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火山怎麼研究?

近年全球有不少火山都不太安靜,在2013年時,包括墨西哥的波波卡佩特火山、菲律賓的馬永火山,以及2012的年底的智利阿根廷、紐西蘭都分別有火山活動。現今的火山監測與預警的技術逐漸成熟,雖然我們無法改變火山造成的天災,不過預警的技術卻可以保障人們的生命安全。目前,全世界大多有火山威脅的國家,皆有專責監測與發布預警的訊息,並列出有不同層級的安全警示狀態,以期火山的影響能降到最低,這些預警發布的準備,就必須仰賴先進的監測儀器,與第一線的研究與調查人員。

在台灣,也有一群火山的研究先鋒,貼近本島唯一的大屯火山,監控其一舉一動,這個團隊就是位於陽明山的菁山自然中心的大屯火山觀測站(Taiwan Volcano Observatory, TVO)。過去,大屯火山一直被當作是休火山或死火山,但最新的火山灰研究指出,大屯火山群最近的一次噴發時間約為五千年前,而大屯火山緊鄰台北盆地,因此復活的可能性十分值得研究與關注,以下我們透過觀測站的科學儀器與相關研究,來了解專家如何監測火山活動。

大屯火山觀測站中的即時監測儀器傳回的影像,從左而右分別是大地震量監測、微震監測、地球化學監測,以及即時影像與地磁變化(右邊被裁切處)。(圖片來源:潘昌志)

大屯火山觀測站中的即時監測儀器傳回的影像,從左而右分別是大地震量監測、微震監測、地球化學監測,以及即時影像與地磁變化(右邊被裁切處)。(圖片來源:潘昌志)

地震活動的監測

岩漿從地底下的岩漿庫向上湧升時,會擠壓到附近的圍岩,圍岩受到壓力的極限時便會破裂,而伴隨著發生許多微小的地震,由於這樣的微震多半為非斷層性的地震,因而在地震波形上也不太相同,而噴氣與溫泉作用也有可能會伴生出地震波。一般斷層或構造性的地震會產生P波與S波,而振動的頻率涵蓋甚廣,但火山特有的地震訊號則呈現單一頻率,一般認為是因為岩縫中的液體或氣體的振動引起。科學家深入研究後,發現特定的頻率與不同的火山活動型態的相關性,甚至可以反映地震波是來自多深的岩漿庫。學者也藉由微震的研究,提出了大屯火山底下岩漿庫仍然存在的看法。

地殼變形監測

岩漿上湧時,或是岩漿造成地下的熱水系統壓力增加時,除了會有可能發生地震,地殼也會發生微微的隆起,因此地表的變形現象也是火山學者所在意的線索之一,監測地殼變形的方式有很多種,和一般監測板塊與斷層一般,GPS和水準測量是研究的利器,GPS最大的優勢是在於可以全天候全自動的定位、同時可以知道地殼向何處運動,但垂直的精度不足,水準測量則可補足地表的垂直向變化,惟水準測量需要人力來進行觀測,時效性較差,因此需要利用多樣性的觀測儀器來提高資料量,「傾斜儀」亦是用來監測地表變形的重要儀器。目前在義大利的坎皮佛萊格瑞(Campi Flegrei)火山,其附近的隆起已經超乎儀器偵測的範圍(1969年至今上升超過3公尺),已經是顯而易見了,而科學家也相當好奇這個現象,當地的政府與研究機構也開始嚴密的監控中。

地球化學監測

最主要的化學監測方式是監測火山的氣體,但氣體的測站設置的數量少於地震或地殼變形的測站,因為地震儀或GPS的測站較容易設置,而氣體監測必須要接近噴氣孔的附近,或著是有溫泉水的地方,而監測的內容包括了一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氯化氫等等,岩漿的任何活動,都會有許多二氧化碳釋放出來,因此對於火山預報最重要的監測氣體就是二氧化碳。而另一項重要的監測項目,則是氦(He)同位素的變化, 3He來自於地球深部,而4He來自地殼中放射性的元素,大氣、地殼、地函物質中的氦同位素 3He/4He 比值差異極大,因此國內外學者都利用這種方式來分析氦氣的來源、了解是否是來自於地函的岩漿。

而氣體監測的原理,主要是透過氣罩定時抽取或收集自地下的火山氣體,由累積的濃度增量的連續監測,來知道火山的活動情況。

地溫量測與其它研究

在噴氣孔附近,亦會監測噴氣的溫度變化,火山地區的地溫監測亦是觀測火山的「基本套餐」之一,不過使用的溫度計可和我們常見的溫度計相差甚遠,因為必須要耐高溫、抗腐蝕,像是電線就必須要用鐵弗龍電線,而溫度計本身則以鈦合金製造,而解析度可達0.0001℃。

另外,國內外也有不少學者運用許多遙測的方式來研究火山,像是合成孔徑干涉雷達(InSAR),可以知道火山區域的大尺度變形,而透過空載光達(LiDAR)得到的高精度影像,可幫助地理學家辨認出火山的地形特徵,確認火山口的位置與數量。

隨著科學研究的進展,我們越來越了解大屯火山,但仍有學者持不同的看法,認為火山處於休眠狀態,毋須恐慌。雖然我們還很難斷言大屯火山的現況為何,但由於這是台灣本島唯一的活火山,因而不能輕忽,嚴密的監測與防災的規畫,有助於我們因應這類未知的天災。

(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

 

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關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。