一、海底火山的概况、分类以及形成机理
海底火山，是在浅海和大洋底部形成的各种火山。海底火山的分布相当广泛，据统计，全球共有海底火山约2万多座，太平洋就拥有一半以上（汤加火山位于太平洋内，具体位置见图1）。
图1 世界火山和地震分布图（图片来自网络）
图2 全球板块构造图（图片来自网络）
海底火山主要集中在地球表面板块的边界（图2），呈带状分布，称为火山带，例如板块扩张边界（大洋中脊）和板块汇聚边界（海沟）；也有一些海底火山零星散布在大洋盆地内（图3）。因此，海底火山大致可以分成以下三种类型：洋脊火山、海沟火山、以及洋盆火山。
洋脊火山，形成于大洋中脊，是大洋板块扩张的边界，也是海洋地壳增生的地方。这类型火山沿着大洋中脊走向喷发，构成一条条绵长的山脉。
海沟火山，形成于海沟，是板块汇聚的边界，也是海洋地壳俯冲消亡的地方。这类型火山沿着海沟分布，呈现出弧状的火山岛弧，例如印尼的喀拉喀托火山。
洋盆火山，形成于大洋盆地内，属于大洋板块内部的火山，是地幔热点喷发岩浆的地方，主要包括海底火山链、平顶海山、洋底高原等，例如美国夏威夷的冒纳罗亚火山。
图3 板块构造和火山示意图（图片来自板块构造学说）
汤加火山属于海沟火山。在太平洋板块向印-澳板块俯冲过程中，太平洋板块不断将含水和碳的海底沉积物与岩石带进地球深部，随着温度和压力的逐步升高，形成熔融的岩浆，岩浆上涌喷发到海底，产生海底火山（图4）。
图4 海沟火山形成示意图（图片来自BBC）
二、海底火山喷发的环境与灾害效应
海底火山喷发时，在水较浅、水压力不大的情况下，常有壮观的爆炸。这种爆炸性的海底火山爆发会产生大量的气体，主要是来自地球深部的水蒸气、二氧化碳、二氧化硫及一些挥发性物质，还有大量火山碎屑物质及炽热的熔岩喷出，在空中冷凝为火山灰、火山弹以及火山碎屑。
海底火山的喷发对水圈、生物圈、大气圈等多圈层的环境都会造成巨大影响。据悉，印尼苏门答腊岛的多巴火山，在最近一次爆发中，火山喷发的硫化物与空气中的水分子结合后形成酸雨，导致植被遭到大量破坏。高温、含有毒物质的火山灰大面积地降落在周边地区，造成了大规模人和动物伤亡。另外，火山灰进入并停留在大气圈中的平流层，火山灰中的物质会反射阳光，导致进入地表的阳光减少，造成大范围的降温。同时，火山喷发的颗粒物落入广阔的海洋，为海洋藻类提供了肥料，促进了海藻的生长，增强了它们对二氧化碳这个温室气体的吸收，也可以给地球降温。然而，火山的喷发将原本埋藏在地球深部的二氧化碳释放出来，是给地球升温的。那么，火山喷发在时间和空间上究竟给全球带来什么样的气候变化，有待持续的科学观测和进一步的研究证明。
海底火山的另一个重要灾害是引发海啸。虽然海底地震是引发海啸的主要机制，但是据统计全球有5%的海啸是由于火山爆发引发的（图5），例如2018年印尼喀拉喀托火山爆发引发海啸（图6）。2022年1月14日、15日连续剧烈喷发的汤加洪阿哈阿帕伊岛海底火山（Hunga Tonga-Hunga Ha'apai）产生的海啸属于火山喷发引起的海啸。该海啸除了给人口约10.5万的汤加带来极大影响外，给周边斐济、萨摩亚等国也带来了严重影响，并发布了海啸预警。此外，这次火山喷发产生了越洋大海啸，历史上极为罕见，太平洋周边许多国家包括日本、美国、澳大利亚、新西兰、瓦努阿图、智利等均受到海啸影响，并发布了海啸预警（图7）。
图5 火山爆发引发海啸示意图（图片来自网络）
图6 印尼喀拉喀托火山爆发引发海啸（图片来源：中新网）
图7 汤加火山爆发引发海啸影响区域和到时图（图片来源：自然资源部海啸预警中心）
据目前统计来看，在汤加沿海区域，巨浪冲到岸上，破坏了房屋、教堂和其他建筑物；在日本鹿儿岛县奄美市，海啸波到达1.2米；在澳大利亚东部沿海地区诺福克岛附近达到1.72米，其余黄金海岸地区达0.82米；美国西海岸部分地区包括夏威夷地区及华盛顿州、俄勒冈州沿海地区发布海啸预警，夏威夷所有岛屿、华盛顿州和俄勒冈州沿海一些地区，目前只有海啸引发的轻微洪水，部分沿海地区的强海流可能持续数小时；在南美智利北部伊基克等地，海啸波高近2米。据中国自然资源部海啸预警中心最新监测结果分析（2022年1月15日12时27分），中国沿海海域于1月16日凌晨监测到海啸波，其中浙江石浦站最大海啸波幅约20厘米，其余潮位站海啸波幅均小于15厘米。
汤加首席地质专家库拉指出，1月14日火山喷发释放的能量约是去年12月20日的7倍，15日喷发也巨大，表明该地火山口已苏醒，喷发活跃期可持续数周甚至数年，尚不清楚是否达峰值。如果再度喷发，汤加将遭到海啸、暴雨、洪水和强风等灾害链的破坏性侵袭。此次火山喷发的能量，据美国地质勘查局估计，相当于5.8级地震，然而产生了超乎想象的越洋海啸。目前海啸产生的具体机制不清晰，很可能是由于火山爆发导致火山山体大面积垮塌，再加上激波的双重效应，产生了越洋大海啸，接下来进一步的海底地球物理多学科探测将帮助解开这个谜团。
作者：张锦昌、邱强、杨晓东、周志远
