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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」

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

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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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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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