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。这也是为什么冰岛如此独特且充满活力！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。
但你有没有想过，当地表下的一切看起来都悄无声息，直到岩浆喷涌而出的那一刻，火山学家是如何预测喷发的？现在就来了解冰岛的自然灾害和科学专家用来预测火山喷发的数据类型以及他们面临的挑战。
2022年8月，冰岛雷克雅内斯法格拉达尔火山系统的梅拉达利尔喷发第一天，冰岛大学的火山学家准备进行熔岩测量。 摄影：Jessiac Poteet。
冰岛的火山是如何形成的
在我们了解监测冰岛火山的科学家所收集的数据类型之前，我们需要先了解这些火山系统是如何形成的（当然，这里只作非常笼统的说明！）。
了解它们的形成过程有助于我们明白为什么科学家要收集这些数据。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。对于许多冰岛火山来说，岩浆在喷发开始前会在地下聚集数年或数月。这些岩浆在从地壳深处或地幔边界向上和向外移动时会破坏现有的基岩，并开始在地下积聚。
岩浆开始聚集。它会收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，压力将开始增加。如果聚集了足够的岩浆，岩浆收集区上方的地面就会开始上升。
岩浆被注入浅层地壳。当压力和体积达到最大值（每个系统都是独特的）时，岩浆就会冲破束缚，通过火山通道、现有火山的喷发口或由新形成的火山裂缝构成的岩墙和裂隙网络，迅速移动到地表。
岩浆喷发，转化为熔岩。 岩浆将冲破地面，喷发为：(a) 熔岩、喷出物和火山灰的爆炸性喷发，如埃亚菲亚德拉冰盖火山；或 (b) 熔岩的溢流性喷发，如目前在法格拉达尔火山和斯瓦岑吉的喷发。
那么，我们为什么要复习这个过程呢？ 现在，您已经了解了科学家和自然灾害专家在预测火山生命周期中下一步会发生什么时所寻找的关键地质步骤和时刻。他们正在寻找岩浆的积聚、上升和喷发。
现在我们已经了解了导致火山喷发的基本事件顺序（同样，这非常笼统），我们可以继续讨论数据了！
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&B) 地震数据，但绘制在地图上 (1A)，然后绘制在显示深度的3D空间中 (1B)；(2) 由两次穿过雷克雅内斯半岛的 InSAR 卫星轨道制作的地图，显示了斯瓦岑吉地区的抬升；(3) 另一种显示地震声波到达地面接收器的地震（声学）数据；(4) 克里苏维克运动的 GPS 图表，显示了南北方向、东西方向和上下方向的运动；以及 (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。
专家用来预测火山的数据
火山学家和自然灾害专家收集并研究许多不同类型的数据，以帮助他们预测火山喷发，从地球深处到外太空。让我们总结一下这些数据类型，并深入讨论它们各自如何帮助科学家。以下是一个快速简述：
地震数据 - 监测由于岩浆运动以及地壳中的张力或压力引起的地震
GPS数据 - 追踪特定地点地面实时向上、向下或横向的移动。
InSAR数据 - 利用卫星测量大范围地区长期、高分辨率的地面位移
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 - 利用我们的五种感官来收集关于当地环境变化的数据
类比数据 - 引入过去和其他类似火山系统的数据，以帮助与当前事件进行类比
如您所见，科学家和自然灾害专家拥有许多可用于研究火山系统的数据类型。现在，让我们更详细地了解这些数据类型。
地震数据
这种声学数据记录了地球的振动，使专家能够探测地震并追踪火山系统内应力和岩浆是如何移动的。这些信号的模式可以揭示岩浆何时在积聚、上升、使岩石破裂或给系统加压。地震数据通常包括地震的震级、地震的深度、以及地震正上方的地表位置。利用长期以来许多地震的统计数据，地震专家可以开始拼凑出地下运动和应力的图像。例如，一个地区的所有地震是局限在相似的深度，还是在不同的深度排成一线？这可能就是岩床或岩墙形成的区别。
GPS数据
结合使用 GPS 和 GNSS，这些是锚定在陆地上的固定地面接收器，利用卫星测量它们的位置，精度可达毫米级。通过追踪微小的位移，科学家可以检测到由火山系统下方移动的岩浆引起的单点地面变形。冰岛基于卫星的数据集不仅可以追踪横向运动（如东、南、西、北），还可以追踪 y 轴运动（即向上或向下）。例如，向上运动可能表明岩浆正在地下聚集，而向下运动则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
这代表干涉合成孔径雷达（我们保证对此不会有考试！），是卫星收集的一种重要数据类型，用于测量较长时间内的区域运动。非常笼统地说，一种特殊类型的卫星会飞过一个区域，向地表发射雷达。如果它能够在不同的日期进行两次这样的操作，科学家就能够对比卫星的两次不同通过，并制作出区域运动图。制作出来的地图非常绚丽，阅读起来也很复杂，但大片颜色的区域意味着运动较少，而颜色条带较密的区域意味着地面有更多的运动或变形。
钻孔数据
如果该地区钻有钻孔，放置在孔内的传感器和监测器就会测量一大堆数据类型，包括温度、倾角、压力、气体化学、流体动力学、甚至地震活动。温度的升高、压力的变化、某些气体的升高都可以是岩浆运动的前兆警告。例如，在2023年，斯瓦岑吉地热发电厂的二氧化硫增加表明岩浆正在地下上升，并接近钻孔的深度。这里的许多火山观测站都设有测量地面倾斜度的仪器。
观测数据
这是一个不确定因素的数据集，并不总是正式的数据集。这只是人类对局部和区域变化的观察，可以警示我们未来的火山喷发。在冰岛，自然灾害专家注意到的最大迹象包括由于火山系统升温导致的冰川洪水、由于当地水井登记到温度升高导致的水源变暖、或者地表蒸汽加剧或地热活动增加。这还包括进入野外并远程进行无人机测量，以及对新裂缝、断层崖和地面位移进行测量。
类比数据
科学家将使用来自冰岛或国外的类似火山系统的类比数据，来对他们的数据所代表的意义以及与其他类似火山相比火山何时可能喷发形成假设。这包括查看来自其他系统的上述所有数据，看看系统之间是否存在可类比之处。例如，对于斯瓦岑吉，当地专家正在利用克拉夫拉火山和霍鲁赫拉恩火山喷发的的时间线和地下数据，来帮助估算该系列火山活动中单次喷发之间的时间。
科学家和自然灾害专家根据其数据创建的用于预测火山喷发的模型和图表类型示例：(1) 雷克雅内斯半岛新裂缝的地图，这些裂缝源于亲自进行的实地测绘和 InSAR 数据；(2) 斯瓦岑吉地下岩床岩浆流入速率的模型；(3) 按深度和时间绘制的地震图，其中绘制了火山活动异常（地下岩浆移动，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预测火山？
在收集了这些数据之后，科学家们会把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画面。这些通常是一个系统的动态快照，随着岩浆的收集、移动和喷发而演变。他们可以利用大部分这些数据来创建地下模型，以估算地下岩浆房或岩床的岩浆体积和填充率。这些模型可以是时间与体积或速率的二维图表和地表图、拟议的地下岩浆聚集的三维图画、或者是岩浆随时间聚集的四维渲染图。
在预测火山喷发中数据的可靠性
这些数据可靠吗？在大多数情况下，为火山预测收集的数据通常是可靠的。然而，也有一些已知的情况会影响数据的完整性。
地震数据的精确三角测量需要密集的传感器网络。
恶劣的天气（在冰岛实在太常见了），甚至是来自太阳的活跃地磁暴引起的极光（在冰岛也很常见）都会影响 GPS 数据。
InSAR 数据只能在陆地上且该地区没有积雪和无云的情况下工作。
因此，尽管专家通常可以解释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，但解读其含义始终是一项挑战。并非每次群震都是喷发的前兆，也不是每个冒烟的熔岩原都意味着岩浆接近地表。在火山喷发方面没有 100% 的预测，但科学家通常可以在火山喷发前夕精准指出最可能发生喷发的时间段。一旦岩浆变得足够浅，科学家通常有 30 分钟到几个小时的时间向公众发出即将发生喷发的警告。
关于预测冰岛火山的总结
希望这能让您对专家需要收集和解读的数据量有新的认识，并理解预测火山喷发并不是一项万无一失、精准无误的任务。预测我们无法用肉眼直接看到的事物是很困难的。但是，尽管预测火山喷发复杂而富有挑战性，冰岛的科学家们每天都会迎难而上！
关于预测冰岛火山喷发的常见问题
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本文由地质学家 Jessica Poteet 撰写。收听在熔岩学院播客上对她的采访。
