引言

与地震一样，火山也是地球动力学的一种表现，地震主要反映构造机械能的集中与释放，而火山主要反映岩浆热能的集中与释放（洪汉净，2011）。一般认为地震是岩石圈岩石的破裂，而火山喷发涉及岩石部分熔融形成岩浆，而后岩浆汇集、火山通道形成以及岩浆上升等过程。物理上，二者又存在相似的机制，有研究指出，地震与火山喷发的基本破裂机制类似，地震活动中破裂促使断层两侧块体错动，而火山活动中，破裂成为高压岩浆溢出的通道。因此从应力积累和破裂的角度来看，二者可能具有相似的机制（安艺敬一，2009；Crampin et al，2015）。也因此，关于火山与地震的关系及其相互作用的研究一直是国际地球物理领域的热点之一（Mcnutt，Beavan，1981；Dieterich et al，2000；Kasahara，2002；Lemarchand，Grasso，2007；Mellors et al，2007；Bell et al，2021），该研究聚焦的主要问题有特大地震对一定范围内火山活动的触发（王凡等，2011；Nishimura，2017；González et al，2021）、大震发生前后区域火山活动的特征变化（Eggert，Walter，2009）以及火山区地震活动状态，即火山地震（Nettles，Ekström，1998；Green，Neuberg，2006；Farrell et al，2009）。我国学者在这些方面也开展了大量的研究（刘国明等，2006，2011；吕政等，2007；吴建平等，2007），并且从不同角度讨论了火山活动特征（洪汉净等，2003）及其与区域强震（洪汉净等，2009；洪汉净，2011；董金龙等，2015）、气候变化（刘嘉麒，郭正府，1998；郭正府，刘嘉麒，2002；曲维政等，2011）等的关系。

2022年1月15日，位于南太平洋岛国汤加王国境内的洪阿哈阿帕伊（Hunga Ha’apai）岛海底火山（175.38°W，20.57°S）发生猛烈喷发（Carvajal et al，2022），火山喷发指数（volcanic explosivity index，缩写为VEI）为5，能量释放可能高于5 800万吨三硝基甲苯（TNT）（Kulichkov et al，2022），几乎是汶川地震释放能量（约1 000 万吨TNT）（Chen et al，2018）的6倍。巨大的能量释放对全球大气环境（Proud et al，2022）和气候变化（Zhang et al，2022；Bao et al，2023；Jenkins et al，2023）产生了巨大的影响，引起了科学家的广泛关注（Adam，2022；Carvajal et al，2022；Omira et al，2022；Proud et al，2022；Vömel et al，2022；Wright et al，2022）。然而，作为地球能量的一种释放方式，此次汤加火山剧烈喷发是否与全球或者某个特定构造区的地震活动趋势变化有关？或者是否对地震活动趋势发展变化有所指示？截至目前，关于这方面的文献报道并不多见。鉴于此，本文将基于地震活动性分析的方法和视角，在总结全球火山喷发时空特征的基础上，结合全球和中国大陆的强震活动特点，分析讨论2022年汤加火山剧烈喷发后全球和中国大陆地震活动趋势的可能变化，以期为理解地球动力学过程和地震活动趋势分析提供一定参考。

1.   全球火山活动时空演化特征

1.1   火山概况

根据史密森学会火山记录（Global Volcanism Program，National Museum of Natural History，Smithsonian Institution，2023），全球绝大多数火山都发生在板块构造的边界部位（Schmincke，2004；Cottrell，2015），根据其形成的构造环境，火山大体可以分为两类：板块分离的裂谷带和板块汇聚的俯冲带。裂谷带上的火山大多位于大洋中脊深处，也有一些裂谷带火山处于海洋至陆地的延伸部位，如冰岛和东非大裂谷。俯冲带上的火山主要是环太平洋的火山活动，如以阿留申（Aleutian）群岛、印度尼西亚、菲律宾为代表的岛屿火山链和以安第斯山脉为代表的大陆火山链等。此外，还有一些活火山发生在地幔“热点”上方的构造板块内部，如夏威夷火山链和美国黄石公园。每一类构造环境中都存在着不同类型的火山，形态上有些是典型的尖锥，有些是宽盾，还有一些较大的火山口在地面上几乎无法区分，需要在太空中方可窥探其全貌（Siebert et al，2011；Cottrell，2015）。

一般情况下，火山喷发是以喷发级数和（或）强度来衡量（Pyle，2015），其中喷发级数通过喷发物的总质量来衡量，喷发强度则通过喷发速率或质量通量来衡量。由于观测技术限制，喷发质量和喷发速率通常很难定量观测。由于火山喷发的高度与喷发的强度相关（Mastin et al，2009；Bonadonna et al，2012），并且相对容易获取，通常采用火山喷发指数VEI来标定火山喷发规模。VEI是基于喷发期间喷发物质体积以及火山灰柱的高度（Newhall，Self，1982）来确定。从能量释放的角度（安利，2020），一次VEI＝3的火山喷发所释放的能量相当于一次M7.0地震；一次VEI＝4的火山喷发则相当于一次M8.2地震的能量释放；2022年汤加火山的VEI＝5，此次喷发释放能量大约相当于 6次汶川特大地震所释放的能量。VEI＝8是火山喷发指数的最高级，此时的火山被称为超级火山，如7万5 000年前的美国黄石火山喷发。

与历史地震的记载情况相似，火山喷发记录由于受限于地质、历史记载和年代测定等因素，在不同时代都存在不同程度的记录不完整情形（Loughlin et al，2015）。史密森学会共记录了1 551座火山的喷发，其中 866 座曾于全新世喷发，公元1500年以来有596座火山喷发过。全世界大约只有30%的全新世火山有公元1500年前喷发的文献报道，而38%的火山在1900年以前无喷发活动记载。据Loughlin等（2015）记载，1950年以来共记录了全球347座火山的2 208次喷发，年喷发最少46次，最多85次，平均每年喷发 63次。

幂律分布是地震活动性的一个重要性质，即著名的古登堡-里克特关系（Gutenberg，Richter，1944）。与地震活动类似，不同规模火山的喷发频次也随着喷发指数的增加而降低（Simkin，1993；Deligne et al，2010），一定规模以上的喷发频次在对数坐标系下呈线性特征，与古登堡-李克特关系相似。同时由于观测记录的客观条件所限，记录的火山喷发频次和喷发指数关系呈现构造分区特征。此外，人类活动的重大事件，如两次世界大战或十五世纪末以来的拉丁美洲非洲殖民扩张时期，火山活动记录都会出现同步的缺记或记录频增现象（Siebert et al，2011，2015）。然而，一些较大的火山喷发还是可以通过地质学测年等技术来确定，离逝时间越短，其记录完整性越高。正是基于这样的认识，一些科学家从不同角度开展了火山目录完整性的研究（Newhall，Self，1982；Marzocchi，Zaccarelli，2006；Rougier et al，2016；Papale，2018；Burgos et al，2022） 。整体上，就全球火山喷发记录而言，公元1600年以来全球VEI≥5的火山活动记录较为完整，公元1800年以来全球VEI≥4的火山活动记录较为完整，1950年以来VEI≥1的火山活动记录较为完整。

1.2   火山活动空间分布特征

全球火山活动与M≥7.0地震活动（宋治平等，2013；薛艳等，2021）在板块尺度上有着相似的特征，环太平洋地区是全球强震和火山活动的主体区域，火山和M≥7.0地震均可以占到全球75%以上。具体而言，全球火山活动可分为三大区（洪汉净等，2003）：① 西太平洋火山活动区。该区主要与太平洋板块向北西西方向的俯冲活动有关，历史上319座火山有过喷发，占全球火山的57.5％；② 东太平洋火山活动区。该区主要与太平洋东面的小板块如胡安德富卡（Juan de Fuca）板块、科科斯（Cocos）、纳斯卡（Nazca）板块向美洲板块的俯冲有关，114座火山历史上有过喷发，占全球火山的20.5％；③ 大西洋火山活动区。该区与大西洋和非洲的裂开以及地中海的活动有关，101座火山历史上有过喷发，占全球火山的18.2％（图1）。2022年汤加VEI＝5火山位于克马德克—汤加（Kermadec-Tonga）海沟北部，处于印度洋板块东边界，该区是全球M7地震活跃区域之一，1900年以来发生M≥8.0地震8次，最大为1917年、1919年和1977年发生的三次M8.3地震。

图  1  史密森学会（Smithsonian Institution）记录的全球火山活动（VEI≥2）

图中红点为1900年以来VEI≥5的火山活动

Figure  1.  Global volcanic activity （VEI≥2） recorded by the Smithsonian Institution

The red dots are volcanic eruptions with VEI≥5 since 1900

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从细节上看，一些地方火山活动与地震活动又表现出较大的差异。将全球的火山和强震按照10°的分区统计其活动频次并投影至经度和纬度坐标上，结果显示全球火山在空间上表现出显著的非均匀性（图2）。经度上主要分布在100°E—170°E，60°W—110°W，10°E— 50°E和20°W—30°W四个区域，分别对应于巽他板块—环太平洋西岸、环太平洋东岸、地中海至非洲裂谷区以及大西洋中脊等区域；纬度上主要分布在20°S—20°N，30°N—70°N和30°S—50°S三个区域。洪汉净等（2003）研究认为纬度方向的集中分布可能受控于地球旋转运动的带协和函数。

图  2  全球火山和M≥7.0地震活动随经（上）、纬（下）度变化统计图

Figure  2.  Statistical chart of frequency of global volcano eruptions and M≥7.0 earthquakes with longitude （upper） and latitude （lower）

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为进一步分析全球火山的空间分布特征，在前文火山记录完整性讨论的基础上，按照Nishikawa和Ide （2014）关于板块汇聚与地震活动的分析思路，讨论环太平洋地区火山活动与板块汇聚的关系，结果如图3所示。可见1800年以来环太平洋VEI≥4的火山活动在板块年龄谱上主要集中分布于10—50 Ma的年轻板块和90—140 Ma中老年板块两个区间，空间上分别对应于墨西哥、智利—秘鲁、瓦努阿图（Vanuatu）群岛和新西兰、日本东北等区域，这些区域的板块汇聚速率较强（50—100 mm/a），且上伏板块相对海沟运动速率（−30—10 mm/a）较小。近百年来，这两个区间分别发生了1883年印度喀拉塔（Krakatau）岛VEI＝6火山活动和1902年中美洲圣玛利亚VEI＝6火山活动以及多次VEI＝5火山活动。

图  3  1800年以来环太平洋VEI≥4火山活动区的地震b值与板块年龄、板块汇聚速率、上伏板块相对海沟速率以及海沟深度的统计关系

蓝色方块为Nishikawa和Ide （2014）给出的关于全球大震的结果

Figure  3.  Statistical relationships between seismic b value and plate age，plate convergence rate，motion rate of the overlying plate relative to trench，and trench depth in the Circum-Pacificregion with VEI≥4 volcano eruption since 1800

The blue squares are the results of global large earthquakes given by Nishikawa and Ide （2014）

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火山活动的这种区间分布现象在b值-海沟深度图谱上也很清晰。墨西哥、智利—秘鲁、瓦努阿图群岛等年轻板块（0—50 Ma）区域的海沟深度浅，地震b值低；而新西兰、日本东北等中老年板块（90—140 Ma）区域的海沟深度深，地震b值高（图3）。火山活动在板块年龄、地震b值和海沟深度图谱上的分区现象表明，不同区域的活动可能具有不同的孕育机制。Nishikawa和Ide （2014）分析环太平洋地震分布特征时也发现相似的区间分布特征，即：年轻的新生板块俯冲带的应力环境主要受控于板块的水平挤压，b值和板块俯冲年龄及海沟深度呈较为显著的正相关关系，俯冲带强震的孕育发生主要由水平挤压在板片间形成的剪切应力增强所控制，这期间的火山活动可能与板块的剧烈汇聚碰撞相关；对于俯冲板块年龄较大的俯冲带，沉重的板降低了板界面上的法向应力和剪切应力，b值与板块俯冲年龄以及海沟深度等的相关性减弱，地震的活动可能主要受控于板块的垂向浮力，这期间火山活动可能与深部岩浆活动或板块再加热等相关。2022年汤加VEI＝5火山在新西兰附近的汤加—克马德克俯冲带上喷发，该区的板块年龄较老（95 Ma）、b值较高（1.4）且海沟深度较深（7 km）。此外，在年轻板块向年老板块过渡的阶段（50—90 Ma），b值与板块俯冲年龄及海沟深度相关性存在着由强线性相关到线性不相关的过渡过程，Nishikawa和Ide （2014）认为这种过渡可能与板块进入热稳定或者经历了再加热事件相关，代表性的区域主要有阿拉斯加俯冲带西段和苏门答腊俯冲带北段，实际上这些地方几乎无火山活动（图3），可能预示着这些区域的俯冲板块进入了稳定的热平衡过程。

1.3   火山活动时间分布特征

1.3.1   百年周期特征

根据史密森学会记录（Global Volcanism Program，National Museum of Natural History，Smithsonian Institution，2023），1600年以来全球VEI≥5火山活动初步可以分为三个强活动时段（1600—1660年，1813—1912年，1913年至今）和一个弱活动时段（1660—1812年）。1808年VEI＝6火山喷发和1812年开始的印度尼西亚小巽他群岛VEI＝7火山喷发结束了1660—1800年长达140年的弱活动状态，之后全球火山活动进入了百年周期活动。该周期按照火山能量释放曲线可以划分为1813—1912年和1913年至今两个活跃周期，每个周期的前半段火山能量释放较为缓慢，最大活动水平为VEI＝5，后半段能量释放剧烈，伴随着多次VEI＝6的火山活动。2022年汤加VEI＝5火山活动表明当前依然处于1913年至今的火山活跃时段，该时段目前仅有一次VEI＝6火山活动，即1991年印度尼西亚吕宋岛VEI＝6火山喷发。此外，这两个活跃时段的火山活动还表现出一定的差异特征：以每个周期首次VEI＝6火山活动将活跃时段分为能量积累阶段和释放阶段，积累阶段持续约70年，火山喷发强度以VEI＝4为主，期间伴有数次VEI＝5火山活动，无VEI＝6以上火山喷发；释放阶段持续时间较短且火山活动强烈，这30年内VEI＝4火山活动频繁且会有数次VEI＝5和VEI＝6的火山喷发。当前处于1913年至今活跃期的能量释放阶段，已发生VEI＝4 火山喷发28次，VEI＝5火山喷发3次和1次VEI＝6火山喷发（图4）。

图  4  1600年以来全球VEI≥4火山喷发时序图（a）及能量释放曲线（b）

Figure  4.  Volcanic eruption sequence （a） and energy release curves （b） for global volcanos with VEI≥4 since 1600

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1.3.2   活跃周期内加速活动

从图4可以看到，在1813—1912年和1913年至今这两个百年周期的活跃期内，火山活动存在频次加速现象。在前文火山目录完整性分析基础上，图5给出了1813—1912年期间VEI≥4和1913年至今VEI≥3火山活动的累积频次。可见：在1813—1912年百年周期内，以十九世纪六十年代为界，上半叶火山活动的累积频次表现为规律的线性累积特征，而下半叶相对上半叶出现了显著的加速活动现象。此外，无论是平稳的线性累积的上半叶还是加速的下半叶，火山活动还表现出10—20年尺度的小周期活动特征（图5a）。十九世纪全球火山的“平稳—加速”活动特征同样表现在二十世纪以来的VEI≥3火山频次上（图5b）。

图  5  1813—1912年（a）和1900年以来（b）全球火山的阶段加速活动

Figure  5.  Acceleration activities of global volcanic activity from 1812 to 1912 （a） and from 1900 to now （b）

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2.   全球和中国大陆强震活动特点

2.1   全球大震活动特点

根据中国地震台网（2023）产出的地震目录以及中国地震局汇编的全球地震目录（宋治平等，2011），1900年以来全球M≥8.0地震时序图和应变累积释放过程（图6）显示：二十世纪初，全球M≥8.0地震经历了10年左右的剧烈释放过程；1909—1960年全球强震活动在时间上呈现强弱交替特征；1960年到二十世纪末，全球M8地震活动处于弱活动状态，特别显著的特征是二十世纪九十年代，约10年尺度全球无M8地震发生；2001年以来全球处于新的活跃期，强震活动明显增强，M≥8.0地震十年累积频次逐年增高，近年来维持在较高水平，频次和持续时间与二十世纪二十年代相似。从1900年以来全球M≥8.0地震应变累积释放曲线来看，目前全球强震活动类似于二十世纪初的状态，不仅全球强震应变累积处于较高水平，且自2004年12月26日苏门答腊地震后，全球强震应变以释放为主（图6）。此外，近年来全球应变集中释放，呈震级高、频度大的特点。板块边界构造带与板内大陆内部地震的同步活动，说明目前全球处于巨大地震的活动高潮（邓起东等，2014）。

图  6  1900年以来全球M≥7.0地震M-t时序图（a）和M≥8.0地震（小圆圈标记）应变释放曲线（b）

Figure  6.  M-t plot of global M≥7.0 earthquakes since 1900 （a） and the strain release curve of global M≥8.0 earthquakes denoted by small circles （b）

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2.2   中国大陆地震活动特点

根据1900年以来中国大陆地区M≥7.0浅源地震M-t图（图7），1951年当雄M_S8.0地震后，中国大陆M≥8.0地震平静期长达50年，直至2001年昆仑山口西M_S8.1地震发生。在此期间，中国大陆M≥7.0地震呈现出较好的期幕活动特征，即在时间上呈现平静与活跃相互交替的规律性特征。而1951年当雄M_S8.0地震前，中国大陆M≥7.0浅源地震并未呈现显著的平静与活跃交替特征，只有相对强弱变化。这种时序特征出现明显差异的时间界限是 1955年，即1955年前后中国大陆地区M≥7.0浅源地震存在两种明显不同的活动状态。以1955年为界，中国大陆M≥7地震活动状态的变化主要表现在以下三个方面。

图  7  1900年以来中国大陆地区M≥7.0浅源地震M-t图（小圆圈标记为M≥8.0地震）

Figure  7.  M-t plot of shallow earthquakes with M≥7.0 in Chinese mainland since 1900 （M≥8.0 earthquakes are denoted by small circles）

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一是震级水平上的差异。1900年以来，中国大陆共发生M≥7.5地震23次、M≥8.0地震9次，其中的16次M≥7.5地震和7次 M≥8.0地震均发生在1900—1955年。而在1956年至2008年期间，特别是1956年至2001年昆仑山口西M_S8.1地震发生前，中国大陆出现了 50年的M≥8.0地震平静期。

二是平静期与活跃期的划分存在显著差异。张国民和马宏生（2006）通过综合分析1900年以来中国大陆M≥7.0地震少发时段和频发时段的分布特征指出：1955年之前，中国大陆强震活动整体较强，M≥7.0地震平静时间超过3年的概率仅有7.5%，但也没有持续时间较长的活跃时段，只存在相对强弱的变化，少发时段和频发时段的有震年所占比例差距较小，甚至难于划分（马宏生等，2009）；1955年之后，中国大陆M≥7.0地震平静与活跃相互交替的特征显著，频发时段有震年所占比例是少发时段的6倍以上。马宏生等（2009）的研究表明，中国大陆M≥7.0地震期幕活动可能受控于更高震级的地震活动，也即M≥8.0地震平静时段内，中国大陆M≥7.0地震活跃与平静相交替的特征非常显著，而M≥8.0地震持续活跃时段内，M≥7.0地震只有相对强弱变化。这一特征在其他学者的研究（陈学忠等，2001；孙加林，章瑞，2007；邵志刚等，2009）中也有所体现。

三是1955年前后中国大陆M≥7.0地震频次存在显著差异。根据1920年以来中国大陆M≥7.0地震10年累积频次结果（中国大陆M≥7.0地震记录自1920年开始相对完整），我们认为中国大陆M≥7.0地震10年累积频次在1955年前后具有较大差异：1955年之前，中国大陆M≥7.0地震频次较高，每10年平均可达（8.0±1.9）次；1956年至2008年汶川M_S8.0 地震前，中国大陆M≥7.0地震频次明显偏低，每10年平均约（5.7±3.4）次。

3.   火山活动与地震活动的统计关系

3.1   火山活动与全球大震活动的关系

1） 百年周期内火山活动与地震活动的能量释放互补。正如图6分析，1910—1960年全球M8.0地震表现为持续的能量释放，1961—2000年全球M8.0地震活动减弱，进入能量累积阶段。与之相反，1912—1955年全球火山活动主要表现为稳定的能量积累，期间主要以VEI＝4火山活动为主，仅发生2次VEI＝5火山活动；而 1956—1990年火山活动以持续的能量释放为主，发生了4次VEI＝5火山活动（图4）。在全球M8.0地震的10年平静期，即二十世纪九十年代（图6），发生了1次VEI＝6火山活动（1991年印度尼西亚吕宋岛VEI＝6火山喷发）（图4）。二十一世纪以来，全球先后发生26次M≥8.0地震，包含2004年苏门答腊M_S8.7地震、2010年智利M_S8.8地震、2011年日本M_S9.0地震在内的6次M_S＞8.5特大地震，中国大陆及周边发生了2001年昆仑山口西M_S8.1地震、2008年汶川M_S8.0地震以及2015年尼泊尔M_S8.1地震，全球M8.0地震活动显著增强（Lay，2015），应变释放曲线表现出类似二十世纪初的强烈释放过程（图6）。而同期全球火山活动以VEI＝4活动为主，仅发生2次VEI≥5火山活动，即2011年智利南部普耶韦（Puyehue）VEI＝5火山喷发和2022年汤加VEI＝5火山喷发。将图4和图6关于1913年至今的火山活动和地震活动应变释放曲线按照地震、火山活动时序过程划分为1913—1955年、1956—1999年和2000年至今三个时段，给出每个时段地震和火山活动应变年累积释放速率，结果如图8所示。可见，百年周期内全球火山活动和地震活动的应变释放存在“强—弱交替”的现象，即当火山活动相对较弱，处于应变积累的过程时，同期的地震活动处于应变强释放阶段。据此我们认为二十世纪以来的百年周期内，全球M≥8.0大震活动和VEI≥5剧烈火山喷发在能量释放的角度存在互补现象。

图  8  1913年以来全球火山和强震活动的应变累积释放速率对比

Figure  8.  Comparison of strain accumulation and release rate of volcano eruption with that of strong seismicity

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2） 百年周期内火山活动与地震活动频次准同步。与能量释放互补相反的是，二十世纪全球M8地震和VEI≥4火山的活动频次曲线在频次上具有准同步特征（图5b，图9）。二十世纪上半叶，全球处于M8地震应变持续释放过程中，其累积频次表现出稳定的线性增加趋势（图9a）。1960年智利M_W9.5地震之后，全球M8地震活动减弱（图9a）；至二十世纪末，全球M8地震处于弱活动状态，应变处于积累阶段（图6）。在此期间，全球VEI≥4火山的活动频次也表现出准同步活动特征：1913—1955年全球VEI≥4火山活动频次呈现较为稳定的线性增加趋势，并伴有一定的周期活动特征（图9b），与二十世纪上半叶全球M8地震准周期活动特征相似。1955年俄罗斯别济米扬（Bezymianny） VEI＝5火山喷发和1963年菲律宾阿贡（Agung） VEI＝5火山喷发之后至二十世纪末，全球VEI≥4火山活动减弱（图9b），平均频次低于二十世纪上半叶。二十一世纪以来，伴随着2004年苏门答腊M_S8.7地震、2010年智利M_S8.8地震、2011年日本M_S9.0地震在内的6次M_S＞8.5特大地震以及包括中国大陆及周边发生的2001年昆仑山口西M_S8.1地震、2008年汶川M_S8.0地震和2015年尼泊尔M_S8.1地震在内的20余次M8地震的发生，全球M8地震进入新的活跃状态。在此期间，全球VEI≥4火山活动也表现出显著的增强现象（图9b），特别是2008年以来，全球VEI≥4火山活动频次快速增加，发生了19次VEI＝4和2次VEI＝5火山活动（其中一次为2022年汤加VEI＝5火山活动）。

图  9  1909年以来全球M≥8.0地震（a）和VEI≥4火山喷发（b）的累积频次变化

Figure  9.  Variation of cumulative frequency of global earthquakes with M≥8.0 （a） and the contemporaneous VEI≥4 volcano eruptions （b） since 1909

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3.2   强火山喷发对全球强震活动趋势的指示

1900年以来全球共记录到VEI≥5火山喷发13次，表1给出了这些火山开始活动后续三年全球M7地震和后续十年全球M8地震的活动状态。整体上，VEI≥5火山喷发后三年，全球M≥7.0地震的频次最高为67次、最低为32次，平均为52次，与全球M7地震年均频次（18±6）相当。13次VEI≥5火山喷发中，有10次VEI≥5火山喷发之后的三年内全球有M≥8.0地震发生；另外，有4次VEI≥5火山喷发之后的十年内，全球有10次以上M≥8.0地震发生。

表  1  1900年以来强火山喷发与全球强震活动统计对比

Table  1.  Comparison between strong volcanic eruptions and global strong earthquake activities since 1900

火山喷发				全球强震活动
起始时间	VEI	地点		后续三年 M7频次	后续三年最大地震			后续十年 M8频次	后续十年最大地震
					年-月-日	地点	MS		年-月-日	地点	MS
1 902-10-24	6	危地马拉圣玛利亚		32	1 903-06-02 1 903-08-11	阿拉斯加 希腊	8.3 8.3	22	1 903-06-02 1 903-08-11 1 906-08-17 1 911-01-03	阿拉斯加 希腊 智利 哈萨克斯坦	8.3 8.3 8.3 8.3
1 907-03-28	5	俄罗斯堪察加半岛		45	1 907-04-15	墨西哥	8.1	9	1 911-01-03 1 917-06-26	哈萨克斯坦 萨摩亚	8.3 8.3
1 912-06-06	6	阿拉斯加		58	1 914-11-24	马里亚纳	8.1	11	1 920-12-16	宁夏海原	8.5
1 916-01-01	5	秘鲁赛罗阿苏尔		55	1 917-06-26	萨摩亚	8.3	13	1 920-12-16	宁夏海原	8.5
1 933-01-08	5	墨西哥科利马		54	1 933-03-02	日本本州	8.5	12	1 933-03-02	日本本州	8.5
1 955-10-22	5	俄罗斯别济米安纳		59	1 957-12-04	蒙古	8.3	8	1 960-05-22 1 964-03-28	智利 阿拉斯加	8.5 8.5
1 963-02-18	5	菲律宾阿贡		49	1 964-03-28	阿拉斯加	8.5	7	1 964-03-28	阿拉斯加	8.5
1 980-03-27	5	美国西部圣海伦斯		49	1 981-01-02	琉球群岛	8.0	6	1 985-09-19	墨西哥	8.3
1 982-03-28	5	墨西哥埃尔奇琼		48	1 983-10-05	智利	7.9	6	1 985-09-19	墨西哥	8.3
1 991-04-02	6	菲律宾吕宋		54	1 991-04-23	哥斯达黎加	8.0	3	2 001-11-14	昆仑山口西	8.1
1 991-08-08	5	智利哈德森		54	1 992-06-28	美国加州	7.9	2	2 001-11-14	昆仑山口西	8.1
2 011-06-04	5	智利南部普耶韦		67	2 012-04-11	苏门答腊	8.7	12	2 012-04-11	苏门答腊	8.6
2 021-12-20	5	汤加		24？	2 023-02-06	土耳其	7.8	？	？

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进一步分析发现，13次VEI≥5火山喷发后续的全球M7地震活动状态在二十世纪上半叶与下半叶之间存在显著的差异。以1955年为界线，二十世纪上半叶VEI≥5火山喷发6次，其中4次后续三年内发生的最大地震超过M8.3；二十世纪下半叶VEI≥5火山喷发5次，仅有1次后续三年内最大地震超过M8.3。较VEI≥5火山喷发后三年内M7地震的频次，VEI≥5火山喷发后全球M8地震10年尺度活动状态在二十世纪上半叶与下半叶之间的差异更加突出：二十世纪上半叶6次VEI≥5火山喷发后，有4次在后续十年内年均至少1次 M≥8.0地震；而二十世纪下半叶5次VEI≥5火山喷发后，全球M8地震平均活动水平约为两年1次，且其最大地震及对应频次低于二十世纪上半叶。二十世纪以来，全球发生2次VEI≥5火山喷发，2011年智利VEI＝5火山喷发后三年内发生了苏门答腊M_S8.7地震，至2021年的十年内发生了10次 M8地震；2021年12月20日汤加火山开始喷发后，目前已发生了2023年土耳其M7.8双震。活动状态与二十世纪上半叶相似，可能预示着未来一段时间全球M8地震活动将增强。

3.3   火山活动对中国大陆强震活动趋势的指示

3.3.1   1955年前后全球火山和中国大陆M7地震的状态变化

与1900年以来中国大陆M7浅源地震活动相似，1900年以来全球VEI≥4火山活动也表现出以1955年为界的状态变化特征（图7，图9b）。1955年之前全球VEI≥4火山活动在时间上呈现平静—活跃相互交替的规律性特征，至1955年别济米扬VEI＝5火山喷发结束。尽管在此期间中国大陆M7浅源地震无明显的周期活动特征，但全球VEI≥5火山活动和中国大陆M8地震表现为十年尺度准同步特征（图10，灰色阴影）。1956年开始，全球VEI≥4进入长达7.3年的平静，直至1963年阿贡VEI＝5火山喷发，同期中国大陆M7浅源地震也经历了8年的超长平静。全球火山活动和中国大陆M7浅源地震在这个过程中发生了状态变化（图10）。

图  10  全球火山活动和中国大陆M≥7.0地震活动对比

（a） 全球VEI≥4火山活动，图中蓝色矩形为5年窗长1年步长频次，红色直线为VEI≥5火山事件；（b） 中国大陆M7浅源地震，红线直线为M≥8.0地震

Figure  10.  Comparison of global volcanic activities with M≥7.0 earthquakes in Chinese mainland

（a） Global volcanic eruptions with VEI≥4，where the blue rectangle is the five-year window length and one-year step length frequency，and the red lines are the volcano eruptions with VEI≥5；（b） Shallow earthquakes with M7 in Chinese mainland，where the red lines are M≥8.0 earthquakes

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二十世纪下半叶中国大陆M≥7地震表现出较为规律的“平静—活跃”交替活动特征，而在此期间全球VEI≥4火山活动在时间上未呈现明显的规律（图10，黄色背景）。不同于1955年之前的十年尺度准同步特征，在二十世纪下半叶，全球VEI≥5火山活动和中国大陆M8地震表现为时间上的互补特征：① 1963年阿贡VEI＝5火山后15年内（1964—1979年），全球VEI≥5火山平静，期间中国大陆发生了1970年通海M_S7.8地震、1973年炉霍M_S7.5地震以及1976年的唐山M_S7.8地震和松潘平武M_S7.2双震；② 1980—1993年中国大陆M7地震活动水平降低，14年仅发生4次M≥7.0浅源地震，远低于中国大陆3年2次M7地震的平均活动水平，在此期间全球VEI≥5火山活动增强，14年间发生了4次VEI≥5火山喷发，最大为1991年菲律宾皮纳图博（Pinatubo）VEI＝6火山喷发；③ 1994—2009年期间全球VEI≥5火山活动平静，中国大陆M≥7.0地震活动增强，先后发生了2001年昆仑山口西M_S8.1和2008年汶川M_S8.0两次特大地震；④ 2010年全球VEI≥4火山活动加速，12年内发生VEI≥4火山喷发17次，其中有两次VEI＝5火山喷发，分别为2022年汤加VEI＝5和2011年智利南部普耶韦VEI＝5火山喷发。在此期间中国大陆M7浅源地震平均3年1次，低于1955年以前中国大陆M7浅源地震平均2年1次的活动水平。

3.3.2   强火山喷发对中国大陆M7浅源地震活动的指示

为进一步分析全球强火山喷发事件与中国大陆地震活动的关系，表2给出了1900年以来全球VEI≥5火山开始活动当年和后续三年中国大陆M7浅源地震活动状态。经分析可知，与表1的时间分段特征相似，即1955年前后13次VEI≥5火山喷发对后续中国M7浅源地震活动的指示具有显著的差异。1955年之前，全球VEI≥5火山喷发6次，其中后续三年中国大陆有5次M≥7.0浅源地震发生，优势发震时间是后续两年内，此外在火山开始喷发当年中国大陆有3次M≥7.5浅源地震发生。1955年之后的二十世纪下半叶，全球VEI≥5火山喷发5次，其中后续三年中国大陆有4次M7浅源地震发生，优势发震时间是火山开始喷发后三年及稍长时间。火山喷发当年发生M7地震仅有1例，火山喷发后续两年中国大陆均无M7浅源地震发生。二十一世纪以来，全球发生两次VEI≥5火山喷发，其中：2011年智利南部普耶韦VEI＝5火山喷发后，2013年和2014年分别发生了芦山M_S7.0和于田M_S7.3地震；2021年12月20日汤加火山开始喷发，至2022年1月15日达到最大喷发强度，此次汤加火山开始喷发当年，中国大陆发生了玛多M_S7.4地震。类比二十世纪初全球VEI≥5火山活动与中国大陆M7浅源地震的对应关系，分析认为当前中国大陆M7级浅源地震活动状态与二十世纪上半叶相似。

表  2  全球VEI≥5火山活动与后续三年中国大陆M7浅源地震对应情况

Table  2.  Corresponding of global volcanic activity with VEI≥5 to shallow earthquakes with M7 in Chinese mainland in the following three years

火山喷发				当年中国大陆 M7浅源地震		后续三年中国大陆M7浅源地震
起始时间	VEI	地点				第一年	第二年	第三年
1 902-10-24	6	危地马拉圣玛利亚		1 902-08-22 新疆阿图什MS8.1			1 904-08-30 四川炉霍MS7.0
1 907-03-28	5	俄罗斯堪察加半岛				1 908-08-20 西藏班戈MS7.0
1 912-06-06	6	阿拉斯加				1 913-12-21 云南峨山MS7.0	1 914-08-04 新疆哈密MS7.5	1 915-12-03 西藏曲松MS7.0
1 916-01-01	5	秘鲁赛罗阿苏尔				1 917-07-30 云南大关MS7.0	1 918-02-13 南海MS7.3
1 933-01-08	5	墨西哥科利马		1 933-08-25 四川茂县MS7.5		1 934-12-15 西藏申扎MS7.0
1 955-10-22	5	俄罗斯别济米安纳		1 955-04-14 四川康定MS7.5
1 963-02-18	5	菲律宾阿贡		1 963-04-19 青海都兰MS7.0				1 966-03-22 河北邢台MS7.1
1 980-03-27	5	美国西部圣海伦斯
1 982-03-28	5	墨西哥埃尔奇琼						1 985-08-23 新疆乌恰MS7.4
1 991-04-02	6	菲律宾吕宋						1 994-09-16 台湾海峡MS7.3
1 991-08-08	5	智利哈德森						1 994-09-16 台湾海峡MS7.3
2 011-06-04	5	智利南部普耶韦					2 013-04-20 四川芦山MS7.0	2 014-02-12 新疆于田MS7.3
2 021-12-20	5	汤加		2 021-05-22 青海玛多MS7.4				2 024-01-23 新疆乌什MS7.1

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4.   讨论与结论

本文基于史密森学会给出的全球火山目录，从地震活动性分析的视角分析了全球火山活动的时空分布特征，并结合全球和中国大陆M7浅源地震活动的特征，统计分析了火山活动与地震活动的关联及其对地震活动趋势的指示意义。主要认识如下：

1） 作为地球内部能量释放的一种方式，全球火山和地震活动在板块尺度上有着相似的特征（洪汉净等，2003；宋治平等，2013；薛艳等，2021），环太平洋地区是全球火山和地震活动的主体区域。但由于地球内部热平衡状态的差异（Nishikawa，Ide，2014），二者孕育发生的构造动力环境和活动格局也不尽相同，在墨西哥、智利—秘鲁及瓦努阿图等年轻板块（0—50 Ma）以及日本、新西兰等老年板块（90 Ma以上）的俯冲带边缘及附近区域，火山和地震活动在空间上有一定重合；阿拉斯加俯冲带西段和苏门答腊俯冲带北段的 50—90 Ma的中年板块俯冲带及附近区域，大震活跃但火山活动较弱。

2） 与地震活动类似，不同规模的火山活动也表现出幂律分布特征（Simkin，1993；Deligne et al，2010）并在时间和强度上呈现周期活动特征。1810年以来全球火山活动可以分为两个显著的百年周期，每个周期的下半叶相对上半叶，火山活动表现出显著的加速活动特征。与地震活动性分析结果的对比显示，二十世纪的全球大型火山喷发活动与M≥8.0特大地震在时间上存在着能量互补和频次准同步特征，进一步说明地震和火山活动不是独立的事件，二者共同参与着地球内部能量的释放过程。

3） 中国大陆 1955年前后强震活动状态的变化，可能与同期全球火山活动状态变化密切相关。二者可能受控于百年周期内地球内部能量积累释放的状态变化。汤加火山的剧烈喷发意味着地球内部能量仍在持续释放。结合全球M8地震和中国大陆M7浅源地震活动特征，认为当前及未来一段时间全球及中国大陆地震活动状态可能与二十世纪上半叶相似。

本文相关认识主要基于现象类比给出，相关分析结果可以为进一步认识理解地球内部动力学过程和分析讨论未来地震活动趋势提供一些参考依据。但一些结果可能还存在样本不足的情况，例如尽管火山活动可以清晰地确定公元1800年以来的两个百年活跃周期，但受限于地震目录的完备性，我们不能确定第一个百年周期内火山和地震活动是否也存在能量互补和频次准同步特征。未来需通过丰富样本数据、采用科学统计模型来进一步提高相关分析结果的信度，提升对地球动力学过程的认识，更好地指导防灾减灾工作。

中国地震局火山研究所盘晓东高级工程师在火山资料获取、火山活动概况等方面的有益讨论和帮助，评审专家提出的宝贵修改意见和建议，作者在此表示衷心的感谢。