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。也正因如此，冰岛才如此独特而充满活力！不过，也正因为这样，科学家和政府专家能够有效预测火山何时、何地可能喷发，就显得格外重要。
但你有没有想过，当一切都似乎看不见、都在地下发生，直到熔岩从地表喷涌而出那一刻，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于预测火山喷发的数据类型，以及他们面临的挑战。
冰岛大学的火山学家在冰岛雷克雅内斯 Fagradalfjall 火山系统 Meradalir 喷发的第一天准备测量熔岩，2022年8月。照片：Jessiac Poteet。
冰岛的火山是如何形成的
在了解监测冰岛火山的科学家收集哪些数据之前，我们先要弄清这些火山系统是如何形成的（当然，这里只是非常概括地说！）。
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。下面简要说明许多冰岛火山在喷发前会经历什么阶段：
岩浆从地球深处向上移动。在许多冰岛火山中，岩浆会在喷发开始前的数年或数月里，先在地下积聚。随着岩浆向上、向外移动，它会破坏原有基岩，从地壳深处或地幔边界附近开始，在地下汇集。
岩浆开始聚集和积存。它会在不同类型的岩浆储存区中聚集，比如岩床或岩浆房。这些都是地下不同类型的储库，大小、形状和使用时间都各不相同。
岩浆体积增大，压力也随之增加。当地下岩浆体积增加并挤压基岩时，压力就会开始累积。如果岩浆聚集得足够多，岩浆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（每个系统都不同）时，岩浆会挣脱束缚，并通过现有火山的火山管道或火山口，或者通过由新形成火山裂缝组成的岩脉和裂隙网络，迅速向地表移动。
岩浆喷发，变成熔岩。岩浆会冲破地表，喷发成两种情况之一：(a) 像埃亚菲亚德拉冰盖火山那样的爆炸式喷发，喷出熔岩、喷出物和火山灰；或 (b) 像Fagradalsfjall 和Svartsengi目前的喷发那样的溢流式喷发。
那么，我们为什么要讲这个过程呢？现在你已经知道，科学家和自然灾害专家在预测火山下一步会发生什么时，会关注哪些关键地质步骤和时刻。他们会寻找岩浆的积聚、上升和喷发。
现在我们已经了解了火山喷发前的基本过程（再次强调，这里只是非常概括），接下来就来讲数据吧！
科学家和自然灾害专家用来研究和预测火山的各种数据示例： (1A&B) 地震数据，先在地图上显示（1A），再以三维空间形式显示，以展示深度（1B）；(2) 一张由两次 InSAR 卫星过境雷克雅内斯半岛后制作的地图，显示 Svartsengi 地区的抬升；(3) 另一种地震（声学）数据，显示地震波击中地面接收器时的声波；(4) Krýsuvík 的 GPS 运动图，显示南北、东西和上下方向的移动；以及 (5) 钻孔数据，显示温度、压力、地震和岩性（即岩石类型）。数据来自冰岛气象局（IMO）和《地球物理研究杂志》、Krafla 地热田，2026年。
专家用来预测火山的数据
火山学家和自然灾害专家会收集和研究很多不同类型的数据，从地球深处到外太空，都能帮助他们预测喷发。下面我们来总结这些数据类型，并深入看看它们如何帮助科学家。先来快速了解一下：
地震数据 - 监测由岩浆移动以及地壳拉伸或挤压引起的地震
GPS 数据 - 追踪某个特定地点地面的实时上升、下降或侧向移动
InSAR 数据 - 使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、倾斜、压力、化学成分和流体动力学的差异，监测地下变化
观测数据 - 利用我们的五感，收集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，帮助我们将当前事件与历史进行比较
可以看到，科学家和自然灾害专家手上有很多不同类型的数据可用来研究火山系统。接下来，我们就更详细地看看这些数据类型。
地震数据
这种声学数据记录地球内部的震动，让专家能够探测地震，并追踪火山系统内部的应力和岩浆如何移动。这些信号中的模式可以揭示岩浆何时在积聚、上升、使岩石破裂，或让系统压力增大。地震数据通常包括地震震级、震源深度，以及正对震源的地表位置。通过研究一段时间内大量地震的统计特征，地震专家就能开始拼出地下运动和应力的图景。例如，一个区域里的地震是不是都集中在相似深度，还是都在不同深度排成一条线？这可能意味着岩床或岩脉正在形成。
GPS 数据
使用 GPS 和 GNSS，这些都是固定在地面的接收器，牢固地安装在地面上，利用卫星以毫米级精度测量位置。通过追踪一段时间内的微小变化，科学家可以发现火山系统下方岩浆移动导致的单点地面变形。冰岛的卫星数据集不仅追踪南、北、东、西等横向移动，也追踪 y 轴方向的移动，也就是上下移动。例如，地面向上移动可能说明岩浆正在地下积聚，而向下移动则可能说明岩浆正从岩浆房中流失，并转移到别的地方。
InSAR 数据
这是 Interferometric Synthetic Aperture Radar 的缩写（我们保证不会考这个！），是一种重要的卫星数据，用来测量较长时间内的区域移动。一般来说，某一类卫星会飞过一个地区，并向地表发射雷达。如果它在不同日期飞过两次，科学家就能比较这两次过境的数据，制作出区域移动地图。生成的地图色彩非常丰富，也不太容易读懂，但颜色带很宽的区域表示移动较少，而颜色带更紧密的区域表示地面移动或变形更多。
钻孔数据
如果该地区有钻孔，放入孔中的传感器和监测设备就会测量大量数据，包括温度、倾斜、压力、气体化学成分、流体动力学，甚至地震活动。温度升高、压力变化、某些气体增多，都可能是岩浆移动的前兆。例如，2023年，在 Svartsengi 地热发电厂，SO2 增加表明岩浆正在地下上升，并越来越接近钻孔深度。而这里许多火山观测站也有测量地面倾斜的仪器。
观测数据
这是一种很灵活的数据集，并不总是正式的数据集。它只是人们对当地和区域变化的观察，这些变化可能会提醒我们未来会有火山喷发。在冰岛，自然灾害专家特别关注的迹象包括：随着火山系统升温而出现的冰川洪水、当地水井记录到热量增加后供水变暖，或者地面冒蒸汽更明显、地热现象活动更频繁。这也包括到现场去，或者远程进行无人机测量，测量新的裂缝、断层崖和地面位移。
类比数据
科学家会使用来自类似火山系统的类比数据，无论是在冰岛还是国外，来形成关于这些数据意味着什么、以及与其他类似火山相比，这座火山何时可能喷发的假设。这包括查看其他系统中的上述所有数据，看看系统之间是否能找出相似之处。例如，在 Svartsengi，地方专家正在利用 Krafla 火山大火和 Holuhraun 的喷发时间线及地下数据，帮助估算这一系列火山活动中各次喷发之间的间隔时间。
科学家和自然灾害专家会根据数据制作的模型和图表示例，用来预测火山喷发：(1) 雷克雅内斯半岛新裂缝地图，由实地测绘和 InSAR 数据生成；(2) Svartsengi 下方地下岩床中岩浆流入速率的模型；(3) 按深度和时间绘制的地震图，并叠加火山不安活动（地下岩浆移动，但尚未喷发）。数据来自《火山学通报》、冰岛大学北欧火山中心，以及冰岛气象局。
科学家如何利用这些数据预测火山？
收集到这些数据后，科学家会把它们一起使用，来描绘整个火山系统及其当前状态。它们通常是持续更新的系统快照，会随着岩浆的积聚、移动和喷发而变化。科学家可以利用其中很多数据来建立地下模型，估算岩浆体积，以及地下岩浆房或岩床的充填速度。这些模型可以是时间与体积或速率的二维图表，也可以是地表地图、地下岩浆聚集情况的三维图，或者是岩浆随时间变化的四维动态呈现。
火山喷发预测中数据的可靠性
这些数据可靠吗？大体来说，用于火山预测的数据通常是可靠的。不过，也有一些已知情况会影响数据完整性。
地震数据要精确三角定位，需要密集的传感器网络。
恶劣天气（在冰岛非常常见），甚至太阳引发的强烈地磁风暴（也常见，会带来极光）都可能影响 GPS 数据。
InSAR 数据只能在陆地上使用，而且区域必须没有积雪和云层。
所以，很多因素都会影响数据及其采集，不过专家通常能够考虑到这些问题，并进行校正。
当然，虽然数据本身总体上很可靠，但解释它意味着什么往往仍然很有挑战。并不是每次地震群都预示着喷发，也不是每一片冒着蒸汽的熔岩地都说明岩浆已接近地表。火山喷发没有 100% 准确的预测，但科学家通常可以在喷发前，较准确地判断最可能发生喷发的时间段。一旦岩浆上升到足够浅的地方，科学家通常只有 30 分钟到几小时的时间向公众发出即将喷发的警报。
关于冰岛火山预测的最后一句话
希望这能让你更理解专家需要收集和解读多少数据，也更明白预测火山喷发并不是一项万无一失、精确无误的工作。我们很难预测那些无法直接用眼睛看到的事情。不过，即使预测火山喷发既复杂又充满挑战，冰岛的科学家们每天都在迎接这个任务！
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本文由地质学家 Jessica Poteet 撰写。欢迎在 熔岩学院播客上收听与她的访谈。
