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。
- 採訪撰文│陳儀珈
- 美術設計│林洵安
解析大屯火山群的岩漿庫
天哪！原來我家旁邊住了一座活火山？位於臺灣北部的大屯火山群，近年已被地球科學家推斷為活火山，繁華的天母、北投與士林就在它的山腳，距離臺北 101 大樓甚至只有 15 公里。為了評估災害風險，發現活火山還不夠，我們還必須深入了解岩漿庫。「研之有物」專訪中央研究院地球科學研究所黃信樺副研究員，看他如何將地震波當作 X 光，解析大屯火山群的岩漿庫構造。
用震波，幫大屯山拍一張「X 光」照片吧！
自中央研究院於 2016 年證實大屯火山群為活火山以來，科學家不斷試圖了解更多大屯山岩漿庫的資訊，以評估大屯火山群對大臺北地區的災害風險。
今年，中研院地球所黃信樺副研究員利用震波資料，進一步找出宛若圓柱牛奶罐、位於地下 8 公里的岩漿庫，其直徑約 8 公里、高度約 12 公里，論文已於 2021 年 3 月初發表於《科學報告》（Scientific Reports）。
這個藏在地底下 8 公里的岩漿牛奶罐，是怎麼被黃信樺找出來的？
蛋糕只要一刀切開，就可以把內餡看得一清二楚；然而礙於技術和成本，面對腳下的土地，我們不能像切蛋糕一樣，一下就看清楚地底結構。那科學家是怎麼分析火山的「內餡」呢？
聰明的地球科學家，搬出了「地震波」這個媲美 X 光的好工具！
地球每天都會發生成千上萬的地震，當地震波傳過重重地層、抵達地表測站後，就像是替地底做了一次完整掃瞄，而地球科學家只要蒐集這些地震波，就可以破譯出藏在震波中的地質訊息。
對地球科學家來說，每一個地震，就像一個個 X 光的發射器，而發射出的地震波就是 X 光，因此，用地震波去理解地底構造，就像是用 X 光去拍地底的 X 光照片。
這個技術，就是大名鼎鼎的震波層析成像（Seismic Tomography）。
當地震波經過不同地質條件的地層時，會改變地震波傳遞的速度和性質，例如 P 波經過液體時，速度會下降，而 S 波因為穿不過液體，會直接不見。因此，當地球科學家只要收集到來自四面八方的地震波後，就可以推估出地底構造的幾何形貌。
從黃石公園的超級火山，到「死而復生」的大屯火山群
為什麼一直到了 2021 年，地球科學家才順利解析大屯火山群的岩漿庫？這是因為有了震波層析成像技術還不夠，還要有工具和震波資料才行。
2014 年時，黃信樺正在美國猶他大學進行研究，機緣巧合之下，他參與了黃石公園的計劃，使用震波層析成像技術，在原本已知的大型岩漿庫底下，找到了一個更深、更巨大的岩漿庫。如此意想之外的研究發現，也讓黃信樺的論文成功登上《科學》期刊（Science）。
反觀臺灣，因為不像美國一樣擁有密集、均勻的地震測站，不足以讓學者對大屯火山群做完整的「X 光掃描」，因此在 2014 年時，臺灣學者對於大屯火山的岩漿庫仍然是一知半解。
直到 2016 年，中央研究院林正洪研究員成功找到了大屯火山的岩漿庫，並證實為活火山後，臺灣才開始大力推動進一步的研究計畫，在北部地區逐步設置超高密度的寬頻觀測網——臺灣陣列（Formosa Array ），探索這位危險鄰居的秘密。
臺灣陣列的地震測站有多密？從 2018 年開始，每間隔 5 公里，研究人員就會設立一個地震測站，站點橫跨山區，目前在臺灣北部設立了相當均勻的測站分布。
無論是遠方的地震，還是臺灣的地震，我全都要！
有了技術，又有了密集的測站，摩拳擦掌的地球科學家，終於可以來一窺岩漿庫的秘密了。
黃信樺學成歸國後，受到了計畫主持人林正洪的邀請，帶著黃石公園的研究經驗，正式加入了大屯山岩漿庫的研究中，他藉由臺灣陣列取得了遠震震波資料（teleseismic data），並利用氣象局與中研院原有的地震觀測網獲取近震震波資料（local earthquake data），最終為臺灣地球科學界描繪出了大屯火山群岩漿庫的模樣：一個牛奶罐。
為什麼要特別同時使用來自遠方的「遠震」和附近的「近震」資料呢？事實上，這跟解析度也脫不了關係！
從圖中我們可以發現，地震波在地球內部傳遞的路徑是弧線，其中近震的地震波只會經過比較淺層的地底構造（灰色），反之，若使用遠震震波，就會帶來地球深部的訊息（淺橘色），並再次加強淺部的資訊（深橘色）。
因此，如果地球科學家有辦法同時使用遠震、近震的資料來推算的話，就可以讓整體圖像的解析範圍延展到更深處，解析度也更上一層樓！
看圖說故事的功力，取決於你對這塊土地的了解
費盡千辛萬苦，有了技術、有了工具和震波資料後，地球科學家終於得到了地底「掃瞄圖」，但這一場大屯山岩漿庫探索之旅，仍然還沒有停歇！
比如說，當我們拿到一張涵蓋整張嘴巴的全口 X 光照片，一般人只看得懂黑色是軟組織、白色是硬組織，並猜測出骨頭和牙齒的位置。然而，對一位經過 6 年訓練、擁有專業醫學知識的牙醫師而言，卻可以一眼看出你的蛀牙、發炎、阻生齒、牙周病等等資訊。
震波層析成像也是如此！以上面這張論文中的圖片為例，P 波速度較低的紅色，代表該區的地質構造比較「軟」，反之波速高的藍色則為較「硬」的區域。
但，這到底代表什麼意思？啊岩漿庫又在哪裡？此時，地球科學家者對這塊土地的了解和專業知識，就派上用場了！
以 2 公里深為例（上圖 a），可以看到大面積的紅色、藍色對比，其中藍色代表中央山脈，也就是很硬的變質岩；而紅色是西部麓山帶，屬於較軟的沉積岩，並包含林口臺地（很厚的紅土層）、臺北盆地（沉積物）等明顯的地質構造特徵；東方小塊的紅色，則代表宜蘭平原的沉積物。
承上，圖 a 大屯火山群的位置為白色，沒有明顯特徵；然而到了 8 公里深（圖 b）和 16 公里深（圖 c）時，黃信樺卻發現，大屯火山群底下從白色變成紅橘色。
火山下方突然出現一塊軟軟的紅橘色，P 波的速度甚至降低到 19% 這麼多，這意味著什麼？主要有兩種可能：含水，或是有岩漿。然而，地底 8 公里深的壓力過大，地下水較難以滲透，「含水」這個理由並不可行，因此，黃信樺結合了地球化學、地質學的研究和數據後，認為目前最合理的解釋是：它就是大屯火山群的岩漿庫！
這個岩漿牛奶罐，究竟從何而來？
找到岩漿庫的位置後，黃信樺開始思索，這一個體積約 600 萬立方公里的岩漿庫從哪裡來？透過震波反演出的圖像中，我們也可以窺得一絲的線索。
關於「岩漿」的由來，我們第一個想到的，或許就是因為板塊隱沒、部分熔融產生的岩漿。
而在上圖（b）中，我們可以從紫色的小圓圈的分布看出菲律賓板塊隱沒產生的地震帶，以及隱沒後出現的部分熔融區（紅橘色的 L2）。
然而黃信樺卻發現，在大屯火山岩漿庫（紅橘色的 L1）、板塊隱沒產生的部分熔融（紅橘色的 L2）之間，有著一大段很遠的距離，也沒有出現相連的通道，因此，黃信樺猜測，大屯火山岩漿庫應該與板塊隱沒帶沒有直接的關係。
不是板塊隱沒，那會是什麼呢？另外一種可能，就是後碰撞時期的弧後張裂。
目前臺灣東北部的地震，大多都是來自琉球島弧後方沖繩海槽（Okinawa Trough）的張裂環境，根據論文的反演結果，黃信樺也認為，大屯火山群、基隆火山群等北部火山，比較有可能是由此機制而生。
但請大家注意，以上對於大屯火山岩漿庫的成因的討論，僅僅還在「推論」的程度，我們尚且無法證實大屯火山就是由此而來，未來仍然需要更多相關研究的佐證。
「所以，它就像一個裝滿岩漿的牛奶罐嗎？」
大錯特錯啊！雖然前文都將這個岩漿庫形容像牛奶罐一樣，然而，如果你覺得它是一個裝了滿滿液體岩漿的牛奶罐，那可就不對了。
黃信樺笑著說，「如果它真的是一個空空的牛奶罐，我馬上就會搬家！不騙你啦！」。
事實上，岩漿庫更像是一個海綿，一個有孔隙、吸附著岩漿的海綿
海綿的孔隙率有多少、岩漿的性質是什麼、地震波會降多少速，都可以透過地震和地質資料算出來，例如論文中的「P 波波速下降 19%」，就是從已知的安山岩數據相互推論而來。
此外，雖然論文結果看起來是一個牛奶罐的形狀，但事實上圓柱狀的岩漿庫並不常見，反之，大部分的岩漿庫都和黃石公園一樣，是屬於扁平狀的，因此黃信樺認為背後可能仍然有解析度的問題。
這次黃信樺是用最容易取得、最精準的 P 波來反演，未來他可能就會用 S 波、雷利波、洛夫波等震波資料來彼此檢驗，找出更精確的岩漿庫訊息。
從「岩漿庫變淺 22 公里」，一窺大屯火山的研究展望
在 2016 年林正洪「起死回生」的大屯火山研究中，乃是透過兩個近震資料，保守的推算出岩漿庫的位置落在 30 公里深左右，這一次，黃信樺透過解析度更高的反演結果，推斷出岩漿庫的深度其實只有 8 公里。
五年內，岩漿庫的深度從 30 公里變成 8 公里，雖然變淺了很多，但黃信樺表示，一般火山岩漿庫的深度大都落在 5~15 公里之間，大屯火山的 8~20 公里其實已經相對比較深了。那些很活躍的、頻繁噴氣的火山岩漿庫，深度甚至只有 3~5 公里，例如黃石公園就在 4~12 公里的位置。因此，我們並不需要因為這 22 公里的差距而感到焦慮或慌張。
話雖如此，我們仍須正視大屯火山這個距離臺北 101 不到 20 公里的活火山，畢竟大臺北地區的居民數量超過 700 萬，旁邊甚至還有兩座核電廠，面對這一位風險不明的火山鄰居，我們絕對不能視而不見。
今年（2021 年）八月初，有一篇發表在《自然通訊》（Nature Communications）的評論指出，過去以來，人們都只關注那些大規模的火山噴發，卻忽視了即使是小規模的火山噴發，也有嚴重危害全球經濟的風險，並把臺灣大屯火山列入全世界 7 個最關鍵的要點之中。
評論的作者表示，臺灣是台積電（TSMC）的所在地，而台積電負責供應全球高達 90% 最先進的晶片和節點，也是全世界技術與汽車行業的主要供應商，一旦大屯火山爆發，嚴重的火山灰和沉積物將會破壞全球的科技業與金融市場，帶來驚人且可怕的連鎖反應。
面對大屯火山的眾多未解之謎與潛在風險，黃信樺認為，震波層析成像只能給我們空間的資訊，既然我們已經確認大屯火山底下擁有岩漿庫了，接下來，科學家必須更進一步認識這位熟悉又陌生的朋友，像是岩漿庫的特性、火山的定年、噴發週期、模擬噴發形式，甚至是防災的疏散方案與宣導，都是我們需要努力的未來。
延伸閱讀：
- 古國廷（2019）。〈大屯火山群不可怕，可怕來自不懂它 — 專訪林正洪〉，《研之有物》。
- Huang, H. H., Lin, F. C., Schmandt, B., Farrell, J., Smith, R. B., & Tsai, V. C. (2015). The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust. Science, 348(6236), 773-776.
- Huang, H. H., Wu, E. S., Lin, C. H., Ko, J. T., Shih, M. H., & Koulakov, I. (2021). Unveiling Tatun volcanic plumbing structure induced by post-collisional extension of Taiwan mountain belt. Scientific reports, 11(1), 1-10.
- Lin, C. H. (2016). Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays. Scientific reports, 6(1), 1-9.
- Mani, L., Tzachor, A., & Cole, P. (2021). Global catastrophic risk from lower magnitude volcanic eruptions. Nature Communications, 12(1), 1-5.
