编者按：

2022年伊始，汤加火山的重新喷发造成全球性影响，吸引全世界的目光，并在国内引发公众普遍关注与兴趣，国内地质学界对该喷发也进行了热烈讨论。伴随着人们对火山兴趣的增加以及对火山喷发知识的渴望，火山学也成为公众与学者关注的焦点，同时为我国的火山学研究与知识普及提供了新的机遇。为了进一步促进我国火山学的研究，中国矿物岩石地球化学学会火山及地球内部化学专业委员会将推出有关介绍国内外火山学研究的系列科普文章，以满足广大读者的需求。学会公众号和学会会刊《矿物岩石地球化学通报》将推送和发表。

火山监测与研究的前沿阵地

——火山监测站

刘国明1,2,3，康建红1,2,3，张宇2，仲广培1,2,3，刘含玉2，乔天罡2

1. 吉林长白山火山国家野外科学观测研究站

2. 吉林省地震局

3. 中国地震局火山研究所

根据火山的喷发时间和活动状态，火山通常分为活火山、休眠火山和死火山。活火山是指人类历史时期（1万年内）有过喷发活动的火山；休眠火山是指人类历史时期曾经喷发过，但长期以来处于相对平静状态的火山，又称处于休眠期的活火山；死火山指人类历史时期从来没有活动过的火山。虽然各国对活火山的定义略有不同，但均指正在喷发或具有潜在喷发危险的火山。我国将活火山定义为1万年以来至少有过一次喷发的火山。据统计，全球约有534座活火山。多数有人类活动的活火山都开展了火山监测工作，火山监测站就是负责对活火山开展监测研究的前沿阵地。

火山监测站都开展哪些监测工作？全球有哪些著名的火山监测站？我国有没有火山监测站？与发达国家相比，我国的火山监测处于什么水平呢？这些可能都是公众非常关心的问题，下面本文将为大家逐一解答这些问题。

火山监测的方法

火山监测是通过仪器测量记录和监视与火山活动密切相关的地质与地球物理场动态变化的工作，其目的是掌握火山活动动向，分析火山活动性，划分火山危险区及可能的灾害区，为预测、预报和防御火山灾害服务。火山地震、火山形变和火山流体地球化学监测是火山监测最重要也是最常用的监测方法。传统的火山监测主要是通过在现场布设各类传感器来采集数据（如温泉水温、温泉溢出气体成分检测、地震监测、GPS 连续监测、水准测量、电磁监测等等），又称“地基”监测。随着现代科技的迅猛发展，各种新型的火山监测技术不断涌现，如基于卫星遥感的“天基”监测、基于无人机等航空仪器的“空基监测”，火山监测正逐渐从传统的点式监测向面式、甚至立体式监测发展（图1）。目前“天-空-地”协同式多参数综合火山监测系统已经成为火山监测的主流和发展方向。

图1 火山监测方法示意图（引自Walter和魏费翔，2018）

国外著名的火山监测站

维苏威火山监测站（Vesuvius Volcano Observatory）

维苏威火山监测站始建于1841年，是世界上最早建立的火山监测站，也是现今世界上最大的火山监测站。该监测站旧址现已改造为博物馆、图书馆和实验室（图2a），新址已迁至那布勒斯市。维苏威火山监测站隶属于意大利国家地球物理与火山研究所（National Institute of Geophysics and Volcanology，简称INGV），该研究所是著名的地球物理和火山研究机构，也是全球最著名的火山监测机构之一。维苏威火山监测站由意大利大学教育和科学研究部、应急管理部共同资助。

维苏威火山监测站现有各类研究人员68人，技术人员49人，管理及其它人员22人。其主要职能包括4个：

（1）科学研究。主要研究领域包括地球物理、地球化学和火山学。

（2）火山和地震监测。维苏威火山监测站负责维苏威（Vesuvio）、坎皮-弗莱格里（Campi Flegrei）和伊斯基亚岛（Ischia Island）等3个火山区的监测工作。这3座火山，尤其维苏威和坎皮-弗莱格里火山，都是全球闻名的活火山，而且紧邻城区，被认为是高风险地区。

（3）24小时监控。维苏威火山监测站开展24小时火山监控工作，始终有两名值班员处于工作状态，负责监视维苏威火山、坎皮-弗莱格雷火山和伊斯基亚岛火山的活动状况，若发生重大地震及火山活动，立即向当局报告。

（4）教育。维苏威火山监测站通过各种项目让不同类型学校参与教学活动和科学研究。大多数培训活动都在维苏威火山监测站的原址上进行，那里有一个永久性的展览馆。

维苏威火山监测站的主要监测手段包括：24个固定地震台和1个地震台阵，12个GPS连续监测站，4个潮汐重力观测站，8个倾斜观测站，1个热红外观测站，流动水准观测，流动重力观测，流动热红外观测、流动喷气孔地球化学观测等（图3）。

图2  (a)意大利维苏威火山监测站 (b)美国夏威夷火山监测站

图3 维苏威火山监测站监测网络布局图

（引自维苏威火山监测站官网：

Osservatorio Vesuviano - Vesuvio (ingv.it)）

夏威夷火山监测站（Hawaiian Volcano Observatory）

1912年，美国在夏威夷基拉韦厄（Kilauea）火口边上建立火山监测站，开始了火山地震的连续观测，这也是全球第一个现代化的火山监测站。后期逐渐拓展监测项目，目前已开展火山地质、地球物理和地球化学的综合观测与研究，形成了完善的监测与研究体系（图2b）。夏威夷火山监测站是美国地质调查局（USGS）下设的一个机构，也是USGS火山灾害项目资助建设的5个火山监测站之一（Tilling et al., 2010; Babb et al., 2012; Pan et al., 2021）。

现今的夏威夷火山监测站位于希洛（Hilo），监测6座火山，分别为基拉韦厄火山（Kilauea Volcano）、莫纳罗亚火山（Mauna Loa Volcano）、洛伊希火山 （Lō‘ihi Volcano）、瓦莱莱火山（Hualālai Volcano）、莫纳凯亚火山（Mauna Kea Volcano）和哈雷卡勒火山（Haleakalā Volcano），其中基拉韦厄火山和莫纳罗亚火山最为活跃。夏威夷火山监测站在全世界活火山研究领域享有盛誉。由于基拉韦厄火山喷发不具有爆炸性，科学家们通常能够在火山区附近研究正在发生的喷发，而不会面临极端危险。

1912年，夏威夷火山监测站仅有1名员工，他就是创始人托马斯·A·贾格尔（Thomas A. Jaggar）。他是一名地质学家。目前夏威夷火山监测站员工数量增加到30多人，包括地质学、地球物理学、地震学、火山气体、计算机技术、地球物理仪器和无线电系统、行政管理、媒体和公共通信领域的科学家和专家。数百年来，来自夏威夷大学的志愿者、学生和科学家也为夏威夷火山监测站提供了宝贵的帮助。

自贾格尔时代以来，夏威夷火山监测站的规模和监测方法发生了巨大变化。目前，监测网络由200多个传感器组成，包括地震仪、GPS、倾斜仪、次声、气体探测器和热红外摄像头。这些传感器每天24小时向夏威夷火山监测站传输数据。

基拉韦厄火山位于夏威夷岛上。1983年以来，该火山一直在持续喷发。2018年4月30日，喷发了35年的火山口岩浆通道被破坏，火山地震数量急剧增多，火山口岩浆湖内的岩浆沿基拉韦厄东部裂谷带倾泻而下（图4），同时，莱拉尼社区（Leilani）居民的后院开始出现裂缝。5月4日，莱拉尼社区成为火山爆发的地点，导致居民流离失所，数百所房屋被毁。与此同时，基拉韦厄山顶的熔岩湖干涸，火山口部分坍塌。在这两次喷发期间，夏威夷火山监测站办公大楼因山顶地震遭到严重破坏而无法使用，工作人员被迫迁至位于40公里外希洛的夏威夷大学临时观测站（Neal et al., 2019）。突如其来的变化给夏威夷火山监测站的即时通讯带来了新的挑战——既要同时监测两个火山喷发点，还要尽快地与应急管理部门及时沟通。5月10日，夏威夷火山监测站采用“麦特斯特”（Mattermost）在线即时通讯平台，成功地将相隔数千英里的火山监测人员、火山学家和应急响应人员联系在一起，使他们共同合作开展火山监测及应急响应工作。“麦特斯特”能够及时收集多方面的火山监测信息，并将其交给应急组织；应急响应人员可以调阅这些信息，并通过平台进行实时沟通。此次火山喷发事件的成功应对，成为火山监测人员、火山学家和应急响应人员协同工作、成功应对火山灾害的经典案例。

(a)岩浆湖（b）沿东部裂谷流淌的岩浆

图4 2018年基拉韦厄火山喷发

中国大陆的火山监测站

中国有活火山吗？回答是肯定的。

一系列的火山地质调查和研究，证实我国存在14个活火山区，主要分布于东北地区、西南地区和台湾地区，分别为长白山天池火山区、龙岗火山区、镜泊湖火山区、五大连池火山区、科洛火山区、诺敏河火山区、阿尔山火山区、阿巴嘎火山区、乌兰哈达火山区、阿什库勒火山区、腾冲火山区、琼北火山区、台湾大屯火山区和龟山岛火山区（图5）。为减轻和预防这些活火山喷发形成的灾害，中国大陆在6个位于人口稠密地区的活火山建立了火山监测站，开展火山监测工作。这6个火山监测站分别为：吉林省长白山天池火山监测站、龙岗火山监测站，黑龙江省五大连池火山监测站、镜泊湖火山监测站，云南省腾冲火山监测站和海南省琼北火山监测站（图6）。

图5 中国活火山分布

图6 中国大陆6个火山监测站：

长白山天池火山监测站（b）龙岗火山监测站 （c）五大连池火山监测站 （d）镜泊湖火山监测站 （e）腾冲火山监测站（f）琼北火山监测站。

目前，我国主要通过在现场布设各类传感器开展火山监测（如温泉水温、溢出气体成分化验、地震监测、GPS 连续监测、一等水准测量等等），即“地基”监测。长白山天池火山监测站是目前国内规模最大，监测手段最为齐全的火山监测站（表1）。

火山监测资料显示，2002—2005年长白山天池火山发生了一次火山扰动事件，期间共记录火山地震3300余次，山体抬升6.8厘米，火山气体释放加剧，是我国建立火山监测体系以来，唯一记录到的一次火山扰动事件。2020年以来，长白山天池火山区发生两次微震群事件及一次3.1级构造地震，火山地震活动频度及强度均有所增强。两次微震群活动以0.5级以下微震为主，长周期事件和构造型事件并存（图7），可能预示着火山活动再次由平静向扰动转变，表明长白山深部岩浆系统活动性正逐渐增强。

什么是火山扰动呢？为什么说长白山天池火山发生了火山扰动却没有发生火山喷发呢？原来大多数火山爆发之前都会出现一段时间的扰动。火山扰动表明火山活动偏离以往背景活动水平，通常是由深部岩浆向地表运移引起的。地震活动水平升高、地表隆升或火山气体排放量上升，都可以作为火山扰动的指示信号。但并不是所有火山扰动都必然伴随着火山爆发。火山扰动有时很短，不到一小时，有时又很长，可能是几周、几个月甚至几年。

图7 长白山天池火山近年来地震活动情况 （a）火山地震月频度图，绿色实线表示累计月地震数量 （b）火山地震M-T图 （c）火山地震不同震级频度直方图。

我国火山监测站发展面临的问题与挑战

随着经济社会的发展和特色火山旅游、火山农业、火山工业的兴起，火山灾害风险防范被提上日程，火山监测站在其中发挥着重要的作用。当前，全球地震和火山日益活跃，我国火山灾害风险日益增加，火山监测站既面临机遇，也面临着挑战。首先，火山区既是灾害风险区，同时又多为自然保护区、著名风景旅游区，火山监测基础设施建设和自然资源保护之间存在突出的矛盾，火山监测台网的建设和运维受多方制约；其次，火山喷发是突发的自然灾害，虽然很多处于休眠期的火山存在巨大的潜在喷发风险，但由于喷发尚未开始，得不到政府和公众足够的重视，长期处于监测和科研经费不足的境地，基础科研很难持续开展，导致监测和预测能力不足，使火山区面临更大的灾害风险；最后，很多火山监测站的职责仅仅是运行和维护火山监测设备，存在人才短缺，基础研究能力严重不足的问题，而一旦出现危机，作为火山监测最前沿的队伍，很难对火山活动趋势和潜在灾害做出准确的判断。

与其它多火山的发达国家相比，我国火山监测和研究起步较晚，虽然取得了一些进展和认识，但仍处于初级阶段，与发达国家差距较大。如中国活火山的认识仅限于概括性的了解，在喷发机理和活动过程等方面的认识远远不足；在火山监测方面，台网稀疏，部分台站监测手段单一，整体运行维护较差；火山监测队伍专业能力不足，后备人才培养艰难。虽然中国大陆现阶段没有正在喷发的火山，但长白山天池火山经历了2002-2005年火山扰动，现今地震活动仍处于有记录以来的较强水平，云南腾冲火山也有活跃的迹象，在全球火山活动日益活跃的大形势下，我国未来出现火山喷发的风险越来越高。我们应该正确认识我国火山监测能力的不足，逐步缩短同发达国家之间的差距，提升火山监测和预警能力，提高应对未来火山喷发风险的能力。

致谢：本文得到吉林长白山火山国家野外科学观测研究站课题资助（NORSCBS20-03），谨致谢忱。

主要参考文献：

Babb J L, Kauahikaua P K, Tilling R I. 2012. The story of the Hawaiian volcano observatory-A remarkable first 100 years of tracking eruptions and earthquakes. U.S. Geological Survey, Menlo Park Neal C, Brantley S R, Antolik L et al.. 2019. The 2018 rift eruption and summit collapse of Kīlauea volcano. Science. 363(6425), 367–374.

Pan B, Liu G, Tao C, et al.. 2021. Development and status of active volcano monitoring in China. Geological Society, London, Special Publications. 510(1): 227.

Tilling R I, Heliker C, Swanson D A. 2010. Eruptions of Hawaiian Volcanoes—Past, Present, and Future: U.S. Geological Survey General Information Product 117, 63 p

Walter M, 魏费翔. 2018. 美国地质调查局火山灾害项目与2018年夏威夷基拉维厄火山喷发概况. 城市与减灾, 2018(5): 8

刘若新, 樊祺诚, 魏海泉, 李霓. 1999. 中国活火山研究. 地质论评, 45: 3-15

赵波. 2018. 认识火山. 城市与减灾. (5): 7-11