火山灰

火山灰（volcanic ash），是火山喷发时形成的固体喷发物的一种，颗粒直径小于2毫米的细小火山碎屑物^[1][2]。

火山灰由微小的锯齿状岩石、矿物质和火山玻璃碎片组成，其主要成分是二氧化硅（SiO2），约占成分的40%~60%，矿物质由二氧化硅颗粒以及少量铝、铁、钙 和钠的氧化物组成。火山灰是一种硬磨料，有轻度腐蚀性，遇湿导电，不溶于水。^[3][4]火山灰一般呈黑色、灰色、黄色、白色等，是火山喷发中最常见的碎屑物，由于火山灰密度小、颗粒小，在火山喷发时的能量下火山灰能够到达大气层中几十千米的高度，在平流层中可以悬浮几个月至几年之久。^[5]

火山灰漂浮在大气层中形成含有大量二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、氯化物、甲烷（CH4）组成的火山灰云，火山灰云在大气层中会使对流层紫外线辐射增加，加速光化学烟雾形成，破坏臭氧层，长时间遮挡阳光，造成地表气温下降，火山灰会进入飞机发动机吸附在涡轮叶片上影响航空安全，其降落时含有腐蚀性的成分可能形成酸雨给生产和生活带来不利影响，火山灰中含有的矿物质成分也被广泛用作化肥、化工、美容等行业。^[1][5][6]1980年5月18日，圣海伦斯火山爆发，其大量的气流和微粒以100米/秒的速度向火山北部移动，覆盖了约600公里的区域。火山灰等火山喷发物形成巨大的蘑菇状烟尘上升到25千米的高度。7.5万年前，印度尼西亚多巴火山喷发形成的火山灰散布到北印度洋的大部分地区，并可能引发了向冰河时代气候的转变。^[7]2022年1月15日，汤加海底火山发生火山喷发，火山灰、气体和蒸汽组成的火山喷发柱高达20千米，火山灰云团直径约260千米，释放二氧化硫40万吨，汤加火山附近岛屿的建筑、道路、植被等几乎全被火山灰覆盖，受损严重，农作物也被火山覆盖受灾严重，空气及饮用水受到污染，海洋生态遭到严重破坏。^[8]

火山灰通常由火山玻璃、矿物质晶体和岩石碎片组成。^[9]

火山玻璃：火山喷发时岩浆熔融部分在喷发过程中冷却凝固形成的玻璃碎片，通常是微小气泡的残余物，在岩浆和水之间爆炸性相互作用呈特殊的角形。^[9]矿物质晶体：是在火山爆发前经岩浆在结晶分异作用下形成的矿物石结晶，在火山喷发时将矿物石结晶喷出。^[9]岩石碎片：是位于火山深处和顶部的岩石，在火山爆发过程中受爆炸冲击力和碎片冲击破碎形成的岩石碎片。^[9]

火山碎屑:火山碎屑是火山灰的主要组成部分，形态多样，包括块状、角状、颗粒状等。^[10]石英:石英是一种常见的火山灰矿物，常以小颗粒形式出现，也可以是长石状或者纤维状。^[10]长石:长石是一种钠钾铝硅酸盐矿物，常以粗颗粒形式出现。^[10]硬玉石:硬玉石是一种低硅酸盐矿物，通常呈细颗粒状。^[10]磁铁矿:磁铁矿是一种含铁氧化物矿物，常以细颗粒形式出现。^[10]

不同成分的火山灰密度各不相同。火山灰在干燥和湿润状态下的密度和重量也不相同。^[9][11]

火山灰主要由二氧化硅（ SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、氧化钙（CaO）、三氧化二铁（Fe2O3）、氧化锰（MgO）、氧化钾（K2O）和氧化钠（Na2O）成分构成，其主要成分为SiO2，约占成分的40%~60%，^[12]不同种类的火山灰其成分含量也不相同。火山灰中含有硫酸离子等酸性腐蚀物，对金属具有腐蚀性。^[9][11]火山灰中含有大量硅酸盐矿物质，可以与水反应形成硅酸溶液，也可以与大气中的二氧化碳反应形成碳酸盐。^[13][14][15]

火山灰形成于火山喷发期间，其来源主要是火山岩浆，火山岩浆中含有大量的水蒸气和蒸发组分，在火山喷发时，其气体和水蒸气受压力减少的影响迅速膨胀形成爆炸，爆炸将火山通道上方覆盖的岩石层击碎形成喷发住，岩浆在喷发的过程中被击碎在高空中迅速冷却固化，形成火山灰。火山喷发时爆炸的力量还会导致火山的内壁崩溃，在爆炸中形成更多的岩石碎片。小岩石碎片、火山玻璃和其他矿物与气体和空气颗粒混合形成火山灰柱、羽流和云。当热气、火山灰、岩石和凝固的熔岩碎片在喷发后回落形成火山碎屑密度流（PDC），火山碎屑密度流中的颗粒发生碰撞碎裂或磨损造成颗粒减少形成部分火山灰。^{[16][17][18][19]}

火山灰对人体健康可大体分为呼吸系统影响、眼部影响、皮肤刺激三类。^[20][21]

呼吸系统影响：火山灰颗粒可能非常细小，以至于它们会被吸入肺部深处，火山灰颗粒会刺激呼吸道收缩导致呼吸困难，还会导致呼吸道内壁产生更多的分泌物进而导致咳嗽、胸闷、气喘、呼吸困难等症状。在高浓度接触下，即使是健康的人也会感到胸部不适，并伴有咳嗽和刺激感增加。火山灰颗粒可以引发多种疾病，如哮喘、支气管炎、等，其引发呼吸系统疾病受多种因素影响，包括空气中颗粒的浓度、火山灰中细小颗粒的比例、暴露的频率和持续时间、结晶二氧化硅和火山气体或与火山灰混合的气溶胶。^[20][21]

2.眼部影响：火山灰中的砂粒容易进入眼睛导致眼角膜擦伤和结膜炎，常见症状有眼睛疼痛、发痒、充血有异物，眼睛分泌粘性物，撕裂眼角，角膜擦伤，急性结膜炎，眼球周围结膜囊发炎导致眼睛发红、灼痛和光敏感。^[20][21]

3.皮肤刺激：火山灰成分中还有酸性物质，可以对 一部分人的皮肤造成刺激，导致皮肤发红，发痒继而引发感染。^[20][21]

同对人体伤害影响一样，火山灰同样也会对动物的呼吸系统造成损伤、眼睛和皮肤受到影响，同时火山灰中的碎片也会导致动物的牙齿和蹄子受损，摄入后可能导致胃肠道阻塞。^[20][21]火山喷发柱和云层中的氟fú气溶胶容易附着在火山灰颗粒上，火山灰可以飘落在距离火山口很远的地方，导致1毫米厚的火山灰就可以含有大量的氟化物，动物在食用含有氟化物的草后可能会形成慢性氟中毒，慢性氟中毒可能引发一系列的症状，包括口鼻损伤、口腔周围的毛发脱落、惊厥、肺水肿、肾脏受损、肝脏受损、生育生产能力受影响等。^[20][21]火山灰在降落的过程中有很强的热辐射，很有可能对生物造成烫伤甚至死亡。^[23]

火山灰可能对农作物的生产产生不利的影响，包括农作物减产、牲畜中毒、疾病、饥饿或死亡和供水污染。^[20]

火山灰降落后会在植物叶子上堆积， 灰烬的堆积可能会导致树枝的折断，甚至将幼树、农作物埋葬。^[20]火山灰的覆盖还会阻碍植物的自然过程，包括光合作用、蒸腾作用和吸收植物中的水分，从而降低农作物的产量。^[20]火山灰中的酸性物质可能与降雨相互作用形成酸雨落下，沉积在地面上的灰烬也会导致土壤化学性质的改变，从而导致土壤酸度、养分含量和水分含量的改变，损害农作物的生长发育。^[20]

火山灰覆盖可能会摧毁牧场，导致畜牧业发展缺少饲料供应。^[20]农业和畜牧业水源和池塘等用水资源也可能受到污染导致牲畜饮用后中毒。^[20]火山灰会导致土壤硫含量升高和土壤 PH 值降低，改变土壤成分含量，导致牧草无法生存，降雨后形成酸雨的地方其地上农作物及草可能被酸雨灼烧而死。^[20]

火山灰会影响昆虫的种群及数量，破坏生态平衡，如蜜蜂等昆虫，无法授粉和采蜜。^[20]

火山灰中的硫化物和氮氧化物形成酸性物质沉降于水中，可以改变水质，导致水的PH值降低形成酸性水。火山灰中的颗粒、岩块难溶于水，会悬浮在水中增加湖泊、水库、河流和溪流的浑浊度。火山灰表面具有可溶性的涂层，这些涂层中含有丰富的钙、钠、钾、锰、铝、氯、硫、氟等元素，涂层在水中可以迅速溶解释放，导致水源污染，使水源变色及含有金属味而变得难吃，其中的氟化物还可导致氟化病。^[20][21]

火山灰可能导致供水系统的水泵磨损、堵塞或损坏，如果火山灰量过厚，很有可能堵塞供水管道、沉淀池和滤床，增加过滤器的维护，甚至导致供水系统瘫痪。清理火山灰时也可能关闭用水从而导致水资源短缺。火山灰容易造成排水系统（排水管、排水沟、下水道等）的堵塞，导致排水系统出现困难。火山灰可以导致污水处理厂的设备受到磨损或堵塞，导致排水系统受到影响。^[20]

火山灰在空气中弥漫时导致能见度降低出现道路阻塞、交通事故。火山灰在路面覆盖会导致路面易滑降低汽车牵引力导致交通事故的发生。火山灰厚度达到一定厚度可能导致道路无法通行切断交通火山灰会导致汽车进气口和过滤器堵塞、表面腐蚀和移动的发动机部件以及挡风玻璃磨损，火山灰还可能导致路边沟渠和涵洞堵塞，导致排水不畅路面受到腐蚀。^[20]

火山灰颗粒容易在飞机发动机涡轮上熔融造成发动机停止等异常原因。火山灰容易吸附在飞机玻璃上影响航空安全且不容易被检测到。火山灰可以导致机场关闭、航班取消或改道以避开空域的火山灰，造成经济损失。火山灰可能导致铁路线落灰降低牵引力。火山灰易进入火车发动机或轨道开关导致磨损加剧或部件受损引发交通事故。火山灰遇水导电可能导致电路设备短路，电子信号中断。^[20][21][4]

火山灰在建筑物外部堆积，容易造成压力过重导致建筑物倒塌，尤其是大跨度低坡度的屋顶。金属屋顶、紧固件和覆层容易受火山灰腐蚀影响，在除灰过程中也容易被碎片划伤磨损。火山灰容易对房屋的供暖、通风、排水系统造成干扰。^[20]

火山爆发时常伴随着闪电现象，增加对发电站、变电站以及输配电线路造成闪电危害。火山喷发时火山灰的导电性可以导致大规模短路，引发大规模的断电，通讯系统中断等，影响社会生活和生产。火山灰的腐蚀性可以导致线路老化、破损加剧。^[20]

火山灰中富含铁、镁、钾、硫、硒xī等矿物元素，可以起到改善土壤的物理和化学性质的作用。在一定条件下，火山灰可以在土壤上形成火山灰养分层，对农作物生长起到一定的促进作用；火山灰沉积物可以提供覆盖效果并减缓土壤水分的蒸发损失，掺入颗粒大的火山灰可以起到改善土壤通气和排水的作用。^[24][25]

火山灰具活性，在碱性激发下遇水可与石灰（CaO）反应生成具有水硬性胶凝能力的水化物，常备用作建筑材料中，如耐热混凝土；水泥活性混合材料。火山灰中的浮石是一种具有导热系数低、保温、隔音、耐热、抗热胀冷缩、防虫、防霉、抗化学腐蚀等特性的多孔质轻石，被广泛用于外墙墙体、隔音楼板、屋面保温层、空心砖块等建筑、保温材料中去。^[24][26]

火山灰中的火山玻璃和矿物质晶体具有较好的细度、角度和中等硬度，适合作为研磨材料，如抛光、洗涤和清洗剂，还被应用于玻璃、眼镜、显示屏、牙膏、肥皂等化工产品中。

火山灰中的玻璃碎片大致相当于长石和石英组成的熔块，这种材料被广泛用于陶瓷体和釉料中。^[26]

火山灰不溶于水的部分在堆积后形成火山灰泥，火山灰泥是以火山玻璃为主要成分的深灰色到黑色的无黏性泥，被广泛用到医学理疗、养生保健方面。火山泥含有镁盐、钾盐、碘及其他微量元素等对人体具有抗氧化作用，可以起到缓解疲劳、减轻压力、消除疼痛的作用，常被用于火山温泉泥浴，是温泉洗浴常见的一种方法。火山灰泥的美容制品具有美白、消炎、杀菌、激活皮肤细胞、淡化色斑等功效，被广泛用于化妆品行业。^[6]

火山灰中含有锌、银、铜、铅、铁、金等元素，常与火山岩浆一起形成大型矿床，如中国云南省普洱市民乐铜矿中含有火山灰形成的熔结凝灰岩，在许多煤层矿床中也发现由火山灰形成的黏土矿物。^[27][28]

火山灰在很多地方被用作美化剂和填充材料，如水和蒸汽管道、墙壁和天花板的绝缘填充材料，也用作油漆的填料或稀释剂，以及杀虫剂的载体。^[24][26]

火山灰可以通过多种方法进行监测，其常用的监测方法有飞机监测、地面监测、遥感监测三种。

飞机监测：飞机监测是使用飞机、卫星等设备对火山灰进行监测，可以获取火山灰的分布、浓度等信息。

地面监测：地面监测是在火山周围设立监测站，在空气中采集火山灰样品，通过化学分析等方法来检测火山灰的成分和浓度等信息。

遥感监测：遥感监测是目前火山灰监测的主要途径，主要利用卫星系统、雷达系统的遥感技术，对火山进行监测和分析。^{[4][29][30][31]}

火山灰预警体系是由火山灰检测机构和科研人员利用卫星、雷达、地震仪等火山监测手段对火山活动监测、分析、模拟和预测的体系。世界上多个国家都已建立起火山监测站系统，但很少有国家建立起健全的火山灰预警体系，日本是一个多火山活动的国家，2015年期开始了火山灰降落预报，设立了较为全面的火山灰预警系统，分别在火山喷发前、喷发时和喷发后，根据天气状况和喷发状况发布不同的预报，预报体系中包含火山灰什么时候降落，降落在什么地方，降落量是多少，落灰量根据积灰的厚度分为大量（1毫米或更多）、有点大量（0.1-1毫米）和小量（小于0.1毫米）三种。^[32][33][34]

在火山喷发前，提前预测火山喷发规模和天气情况，模拟火山喷发时的火山灰降落，制作火山灰降落预报。^[34]火山喷发后5-10分钟后发布火山灰降落初步预报。^[34]火山喷发后20-30分钟根据实际喷发的规模和天气状况进行计算，发布火山灰降落预报。^[34]

火山灰期间非必要不外出，关闭窗口尽量留在室内。火山灰会对汽车等交通工具造成损害，在火山灰散布其间，不要随意开车。外出时使用防尘口罩、防尘眼镜，可以用打湿的手绢代替口罩使用。保护好排水口、雨水槽、换气系统、机械和车辆，防止火山灰对机械造成损坏，关闭或封闭设备。关注火山活动动态和预警发布状态，及时准备物资和防护用品。^[35][36]

火山灰的附着可以对建筑物、设备设施造成巨大的磨损和毁坏，及时清理清理城市地区的灰烬对于最大程度地减少损坏和破坏至关重要。清除、运输和处置火山灰是一项肮脏、耗时且成本高昂的工作，火山灰有磨损性、轻质性、吸附性、易凝固等诸多特点，需要及时清理掉火山灰烬，防止灰烬再流动或灰烬胶结造成重复清洁或多次清理。火山灰清理应制定好稳定沉积物的策略，准备好相应的材料，尽量做到火山灰烬与含水层和低渗透层隔离，要尽可能的及时处理防止灰沉积物凝固，在清理火山灰时应注意以下几点。

清理火山灰时应尽量盖住开放式排水沟，防止火山灰进入排水系统。不要将灰烬倒入下水道。它会造成堵塞并且很难清除。尽可能使用干燥方法清除灰烬，但如果灰烬干燥程度很好，可以用少量水润湿它可以帮助防止它升到空气中。但是不宜用过多的水覆盖，水份过多可能会导致灰烬凝结，更难去除。不要在常规垃圾收集中处理灰烬，灰烬会使垃圾袋和垃圾箱变得太重而无法收集。在清除火山灰之前尽量不要开车，开车会激起灰烬造成二次污染，并且会造成火山灰压实变得难以清理。在清理火山灰时，应戴上防护口罩。火山灰含有一定的硬性，在清理室内火山灰时应尽量使用水和清洁剂，利用湿抹布或吸尘器来避免过度摩擦，划伤表面。不要使用风扇或电动干衣机，因为它们可能会使灰烬重新流动。在清理精密设备时应选择吹扫或吸尘，用精细毛刷清洗。^[37][38]