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火山爆發的場景有可能在台北出現嗎?來看看科學家如何觀測大屯火山群的「生命跡象」

研之有物│中央研究院_96
・2019/06/30 ・4782字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|古國廷、美術編輯|林洵安

大屯火山群是活火山?噴發會有大災難?

2019 年 5 月 27 日,在大屯火山群觀測研究成果記者會上,中研院地科所研究員林正洪與研究團隊經過長期監測,認定大屯火山群及龜山島為活火山。消息一出,因大屯火山群緊鄰大台北地區,噴發是否會影響民眾安全引發熱議。但科學上如何證明大屯火山群是活火山?火山噴發會造成哪些災害?應該如何監測和預防?本文專訪林正洪研究員,一一來破解。

先來瞧瞧大屯火山群的範圍有多大!大屯火山群包含 20 多個火山體,如大屯山、七星山、紗帽山、竹子山和大尖山等。這些火山體緊鄰台北地區,其中天母、北投、士林皆位於山腳,即使台北市中心的 101 大樓距七星山也不過 15 公里。

大屯火山群七星山上的小油坑。
圖片來源│林正洪

早期學者認為大屯火山群最近一次噴發已超過 10 萬年,而且不再活動,應是休火山或死火山。

「但近年研究顯示:大屯火山群噴發紀錄應為 6 千年前,而且地底有岩漿庫,這些都可以證實大屯火山群是活火山!」林正洪表示。

如何判斷火山「是死是活」?

死火山,顧名思義它不再活動,即使曾經活動,也是發生在一、兩百萬年以前,甚至更久。

而活火山,如夏威夷的火山、日本阿蘇火山和櫻島火山,幾乎隨時在噴煙,甚至偶爾還有岩漿跑上來,就是現生的活火山。

但科學不能只用描述,所以還有兩個方式來判定:其一是「憑經驗」,研究火山 1 萬年內是否曾經噴發,其二是「看現象」,看看底下是否有岩漿庫。

所謂憑經驗,就像發生竊案,警察會先找這兩、三年犯過竊盜罪的人,而不是 30 年之前有前科的人。以火山來說,噴發的歷史紀錄就是火山的「前科」,可以作為評定標準;至於為什麼是 1 萬年,是沒辦法中的辦法,因為非得訂個標準。而在地質學研究中最年經之地層為全新世 (Holocene),是大約一萬年前開始沉積之地層。

再以現象來看,如果找到岩漿庫,也就是火山的「彈藥庫」,那麼不管過去有沒有噴發,就要把它歸為活火山。

科學界多用以上兩個標準,如果都符合,就更沒有質疑的空間。

過去認為大屯火山群是死火山,近年研究卻說它是活火山,這是怎麼回事呢?

判斷大屯火山群在 10 萬年前噴發,大概是 1980 年代的研究,那時多用鉀氬做岩石定年。這種定年方式,用來測量百萬年或億萬年尺度的現象,10 萬年是它的「最小刻度」。

換句話說,使用這種方法來做大屯火山群的定年,就像拿一把刻度很粗的尺測量,發現最小刻度內有東西,但已到極限無法再細看,只能說是 10 萬年。

直到 2011 年,中研院地科所同事陳中華和俄羅斯學者,將大屯火山群的火山灰拿去做碳十四定年。這種方式的「刻度」比較細,可以到千年、萬年。結果發現:大屯火山群最近一次噴發應該在大約 5 千到 6 千年前,符合 1 萬年內有噴發紀錄的活火山標準。

除了噴發紀錄,還有證據說明大屯火山群是活火山嗎?

火山地震波也能說明大屯火山群在活動。

大屯火山群的地震波,跟宜蘭、花蓮、嘉義的地震波很不一樣。宜蘭、花蓮地震是斷層錯動,就是岩層被扯斷造成的地震振動。這種振動就好像一把吉他的弦同時扯斷,高頻、低頻、中頻各種頻率都有。

但在大屯火山偵測到的火山地震,是單一頻率的水滴狀地震波,以及多個頻率共鳴的螺絲釘狀地震波。而不論是單頻或多頻火山地震,統統都是活火山才有的現象。

為什麼?因為活火山有熱量,可以產生高壓氣體或液體,當它們從地底沿著岩縫往上竄,因為岩壁長寬固定,就會產生特定頻率的振動,好像火山在「吹直笛」!因為這個原理就像吹直笛時按住特定的孔,形成固定長寬的空氣柱,就會吹出單一頻率的聲音。

反過來說,死火山沒有熱能,不能產生這些高壓氣體和液體。就像煮開水,瓦斯還在底下燒,蒸氣不斷往上冒,鍋蓋就會動、然後呼呼作響;如果把瓦斯關掉,沒有了熱源,水會慢慢冷掉,鍋子也就不再發出聲音。

資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

除了火山地震,火山氣體氦同位素比例以及地殼變化,也都間接支持大屯火山群是有能量的火山,不是死火山,但最直接證據還是確認它底下真的有岩漿庫。

如何確認大屯火山群底下有岩漿庫?您是像電影一樣開潛艦鑽入地底嗎?

哈哈,現在的科學技術不可能帶人鑽進熾熱的地底,親眼證實岩漿庫的存在。我是用自己發明的「陰影法」,標定大屯火山群岩漿庫的位置和面積。

原理如下:在透明的盒子裡吊起一顆金球,假設盒子上方是北台灣地表,盒子裡的金球是岩漿庫。然後關上燈一片漆黑,看不見盒子裡的情況 (就像在地底一樣),盒子上方的人要怎麼知道金球的位置和大小呢?

攝影│林洵安

這時可以在盒子底下放手機,讓手機的光向上照,光被盒內金球擋住,盒子上方就會出現金球的陰影。如此一來,不但知道盒子裡有金球,還能從陰影推知金球的位置和面積。

當然,地底下不會有光源,但有和光波很像的地震波,可以形成另類的地震波「陰影」。

地震波怎麼取代光波呢?地底下一、兩百公里發生地震,就會發出地震波傳到地面。不過地震波中的 S 波,無法在液態物質中傳遞,所以當 S 波遇到液態的岩漿庫會被擋下來。

如下圖左邊的示意圖,地表的六個測站,發生地震時,黃色的地震觀測站因為位於岩漿庫正上方,接收不到 S 波,岩漿庫範圍以外的綠色測站才收得到 S 波。

於是,我就可以從哪些測站收到 S 波、哪些收不到,收不到的「陰影範圍」有多大,來估算岩漿庫的位置與面積了。

地震波的 S 波無法在液態物質中傳遞,P 波則是在液態跑比較慢。當它們穿過岩漿庫會造成 S 波陰影和 P 波緩達的現象,可用來推知岩漿庫的面積與大小。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

不過 S 波陰影只能算面積,無法估計厚度,因為無論岩漿庫厚度多少,S 波統統會被擋掉,這時就需要 P 波了。

地震波中的 P 波 在固體中跑得快,液體中跑得慢。所以就如上圖右邊示意圖,同樣地表有六個測站,岩漿庫外的綠色測站會先收到 P 波訊號,岩漿庫正上方的黃色測站會晚一點收到。

而且岩漿庫越厚, P 波受阻礙的距離越長,黃色測站就越晚收到 P 波。因此從 P 波的延遲時間反推,就能估算出岩漿厚度。

根據估計,大屯火山群岩漿庫所在位置,大概在金山、萬里附近,面積約四分之一台北市行政區的大小,厚度約 4 至 10 公里。

如果大屯火山群噴發,會有哪些危害?

先來了解活火山噴發會有哪些危害。全世界標準的火山災害中,「熔岩流」算是大家最熟悉的,像電影中常看到岩漿從山上流下來。其實,熔岩流對人的生命威脅很小,因為它是慢慢滾過來,看得到也跑得掉。

但有一種跟它很像的「碎屑流」,才是真正可怕的火山殺手。當岩漿從火山口跑出來,碰到空氣時從液態變成固態,先在原地不斷堆疊增高,直到撐不住才轟然垮下……

在那一瞬間,溫度高達攝氏數百度的石頭和火山灰,以時速一、兩百公里的驚人速度向下俯衝。歷史上所有火山災害中,由碎屑流造成的死傷相當可觀,因為看到了大概也跑不了。

1984年,菲律賓馬榮火山的火山碎屑流。 圖片來源│維基百科

此外,還有「火山泥流」。當火山灰噴出後先堆積在山上,就像鋪上一層厚厚的灰。遇上降雨或颱風,灰變成泥巴,像土石流一樣沖刷下來。

當泥流沖進河谷,會把谷地填滿,之後降雨沒有河道可去,就會滿溢出來。這種災情菲律賓很多,每次颱風一來,村莊就會淹大水,持續二、三十年。

回到大屯火山群噴發可能造成的災害,主要看它噴發的量有多少。如果是小規模的火山灰和熔岩流,會影響山區周遭居民。

但我們強烈懷疑火山群裡的七星山可能會活動,屆時熔岩流、碎屑流、火山泥流會沿著磺溪,沖到北投、天母一帶,對當地造成衝擊。

若熔岩流和碎屑流等流到關渡大橋一帶,那裡的河口比較窄,如果堵住淡水河、基隆河道,河水流不出去,也可能造成災害。

這次研究提到龜山島也是活火山,規模如何?可能造成什麼災害?

根據火山灰定年,龜山島距今 7 千年內就噴發了 4 次,而且目前估算龜山島底下的岩漿庫,是大屯火山岩漿庫的 1.5 倍大,這些都符合活火山標準。

如果龜山島噴發,比較可能的災害是引發海嘯,將衝擊低淺、平坦的宜蘭平原。

若大屯火山群要爆發,多久前可以知道?平時該如何監測?

科學家和政府要預報火山即將爆發,只能根據火山的異狀。但從火山開始不安定,要等多久才會爆發就很難說了。有些火山一發現異常,一個禮拜後就噴發。但峇里島曾有火山撐了兩個月,日本的雲仙火山則撐了五、六年。

不過,民眾可以安心的是,很少火山從出現異狀到噴發短於一個禮拜的。換句話說,只要做好監測,至少有一週時間可以應變。

若要即時預警,就得仰賴平時監測,包括地表溫度、火山氣體、地殼變形和地震活動等方式。因為預測常要知道火山噴發的時間、大小和地點,我覺得透過地震監測相當有用。

目前在大屯火山群佈了 40 個地震站,螢幕上面每一條線就是一個測站。當火山要噴發前,岩漿會往上抬,或使周圍壓力增加,因此產生成千上萬的地震。
攝影│林洵安

我們可以從地震的位置,判斷哪裡的地底開始有岩漿活動,再由多少觀測站偵測到地震波,估計火山噴發的可能規模。

再來,從地震所在深度,估算目前岩漿離地表的距離和移動速度,例如岩漿跑到離地表 9 公里時,會在 9 公里附近產生很多地震;隔了一個禮拜,在 7 公里深處偵測到地震,代表岩漿在過去一周跑了 2 公里。

雖然時間和岩漿跑的距離,不一定是線性關係,但這些數據仍可提供科學家參考、評估火山噴發的可能時間,必要時通知政府撤離附近居民。

但就像是照片的像素越多,影像越清晰;地震測站要夠多,偵測解析度才會夠好。所以未來,我們將增加北台灣地震測站的數量,從原本的 40 個測站,擴大到 140 個,並在測站之間,每隔數十公尺布置一台簡易、小型的地動感測器,盡可能提高偵測的解析度。

資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

這些年研究大屯火山有沒有難忘的回憶?

我過去不是火山學者,而是做傳統地震的,天天都在研究地震波。十多年前接觸到火山地震,發現世界上怎麼有我一輩子投入,也不曾見過的地震波。這就好像小孩子每天關在房間玩,一不小心打開門,發現外面的世界完全不一樣。

不過,十幾年前開始研究大屯火山群,除了我和少數學者,沒有人相信它是活火山。但我覺得做科學,最誘人就是你的興趣,如果是喜歡的東西,你會不計成敗榮辱去研究它。

火山地震就這樣一直吸引著我。即使現在手邊有很多事,但每天動不動就盯著地震波看。地震波對我來說,勝過所有一切。也因為在中研院工作,讓我無後顧之憂做自己喜歡的研究,才能「十年磨一劍」得到如今的研究成果。

如果下輩子還可以再回來,我也要回中研院。地球科學還是超吸引我,一輩子還是做不完,如果還有來生,Why not?

「地震波對我來說,勝過所有一切。」林正洪眼睛發亮地說:「地底就像一間黑漆漆的房間,每個地震波像是房內突然一次閃光,讓屋頂上 (地面) 的我們有一次機會窺探房內 (地球內部)的秘密。」
攝影│林洵安

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為大屯火山群不可怕,可怕來自不懂它 — 專訪林正洪,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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