火山
冰岛如何预测火山喷发
了解科学家如何监测和预测冰岛的火山喷发
冰岛是世界上地质活动最活跃的地方之一。这也是冰岛如此独特、充满活力的原因！然而，正因如此，科学家和政府专家必须能够有效预测火山喷发的时间和地点，这一点至关重要。
但是，你有没有想过，在熔岩从大地喷涌而出之前，一切在地下似乎都是隐形的，火山学家又是如何预测喷发的呢？现在就来了解冰岛的自然灾害和科学专家在预测火山喷发时所使用的数据类型以及面临的挑战吧。
2022年8月，冰岛雷克雅内斯法格拉达尔火山系统梅拉达利尔喷发的第一天，冰岛大学的火山学家准备进行熔岩测量。 照片由 Jessiac Poteet 拍摄。
冰岛的火山是如何形成的
在了解监测冰岛火山的科学们收集的数据类型之前，我们需要先简单了解一下这些火山系统是如何形成的（当然，这只是非常宽泛的介绍！）。
了解它们的形成过程，有助于我们明白科学家为什么要收集这些数据。以下是许多冰岛火山开始喷发前阶段的简短过程：
岩浆从地球深处向上移动。在许多冰岛火山中，岩浆在喷发开始前数年或数月就会开始在地下聚集。当岩浆从地壳深处或地幔边界向上和向外移动时，它会破坏现有的基岩，并开始在地下聚集。
岩浆开始聚集。它会聚集在不同类型的岩浆储存区，如岩床或岩浆房。这些是地下的不同类型的储蓄库，其大小、形状和使用时间各不相同。
岩浆量增加，压力增大。 随着地下岩浆体积的增加并挤压基岩，压力将开始积聚。如果聚集了足够多的岩浆，岩浆聚集区上方的地面就会开始抬升。
岩浆被注入浅层地壳。当压力和体积达到最大值时（每个火山系统都不同），岩浆就会突破束缚，通过火山通道、现有火山的喷发口，或新形成的火山裂隙（由岩脉和裂缝网络组成）迅速移动到地表。
岩浆喷发，变成熔岩。 岩浆将突破地面，要么（a）爆发式喷发，产生熔岩、喷出物和火山灰，如艾雅法拉火山（Eyjafjallajökull），要么（b）溢流式喷发，流出熔岩，如目前在法格拉达尔火山（Fagradalsfjall）和斯瓦岑吉（Svartsengi）的喷发。
*那么，我们为什么要梳理这个过程呢？*因为现在你已经知道了科学家和自然灾害专家在预测火山接下来的生命走向时，所寻找的关键地质步骤和时刻。他们正在寻找岩浆的聚集、上升和喷发迹象。
既然我们已经了解了导致火山喷发的基本事件顺序（再次强调，非常宽泛），我们就可以开始讨论数据了！
*科学家和自然灾害专家用于研究和预测火山的数据类型示例： (1A和B) 地震数据，分别绘制在地图上 (1A) 以及绘制在3D空间中以显示深度 (1B)；(2) 根据雷克雅内斯半岛上空的两次 InSAR 卫星轨道数据绘制的地图，显示了斯瓦岑吉地区的抬升情况；(3) 另一种显示地震波到达地面接收器的高频地震（声学）数据；(4) Krýsuvík 的 GPS 地面运动图，显示了南北方向、东西方向以及垂直方向的运动；(5) 显示温度、压力、地震和岩性（即岩石类型）的钻孔数据。数据来自冰岛气象局 (IMO) 和《地球物理研究杂志》，克拉夫拉地热区，2026年。*
专家预测火山使用的数据
火山学家和自然灾害专家会收集和研究许多不同类型的数据，以帮助他们预测喷发，这些数据从地球深处一直延伸到外太空。让我们来总结一下这些数据类型，并深入探讨它们是如何帮助科学家的。以下是简要概述：
地震数据 - 监测由岩浆运动以及地壳中的张力或压力引起的地震
GPS 数据 - 实时追踪特定地点地面的上升、下降或水平移动。
InSAR 数据 - 利用卫星测量大范围区域的长期、高分辨率地表位移
钻孔数据 - 利用温度、倾角、压力、化学和流体动力学的差异来监测地下的变化
观测数据 - 利用我们的五官来收集当地环境变化的数据
类比数据 - 引入过去以及其他类似火山系统的数据，以便与当前事件进行类比
如你所见，科学家和自然灾害专家有很多数据可以用来研究火山系统。现在，让我们更详细地了解一下这些数据类型。
地震数据
这种声学数据记录了地球的震动，使专家能够检测地震并追踪火山系统内应力和岩浆的移动方式。这些信号中的模式可以揭示岩浆何时聚集、上升、使岩石破裂或给系统加压。地震数据通常包括震级、震源深度以及震中在地面上的投影位置。利用长期累积的大量地震统计数据，地震专家可以开始拼凑出地下运动和应力的图景。例如，某一地区的所有地震是集中在相似的深度，还是在不同的深度排成一线？这可能就是岩床形成与岩脉形成之间的区别。
GPS 数据
通过在地面上固定安装 GPS 和 GNSS 接收器，利用卫星以毫米级的精度测量其位置。通过追踪长期微小的移动，科学家可以检测火山系统下方岩浆移动引起的单个地点的地面形变。冰岛的卫星数据不仅追踪南北、东西等水平位移，还追踪垂直方向即上下方向的位移。例如，向上运动可能表明岩浆正在地下聚集，而向下运动可能表明岩浆正在从岩浆房中排空并移动到其他地方。
InSAR 数据
这是合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar）的缩写（我们保证不会对此进行考试！），它是一种重要的卫星收集数据，用于测量较长时期内的区域形变。简单来说，一种特殊类型的卫星在经过某区域时，会向地面发射雷达波。如果它能够在不同的日期进行两次这样的操作，科学家就可以比较卫星的两次不同轨道数据，并制作出区域运动图。制作出来的地图色彩非常丰富，阅读起来也很复杂，但颜色较宽的区域意味着形变较小，而颜色条带越密集的区域意味着地面的运动或形变更大。
钻孔数据
如果在该地区钻有孔，置于孔中的传感器和监测器就会测量一整套数据类型，包括温度、倾角、压力、气体化学、流体动力学甚至是地震活动。温度升高、压力变化、某些气体的增加都可能是岩浆发生移动的前兆。例如，在2023年的斯瓦岑吉地热电厂，二氧化硫（SO2）的增加表明岩浆正在地下上升，并接近钻孔的深度。而且这里的许多火山观测站都配有测量地面倾斜度的仪器。
观测数据
这是一个不确定性很大的数据集，而且并不总是正式的数据集。这只是人类对当地和区域变化的观察，可以提醒我们未来可能发生的火山喷发。在冰岛，自然灾害专家最关注的一些现象包括：火山系统升温导致冰川洪水、当地水井因热量增加而水温上升，或者地表冒汽加剧、地热活动增加。这也可以包括深入野外利用无人机进行航测，以及对新裂缝、断层崖和地表位移进行测量。
类比数据
科学家将利用冰岛内外的类似火山系统的类比数据，来提炼解释他们的数据意味着什么，并与其他类似火山相比，预测火山可能在何时喷发。这包括查看来自其他系统的上述所有数据，看看不同系统之间是否存在平行关系。例如，在斯瓦岑吉火山，当地专家正在利用克拉夫拉（Krafla）火山和霍鲁赫劳恩（Holuhraun）火山喷发的时间线和地下数据，来帮助估算该火山活动系列中每次喷发之间的时间间隔。
*科学家和自然灾害专家利用其数据创建的用于预测火山喷发的模型和图表示例： (1) 根据现场实地测绘和 InSAR 数据绘制的雷克雅内斯半岛新裂缝图；(2) 斯瓦岑吉地下岩床岩浆流入速率模型；(3) 按深度和时间绘制的地震图，其中绘制了火山动荡（地下岩浆运动，但未喷发）。数据来自冰岛大学火山学公报和北欧火山学中心，以及冰岛气象局。*
科学家如何利用这些数据来预测火山？
在收集到这些数据后，科学家们会将所有这些数据结合起来，勾勒出火山系统及其当前状态的完整图景。这些通常是不断更新的系统快照，会随着岩浆的聚集、移动和喷发而不断演变。他们可以利用这些数据中的大部分来创建地下模型，以估算地下岩浆房或岩床的岩浆量和填充率。这些模型可以是时间与体积或速率的二维图表、地表图、拟议的地下岩浆聚集的三维图，或者是岩浆随时间聚集的四维渲染图。
预测火山喷发的数据可靠性
这些数据可靠吗？在很大程度上，预测火山所收集的数据总体上是可靠的。然而，已知有一些情况确实会影响数据的完整性。
对地震数据进行精确的三角定位需要密集的传感器网络。
恶劣的天气（在冰岛太常见了），甚至是来自太阳的、会引起极光的活跃地磁暴（在冰岛也很常见）也会影响 GPS 数据。
InSAR 数据只能在陆地上工作，且该地区必须无雪、无云。
因此，尽管专家通常可以考虑到这些问题并进行修正，但仍有许多因素会影响数据及其收集。
当然，虽然数据本身总体上相当可靠，但解释其含义往往充满挑战。并非每一次群震都是喷发的前兆，也不是每一个冒汽的熔岩地都意味着岩浆接近地表。在预测火山喷发时没有 100% 的准确预测，但科学家通常能在喷发前的准备阶段 pinpoint 找出最可能发生喷发的时间段。而一旦岩浆上升到足够浅的深度，科学家通常有 30 分钟到几小时的时间向公众发出即将喷发的警报。
关于预测冰岛火山的结语
希望这能让你对专家需要收集和解读的数据量有全新的认识，并理解预测火山喷发绝非万无一失、精准无误的任务。预测我们眼睛无法直接看到的东西是很难的。但是，尽管预测火山喷发复杂且充满挑战，冰岛的科学家们每天都在迎难而上！
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监测冰岛的火山可以帮科学家了解喷发何时临近，但没有什么能比得上亲眼目睹熔岩的惊人力量。在熔岩秀（Lava Show，世界上唯一的现场熔岩表演），您可以安全地体验仅仅几米外流淌的真实的滚烫熔岩，同时了解火山活动如何继续塑造冰岛不断变化的景观。
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*本文由地质学家 Jessica Poteet 撰写。欢迎收听**在 Lava Academy 播客上对她的采访。*
