和闆片後撤等特點。在過去約45個百萬年内，東加俯沖帶經曆了多期次的弧後擴張，并在弧後區域形成東加火山弧鍊（圖1（b）），該火山弧跨度很長，從斐濟的俯沖帶一直延伸到紐西蘭東北邊，其所覆寫的區域構造運動活躍，曆史上火山、地震、海嘯等地質災害頻發。
此次最新噴發的HTHH火山口位于東加首都努庫阿洛法（Nuku'alofa）以北約68km處（圖1（b））。該火山口在2014—2015年連續噴發後連接配接了2座無人居住的Hunga-Ha'apai和Hunga-Tonga小島。2022年噴發前的HTHH火山最高點海拔約100m，火山口處于海水下方，直徑約5km，整個火山寬約20km。至20世紀有曆史記錄以來，HTHH火山共噴發6次，分别為1912年、1937年、1988年（持續3d）、2009年（持續1周）和2014—2015年（持續5周）。其中2009年的火山噴發的火山爆發指數為2，且被追蹤到了火山的噴發階段；Garvin等通過衛星資料分析2014—2015年火山噴發形成的火山錐侵蝕速率約為0.00256/a。以上曆史資料顯示HTHH火山的噴發間隔約為20~50a，最新的2022年噴發時間間隔僅為7a，表明該區域構造與火山活動性明顯增加。
02 - 2022年HTHH火山噴發前的地表形變特征
對于HTHH火山噴發前的地表形變特征，胡羽豐等基于Sentinel-1衛星資料進行了分析，擷取了該火山在噴發前2019-07-06至2021-12-10期間的衛星雷達視線（LOS）向累積形變時間序列（圖2（a）~（h））。其中紅色為負值，代表沿LOS向遠離衛星；藍色為正值，表示沿LOS向靠近衛星。該結果顯示，在火山噴發前的觀測時間内，火山體有明顯的下沉現象且形變場呈類似于火山地表的半圓環形狀，并在火山口向山底方向位移速率逐漸減小。進一步分析火山口形變區2個參考特征點和的時間序列顯示（圖2（i）和（j）），點在觀測期間的累積位移下沉超過6cm，點的累積位移下沉約5cm，其下沉速率也呈階段性變化，在2020年6月和2020年8月前基本穩定，随後、點分别以約3.1cm/a和2.2cm/a的速度下沉，定量揭示了火山噴發前的地表輕微形變的時空演化特征。
圖2 HTHH火山噴發前地表形變記錄
2022年HTHH火山噴發形變特征
01 - 引發全球性海嘯
東加HTHH火山噴發後引發的海嘯在幾到數十個小時内迅速擴張至全球。全球沿海測潮站網絡，在太平洋、大西洋、印度洋以及在加勒比海和地中海等區域廣泛觀測到了明顯的海嘯波。Kubota等對環太平洋海底壓力計和氣壓計記錄的海嘯信号進行了分析（圖3），發現此次海嘯的實際到時（圖3（a）中的黑線）比理論上正常海底火山噴發引發的海嘯到達時間（圖3（a）中的綠線）早了2個多小時，傳播時間更為迅速；東加的最新報告顯示當地的海嘯可能至少達到15m，海嘯波傳到日本時高達2.7m。值得注意的是，太平洋周邊沿岸海嘯波的特征與世界其他地區明顯不同。這些沿岸台站記錄顯示，在最大的海嘯波（高達3m）達到之前先監測到了振幅較小的先導海嘯波；在太平洋之外的海域則主要監測到了這些最初的小波幅海嘯。
圖3 HTHH火山噴發後環太平洋海底壓力計信号記錄（a）與氣壓記錄（b）
東加HTHH火山噴發引發的海嘯與常見的俯沖帶大地震引發的海嘯相比有顯著的不同。一般情況下地震引發的海嘯會沿着長達數十或上百公裡的斷層線将海水從海底向上排開，而火山爆發引發的海嘯更像是一個點源向外擴散。目前用于研究的海嘯預報模型基本是基于地震觸發進行模拟，不太符合火山海嘯的情形。此外，這次噴發引起的海底壓力變化持續時間更長，海嘯的産生機制也更為複雜。最先到達沿岸的海嘯波波幅較小且與火山爆發産生快速移動大氣壓力波的傳播速度耦合（約300m/s），被認為是由大氣波傳播過程中與海水互相作用的結果。
02 - 激發大氣波
從理論上講，火山爆發和核試驗等大型爆炸将産生不同長度和頻率的大氣波。在水準方向上的短波長尺度上，可以引發蘭姆波（Lamb wave）、聲波和重力波。此外，火山可以在最初噴發後通過上升氣流與加熱羽流對流形成持續的波源。HTHH火山上空羽流持續釋放潛熱超過12h，是此次大氣波最重要的單個重力波源，激發了橫跨整個太平洋的圓形波面，之前從未觀測到單一震源産生如此量級的全球範圍的響應（圖4）。地球同步環境衛星GOES觀測顯示，在世界标準時間（UTC）04∶15左右，開始可以看到火山爆發，形成的羽流在30min内上升至30km高，覆寫200km的寬度。在羽流上升20~30min後，在10min分辨率的近紅外地球靜止圖像中可以看到明顯的大氣波。Wright等通過地面壓力資料的反向投影分析，判斷觸發源發生在UTC04∶28±0∶02，前波面以（318.2±6）m/s的近地面相速度在地表層傳播，并根據信号的高相位速度、大振幅和非色散特性分析，将其識别為蘭姆波。理論上蘭姆波的能量密度随高度呈指數衰減，觀測顯示其以（308±5）至 （319±4）m/s的相速度在平流層中傳播。蘭姆波在全球範圍内傳播，在火山噴發後18.1h（±7.5min）經過阿爾及利亞對跖點，接下來的幾天裡繞地球傳播了至少3次。基于大氣紅外測深儀（AIRS）、交叉航迹紅外探測儀（CrIS）、紅外大氣探測幹涉儀（IA⁃SI）和極軌熱紅外探測儀（IR）資料，初始重力波在蘭姆波之後在全球範圍内同樣被廣泛識别。重力波于1月16日UTC00∶30—02∶30（噴發後20~22h内）首次經過HTHH火山的對跖點，以（238±3）至（269±3）m/s的相速度在平流層中傳播。綜合觀測分析顯示，初始的蘭姆波和重力波之間的傳播距離差随着時間的推移而增大。
圖4 HTHH火山爆發引發的大氣波傳播（地球同步環境衛星GOES觀測）
03 - 引起電離層擾動
地球表面的突然運動引起的大氣波會通過大氣傳播到上層大氣，最終引起移動電離層的擾動（TIDs）。這種變化過去已經在地震、海嘯、火山爆發、地下核爆炸等情景下被監測到。HTHH火山噴發後，火山上空電離層的垂直總電子含量（TEC）明顯減少，全球導航衛星系統（GNSS）接收網絡在日本上空監測到了電離層擾動的移動軌迹。Saito在TEC的擾動中觀察到2種不同特征的電離層擾動信号。第一個擾動信号在火山噴發3h後抵達日本，距離火山口約7800km，振幅約為±0.5TECU。第二個擾動信号在火山噴發7h後抵達日本，振幅約為±1.0TECU。
除了日本上空，全球的其他區域也監測到了HTHH火山噴發引起的電離層擾動信号。Themens等使用了全球4735個全球導航衛星系統接收器的測量資料，第一時間跟蹤了此次HTHH火山噴發造成相關的電離層擾動的移動信号（圖5）。通過選取全球範圍内不同區域的電離層異常信号進行分析（紐西蘭、澳洲、夏威夷、日本、北美東部、南非和北歐，圖5（b）~（h）），發現2個不同的大尺度移動電離層擾動和幾個随後的中尺度移動電離層擾動，這2個擾動信号都從噴發點向外徑向傳播。在距離噴發中心3000km的範圍内，最初觀測到波長為1600km的大尺度移動電離層擾動信号分别以約950m/s和約555m/s的速度傳播，随後顯著減緩至約600和約390m/s。該信号為全球電離層響應的主要信号，與火山噴發相關的大氣表面壓力擾動一緻。中尺度移動電離層擾動信号在火山噴發後6h内觀測到，其速度為200~400m/s。
圖5 HTHH火山爆發在全球範圍内引發的電離層效應觀測記錄
結論
總結了2022年東加HTHH火山爆發以來關于噴發和海嘯的最新觀測與研究。HTHH火山海嘯在世界各地引發的不同尋常地球實體場的變化，反映了海底火山爆發時，整個噴發過程與大氣層、岩石圈和海洋互相作用的複雜性，及其可能造成的全球範圍的海洋地質災害影響。從這次事件獲得的啟示和對将來研究建議如下。
1）此次火山噴發引起的海嘯特征複雜，尤其是火山體附近的地質結構變化及其對海嘯的貢獻尚不清楚，亟需詳細的海洋地球實體調查來揭開這個謎團。現有的模型不足以提供準确的海嘯模拟，是以需要建立一種新的非地震觸發海嘯模型，并納入到全球海嘯預警系統，以便及時為具有相似俯沖帶地質構造特征的沿岸城市和居民提供相關緊急預警、疏散和救援等措施。
2）此次火山噴發向大氣中釋放了大量的能量和不同成分的氣體，在全球範圍内激發了重力波、大氣波，造成電離層擾動等，迫切需要基于這些最新的觀測綜合量化研究海底火山大規模噴發對全球氣候的潛在影響，且跨學科合作探讨海洋地質災害與大氣響應之間的關系，地球不同圈層之間的互相作用等。
3）利用新觀測手段加強海底火山型海嘯的觀測，建立和完善全球俯沖帶沿岸海嘯預警與氣候監測系統。
4）巨大型海洋地質災害是全球範圍内的，建議增強國際合作與救援，共同打造一個持續性宜居的家園。
本文作者：鄭婷婷、邱強、林間
作者簡介：鄭婷婷，中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，南海生态環境工程創新研究院，南方海洋學與工程廣東省實驗室（廣州），中國-巴基斯坦地球科學研究中心，中國科學院-巴基斯坦高等教育委員會，助理研究員，研究方向為海洋地質與地球實體；林間（通信作者），中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，南海生态環境工程創新研究院，南方海洋學與工程廣東省實驗室（廣州），中國-巴基斯坦地球科學研究中心，中國科學院-巴基斯坦高等教育委員會，南方科技大學海洋科學與工程系，伍茲霍爾海洋研究所，教授，研究方向為海洋地質與地球實體、地球動力學。
原文發表于《科技導報》2023年第2期，歡迎訂閱檢視。