地球科學

大屯火山即將甦醒?

一直被視為休火山或死火山的大屯山,仍然有明顯的地熱活動。最新證據更顯示,上一次噴發就在6000年前,大屯山可能是一座「休眠活火山」!

撰文/林正洪

地球科學

大屯火山即將甦醒?

一直被視為休火山或死火山的大屯山,仍然有明顯的地熱活動。最新證據更顯示,上一次噴發就在6000年前,大屯山可能是一座「休眠活火山」!

撰文/林正洪


從古至今,火山噴發帶來了許多可怕的災難。歷史上最慘烈的火山災難,是大約2000年前義大利維蘇威火山噴發,火山熱熔岩以及火山灰將當時繁華的龐貝城完全掩埋。希臘一個海島的火山噴發,也曾觸發一次大海嘯,導致3400年前的米諾斯古文明突然消失。


1982年墨西哥及1991年菲律賓的兩次火山噴發,大量火山灰進入大氣圈,形成的高空雲層阻擋了到達地面的陽光總量,導致全球平均氣溫下降,10餘萬人受這些火山災害所影響。2010年4月冰島火山噴發,大量火山灰散佈到歐洲上空,迫使許多機場關閉、航空班次大亂。短短幾天內歐洲國家的航空公司取消近上萬航次航班,停飛的規模已經超過美國911恐怖攻擊,這也是自第二次世界大戰以來最大規模的航空業停飛,估計經濟損失高達數十億歐元。


地球上一直有非常多蠢蠢欲動的活火山,隨時對人類文明造成不同程度的威脅。小規模的火山噴發,也許僅對附近村莊或城市造成破壞;大規模的火山活動所產生的大量火山灰會遮蔽陽光,讓地球上的生物無法獲取所需的太陽能,影響全球生態,甚至造成全面性的生物滅絕。據估計,美國黃石公園的超級火山若再度噴發,就會是一場全球大災難。為了降低未來可能的火山災害,如何利用現代化科技,對這些具有威脅性的活火山進行監測與研究,是一項重要的防災工作。


大屯山是活火山?


台灣島上唯一具有火山地質特徵的大屯火山群,位於台灣島最北端,南與台北盆地相鄰。大屯火山群的地表溫泉及硫磺噴氣等地熱活動非常明顯,因此經常有人擔心,若大屯火山再度活動,火山噴發的災害不僅威脅大屯山地區,也很有可能影響更廣泛的區域。大屯火山群的最高峰七星山,距離台北市中心僅10餘公里遠,大屯火山的活動不僅是一個值得研究的科學問題,事實上,更攸關大台北民眾的生命財產安全。


雖然大屯火山群的火山地質特徵極為明顯,但過去一直認為它不會再度活動,主要是依據早期的火成岩定年分析研究,推估最後一次火山噴發可能發生於10~20萬年前,大屯火山因而被歸類為休火山或死火山,也就是不會再有火山噴發。然而最近10餘年來的多項研究分析結果,卻對上述推估提出強烈質疑。


首先是台灣大學地質系的楊燦堯等人,針對大屯火山地區溫泉水及噴氣孔中火山氣體的化學成份進行調查,發現氦同位素的比值非常相似其他的現生活火山。一般而言,氦同位素的比值在大氣中約為1,地殼中僅有0.1,但是地函卻可高達30左右。大屯山地區氦同位素比值大多介於4~7之間,代表大屯山地區的下方應該有地函物質持續補充,也就是有上湧的岩漿或相關物質,才可能偵測到氦同位素如此高的比值,因此大屯山底下可能有岩漿庫存在。


其次,筆者的研究團隊從大屯山地區的地震監測清楚發現,七星山及大油坑附近地區的淺部地殼,有非常群集的微震活動。這些微震深度不到五公里,並且有些微震具有「群震」的特性,也就是短時間內局部地區發生多次規模相似的微震,卻無明顯較大規模的主震。這類「群震」是火山或地熱地區特有的地震活動,與一般活動斷層帶的微震活動極為不同。


此外,仔細分析大屯山地區的地震記錄,也偶爾會發現一些火山特有的地震形式,例如單頻水滴狀火山地震、多頻螺絲釘狀火山地震,以及超長週期的火山地震。一般推論這些火山地震發生的原因,主要可能與火山岩漿庫的岩漿通道(或地熱區內)中液態或氣態物質壓力的增減有關。若用比較容易理解的方式來說明,單頻火山地震的發生,可能是某一岩縫中氣態物質流動時激發了岩縫振動,就如同撥動吉他中某一條弦所產生的振動。多頻火山地震的來源,則可能是氣體於兩個或以上的岩縫中快速流動時所造成的振動,就如同同時撥動吉他中的幾條弦(和弦)。至於超長週期的火山地震,也許反應了岩漿庫(或是溫泉水)的整體自由振盪。


最近幾年內,日本研究學者村瀨雅之與筆者更針對大屯山地區進行全面性高精確度的水準量測,發現部份地區(如擎天崗)有明顯的抬升現象,平均每年約0.5公分。大屯火山地區淺部地殼顯然仍有很大的壓力存在,方可造成如此幅度的局部地殼抬升。


為進一步了解大屯火山最後一次的火山噴發時間,科學家最近10年來進行了多項有關火山灰的調查研究,發現大屯火山最後一次噴發並不在10萬或20萬年前。台大地質系陳正宏等人在靠近大屯山地區台北盆地的鑽井岩心中,發現大約1萬8000年前的火山噴發物質;2011年一項大屯山地區火山灰定年研究,筆者的同事陳中華等人更發現大屯山的最後一次噴發,可能在5000~6000年前。如此一來,大屯火山將符合國際火山學會一般認定的活火山定義,即最近一萬年內曾經有火山活動,可歸類為「活火山」。


依據上述多項調查及研究發現,台灣地球科學界經過多次討論,最後認為大屯火山群可能屬於「休眠活火山」,也就是未來再度噴發的可能性暫時不可完全排除。因此,更積極的研究與監測,是必須進行的工作。


監測防災,刻不容緩


大屯火山未來若再度活動,周遭地區將受到不同程度的威脅。首先,火山噴發的高溫快速熱熔岩及碎屑流,可能直接對流經地區造成毀滅性的破壞。可想而知,大屯火山南側的台北盆地必然首當其衝;倘若火山熔岩進而流向關渡隘口,則有可能堵住淡水河出口,無法排放的河水可能迫使台北再度成為湖泊,就像過去的「康熙台北湖」。此外,火山灰可能依噴發時的氣候條件,飄向台灣全島及鄰近國家,中央大學大氣科學系的王國英已利用電腦模擬出大屯山火山灰可能影響的廣大範圍(見上圖)。火山地區降落的大量火山灰,也可能因下雨造成火山泥流災害,就如同台灣常見的土石流災害。這些不同形式的火山災害,均可能直接或間接造成周邊地區不同程度的傷害。


雖然火山噴發曾在歷史上造成許多災害,但以現今的科技,若能嚴密監測火山活動,便可即時而正確評估火山噴發的可能性。因為大多數火山在噴發前,必定會伴隨許多不尋常的現象,例如火山地震突然頻繁起來、火山氣體與溫泉水成份改變、地表明顯變形,以及地溫增加等前兆。所以一般而言,若對可能再次活動的火山進行仔細監測,火山噴發通常是可預測的,包括可能噴發的位置、噴發的時間,甚至噴發的大小等。如此可提前對居民提供預警,以減少火山噴發所帶來的災害。


根據日本、美國、義大利、紐西蘭和菲律賓等國家監測火山活動的經驗,想要掌握火山活動的特性,可同時採用多種科學方法來完成,特別是火山地震監測、地球化學分析、地殼變形與地溫量測等,均是廣泛應用來監測活火山的主要方法。


為了增進我國的火山觀測能力,並了解大屯火山活動的現況,行政院於2010年底由國科會與內政部在陽明山國家公園內的菁山自然中心,共同成立「大屯火山觀測站」(Taiwan Volcano Observatory-Tatun,TVO),並整合經濟部中央地質調查所、交通部中央氣象局、中央研究院、台灣大學及中央大學等現有分析研究成果,同時加強即時監測的功能。這個觀測站的監測方法包括火山地震監測網、火山氣體與溫泉水的化學成份分析調查、地殼變形的量測、地溫監測,以及噴氣即時影像監測等;未來還規劃加入傾斜儀、重力、地磁、衛星影像等不同方法,以達到更完整的監測。幾項即時監測方法的基本概念如下。


火山地震監測:火山噴發的時間與規模,受到地底下岩漿庫大小及其填充岩漿壓力所影響。大多數的岩漿庫均位於距地表數公里的淺部地殼中,當岩漿庫壓力過大,岩漿逐漸往上湧升時,會伴隨許多微小的地震活動。透過地震網的觀測即可清楚辨識火山活動的情形,甚至預估可能噴發的時間及地點。因此大屯火山觀測站於大屯火山地區內設置了一個高密度的小型地震監測網,目前有17個地震站,對大屯火山的地震活動進行即時監測。未來若大屯火山地區有任何火山活動,科學家可透過這個即時的地震監測網,對可能的火山威脅發出預警。


地球化學成份變化監測:火山氣體及溫泉水的化學成份分析調查,也是大屯火山觀測站重要監測工作之一。基本概念是只要火山底下有岩漿活動,大量的火山氣體就會釋放到地表。火山氣體的成份以二氧化碳含量較高,同時也是岩漿上升過程中,首先脫離的氣體之一,因此二氧化碳可以當做探討岩漿活動的有利工具。利用偵測土壤氣體中二氧化碳的釋放來監測火山活動,是相當重要的火山預報機制之一,並且可以讓科學家在安全距離外監測火山活動。因此大屯火山觀測站於小油坑地熱區,設置了國內第一座即時火山氣體(二氧化碳)連續觀測站。


地殼變形監測:當岩漿往上湧升或是熱水系統壓力增加時,地殼常會膨脹隆起、地表產生明顯變形。這些變化可以分別利用水準測量、GPS及傾斜儀等精密的大地測量技術來量測。目前在大屯山地區已設置六個GPS站,進行長期且即時的地殼變形監測。此外,為提高大屯山地區全面性地殼變形的監測功能,每年也沿著大屯山地區主要道路,進行重複性高精確度的水準測量。目前正積極規劃加入傾斜儀、衛星影像等更精密的大地測量技術,以進一步獲得地表在時空上的細微變動。


火山附近地區的人類文明與演化,與火山活動其實有一種特別的關係:火山噴發的岩漿會對人類造成重大災害,但火山噴發的火山灰也會變成肥沃的土壤,供人類種植農作物。過去人類對火山並不了解,也無法預測火山爆發,火山災害曾經帶來很大的衝擊;但現今科技已經可以成功提供預警功能,我們可以透過一些正確的方法,來與火山和平共存。


大屯火山未來再度活動的可能性無法完全排除,然而只要做好各項即時監測,並連結預警與通報系統,即可避免火山噴發所造成的人命與財產損失。陽明山國家公園的大屯火山觀測站,未來也會將大屯火山長期研究的多面向成果呈現給社會大眾,以達成休憩、科學與教育等多重功能。敬畏火山、親近火山、欣賞火山,是身在火山邊緣的我們應該有的態度。


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