氣候變化可能觸發(fā)地震和火山*

2009年9月15—17日，地質(zhì)與地貌災(zāi)害的氣候作用力研討會在英國倫敦大學(xué)學(xué)院(University College London，UCL)召開，會議主要就過去和當(dāng)前的氣候變化與災(zāi)難性地質(zhì)、地貌災(zāi)害間的關(guān)系進(jìn)行了探討。會議討論內(nèi)容主要分為三大部分:① 過去與未來的氣候;② 火山作用和火山活動的氣候作用力;③地震、塊體運動和海嘯災(zāi)害的氣候驅(qū)動力。此次會議受到了英國國家氣象局(UK Met Office)、英國地質(zhì)調(diào)查局(BGS)、英國南極調(diào)查局(BAS)、倫敦大學(xué)學(xué)院以及牛津大學(xué)的支持。在此，我們對此次會議的主要內(nèi)容及相關(guān)研究做一簡要概述。

“地球母親現(xiàn)在已經(jīng)變得脾氣暴躁、容易激動，不再是神話中那種溫和善良的形象。事實上，她已經(jīng)十分敏感，即使天氣和氣候的微小變化也能夠撕裂行星地球的地殼，以火山爆發(fā)、地震和滑坡等形式發(fā)泄出憤怒?！?/p>

這是聚集于2009年9月15—17日在英國倫敦舉行的“地質(zhì)與地貌災(zāi)害的氣候作用力”研討會的專家們得出的結(jié)論。這說明氣候變化可能會打破地球微妙的平衡，并誘發(fā)大量的地質(zhì)災(zāi)害。更為糟糕的是，人類試圖延緩全球變暖的努力(如碳封存)也可能引發(fā)災(zāi)難性事件。

1 氣候變化與地震

1.1 海洋與地震

關(guān)于氣候與地殼活動之間的關(guān)系，早在多年前就已經(jīng)被證實。只是直到近年來，人們才越來越清楚地認(rèn)識到，巖石對于其上部的空氣、冰和水是多么的敏感。主辦會議的倫敦大學(xué)學(xué)院的Bill McGuire表示，要引發(fā)地殼運動，無需巨大的變化，一些微小的變化就足夠了。

從天氣變化到覆冰量的波動，影響地殼的因素可謂是多種多樣，而在這之中，海洋正在逐漸成為一個特別的調(diào)節(jié)器。牛津大學(xué)的Simon Day、倫敦大學(xué)學(xué)院的McGuire及Serge Guillas在會議上向人們介紹了海平面的微小變化可能影響東太平洋海隆(East Pacific Rise，擴(kuò)張速度最快的板塊邊界之一)的地震活動的過程。

研究人員的關(guān)注焦點集中于復(fù)活島微板塊(位于復(fù)活島海岸外的洋底)，因為其相對于其他斷層來說是獨立的，這就特別容易區(qū)別由氣候系統(tǒng)和區(qū)域運動在這塊板塊上引起的變化。最終，研究人員發(fā)現(xiàn)，自從1973年以來，每隔幾年到來一次的厄爾尼諾與洋底更為頻繁的4～6級地震活動密切相關(guān)。

研究人員相信，厄爾尼諾與地震之間存在著某種聯(lián)系。厄爾尼諾已經(jīng)致使復(fù)活島附近海域的海平面升高了數(shù)十厘米，研究者認(rèn)為額外的水所產(chǎn)生的重量可能會增加海底下巖石孔隙中的流體的壓力，而這足以抵消使巖石保持原位的摩擦力，進(jìn)而使斷層變得容易滑動。Day表示，海平面的變化是微小的，但是一個小的擾動卻可能產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。

1.2 臺風(fēng)與地震

“臺灣中央研究院”地球科學(xué)研究所與美國卡內(nèi)基研究所共同組成的國際團(tuán)隊在對臺灣東部地震進(jìn)行研究的過程中發(fā)現(xiàn):臺風(fēng)可以引發(fā)慢地震(這項研究成果發(fā)表于2009年6月11日的Nature)。

在2002—2007年間，研究人員在相距約5～15 km的監(jiān)測儀器的記錄中，共計發(fā)現(xiàn)了20次慢地震。為達(dá)到精確的觀測結(jié)果，科學(xué)家同時記錄了氣壓變化，以消除地底巖石因地表氣壓變化所產(chǎn)生的形變量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有11次慢地震與臺風(fēng)同時發(fā)生，且每次持續(xù)約數(shù)小時到數(shù)十小時。此外，這11次慢地震比其他9次慢地震表現(xiàn)更為強(qiáng)烈。

為何臺風(fēng)的低氣壓會引發(fā)慢地震呢?卡內(nèi)基研究所的Selwyn Sacks博士解釋稱，臺風(fēng)的低氣壓降低了陸地下面的巖石壓力，但是海洋底下的巖石所受的壓力卻因較遠(yuǎn)處高壓區(qū)的海水而沒有降低，因而在額外壓力梯度下引發(fā)了斷層的滑動。臺東瑞穗、奇美地區(qū)位于擠壓板塊的邊界處，這些地區(qū)的斷層都有穩(wěn)定的變形，當(dāng)接近斷層面破裂的臨界應(yīng)力時，臺風(fēng)所帶來的氣壓微小變化可能會使斷層面應(yīng)力超過巖層的承受極限，進(jìn)而引發(fā)慢地震。

1.3 二氧化碳封存與地震

這一切看上去是那么的有希望——將純凈的二氧化碳埋藏于地下，使其遠(yuǎn)離人類，然后忘記它的存在。但是，即使是正在美國西弗吉尼亞建設(shè)的美國國內(nèi)第一個大型二氧化碳封存工廠Mountaineer，很多地球物理學(xué)家仍在擔(dān)心，把碳埋入地下有可能觸發(fā)地震和海嘯。

碳捕獲與封存(CCS)工廠從廢氣中提取二氧化碳，然后將其泵入地表下幾千米處的含水層和老的油氣田。到目前為止，一切都很順利。但是，二氧化碳經(jīng)多孔的巖石上升、擴(kuò)散，內(nèi)壓會越來越大。英國地質(zhì)調(diào)查局的Andrew Chadwick警告稱，如果向含水層注入足夠多的二氧化碳，當(dāng)其產(chǎn)生的壓力足夠高的時候，將引起斷層運動，進(jìn)而觸發(fā)地震。

美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)的地震學(xué)家Ernest Majer(其在2009年9月下旬向美國參議院簡述過CCS的危害)表示，注入的二氧化碳與水和巖石之間的化學(xué)反應(yīng)會使巖石變得不穩(wěn)定。而CCS是一項新的技術(shù)，很多問題人們以前都沒有遇到過。

2 氣候變化與火山

2.1 海洋與火山

海洋的細(xì)微變化也能影響火山噴發(fā)。牛津大學(xué)的David Pyle與劍橋大學(xué)的Ben Mason對過去300年的火山噴發(fā)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，火山活動隨季節(jié)變化而不同，世界范圍內(nèi)的火山噴發(fā)在北半球冬季時要比夏季多20%(該項研究成果發(fā)表于2004年4月的《地球物理學(xué)研究雜志》(Journal of Geophysical Research，JGR))。原因可能是進(jìn)入北半球冬季時全球海平面會略有下降，因為北半球的陸地面積較南半球大，相對于南半球冬季而言，北半球冬季時會有更多的水被以冰和雪的形式留在陸地上。

世界上絕大多數(shù)最活躍的火山都分布在海岸線幾十千米的范圍內(nèi)(見圖1)，因此Pyle認(rèn)為，以海平面下降這種形式所表現(xiàn)出的大陸邊緣海水重量的季節(jié)性減少在世界各地都有可能觸發(fā)火山。

海平面下降時會出現(xiàn)一些火山噴發(fā)現(xiàn)象，但是這并不一定意味著氣候變化所導(dǎo)致的海平面上升會抑制火山活動，美國阿拉斯加的巴甫洛夫火山(Mount Pavlof)就常常在冬季噴發(fā)。阿拉斯加火山觀測站(Alaska Volcano Observatory)的Steve McNutt在其先前的研究中將此歸因于當(dāng)?shù)睾Ｆ矫娴纳仙?，由于低氣壓和?qiáng)風(fēng)暴，當(dāng)?shù)睾Ｆ矫婷磕甓緯仙?0 cm。巴甫洛夫火山的位置意味著附近海域所增加的水的重量可能會對巖漿表面形成擠壓，進(jìn)而引起火山噴發(fā)。

圖1 全球變暖帶來的微小變化可能在全球觸發(fā)的災(zāi)難性事件

McGuire表示，在其他地區(qū)，大陸邊緣額外增加的水的重量(導(dǎo)致海平面上升)可能會使地殼發(fā)生彎曲，進(jìn)而使得擠壓環(huán)境減弱，因此巖漿將可能更容易到達(dá)相鄰火山的表面。

所有這些例子看上去似乎都是矛盾的，但關(guān)鍵的一點是海平面的任何變化都可能改變大陸邊緣的區(qū)域應(yīng)力，而這足以使原本已經(jīng)蓄勢待發(fā)的火山噴發(fā)。

2.2 降雨與火山

降雨量的微小變化也能引起火山噴發(fā)。2001年，加勒比海蒙特塞拉特(Montserrat)島的Soufrière火山噴發(fā)，大雨是其主要原因。大雨破壞了 Soufrière火山穹丘的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其坍塌，然后大量巖漿被釋放出來。

而現(xiàn)在看來，即使典型的熱帶暴雨都可能引起火山爆發(fā)。氣候模擬研究表明，氣候變化將會為很多地區(qū)(包括熱帶地區(qū))帶來更多的降雨。

英國東英吉利大學(xué)(University of East Anglia)的Adrian Matthews及其同事對蒙特塞拉特地區(qū)的火山在過去3年里200多次降雨后的每一分鐘的反應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測，之后研究小組發(fā)現(xiàn)，在每次典型熱帶天氣過后的兩天里，火山活動都會增強(qiáng)(該項研究成果發(fā)表于2009年5月的《火山學(xué)與地?zé)嵫芯侩s志》(Journal of Volcanology and Geothermal Research，JVGR))。Matthews表示，雨天會使火山穹丘崩塌的可能性從1.5%增加到16%，而這不需要一場引人矚目的瓢潑大雨，也完全不需要颶風(fēng)的幫助。

2.3 冰蓋融化與火山

氣候變化過程中最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害將可能是冰蓋融化所帶來的。冰蓋融化后，暴露出的松散沉積物將以滑坡并產(chǎn)生海嘯的形式進(jìn)入海洋，而質(zhì)量很大的冰蓋的融化將可能觸發(fā)火山噴發(fā)。英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)(University of Newcastle)的Andrew Russell表示，即使冰蓋只變薄幾十米，情況也會大為不同。

例如冰島的Vatnaj?kull冰帽，其跨越了一個板塊邊界和幾座火山，并且很可能在未來兩個世紀(jì)內(nèi)消失。如果這一切發(fā)生的話，那么附近火山的活動性將大大增強(qiáng)。Russell的研究表明，在最后一個冰河時代結(jié)束后，冰島北部的火山活動情況明顯增強(qiáng)，大約是今天的30倍(該項研究成果發(fā)表于2009年6月的《地表過程與地形》(Earth Surface Processes and Landforms，ESPL))。

冰噴發(fā)則會給整個世界帶來影響。1783年，冰島的Laki火山爆發(fā)，致使硫磺煙霧籠罩了整個歐洲大地，并導(dǎo)致數(shù)千人死亡。

3 小結(jié)

因為地球?qū)夂虻拿舾行缘浆F(xiàn)在才顯現(xiàn)出來，所以到目前為止，氣候變化對地震和火山的發(fā)生頻率及強(qiáng)度有多大影響還不是很清楚。同時，人類目前還沒有足夠的數(shù)據(jù)可以用來建立連接兩個系統(tǒng)的氣候預(yù)測模型，但是，非常關(guān)鍵的是現(xiàn)在人們已經(jīng)意識到:人類活動是多么容易“惹怒”地球。而這是科學(xué)問題，并不是所謂的危言聳聽。

詳細(xì)資料見參考文獻(xiàn)［1-5］。

(中國科學(xué)院國家科學(xué)圖書館蘭州分館/中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 趙紀(jì)東編寫)

［1］The UCL Johnston-Lavis Colloquium 2009:Climate Forcing of Geological and Geomorphological Hazards(15-17th Sept.2009).http://www.abuhrc.org/newsmedia/Pages/event_view.aspx?event=5

［2］Climate Change May Trigger Earthquakes and Volcanoes(Ⅰ).http://www.newscientist.com/article/ mg20327273.800-climate-change-may-trigger-earthquakes-and-volcanoes.html

［3］Climate Change May Trigger Earthquakes and Volcanoes(Ⅱ).http://www.newscientist.com/article/ mg20327273.800-climate-change-may-trigger-earthquakes-and-volcanoes.html?page=2

［4］Climate Change:Tearing the Earth Apart?http://www.newscientist.com/article/mg19025531.300-climatechange-tearing-the-earth-apart.html

［5］Slow Earthquakes Triggered by Typhoons.http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7248/full/nature08042.html

P315.1，P317;

D;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.005

2010-01-13。