地球科學

超級火山未爆彈

火山爆發內情不單純!針對北美聖海倫斯火山的新研究發現,火山底下的岩漿通道比原本所想的複雜。探究管道分佈及火山活動跡象,有助提升火山爆發預警能力。

撰文/歐爾森(Steve Olson)
翻譯/邱淑慧

地球科學

超級火山未爆彈

火山爆發內情不單純!針對北美聖海倫斯火山的新研究發現,火山底下的岩漿通道比原本所想的複雜。探究管道分佈及火山活動跡象,有助提升火山爆發預警能力。

撰文/歐爾森(Steve Olson)
翻譯/邱淑慧


1980年5月18日清晨,來自美國俄勒岡州波特蘭市的自由攝影師愛德華斯(Arlene Edwards)和19歲的女兒喬琳開車越過哥倫比亞河,抵達華盛頓州西南部一處較高的岩石露頭。她們架好相機,開始觀看美國西部喀斯喀特山脈(Cascade Range)中的聖海倫斯火山(Mount St. Helens)。這座火山兩個月來持續噴發火山灰和蒸氣,周遭山脊上有數十位來此觀看的人,他們都認為自己與火山保持安全距離。那是個美好的週日早晨,空氣溫暖而且晴朗無雲,在沾染著灰燼的冰河下方,是壯觀而駭人的火山。


突然,聖海倫斯火山北側整片山壁開始崩落,滑入旁邊的山谷。前一刻還是山坡的地方爆出憤怒的灰雲,空中滿是碎裂岩石和熱氣。這團雲氣急速膨脹、佈滿東側天空,並且衝向愛德華斯母女。當雲氣撞擊她們所在的觀景點,愛德華斯遭炸飛300公尺,喬琳則因吸入火山灰而窒息死亡,陳屍在母親墜落的地點附近。周遭另有55人傷亡,受害者遠遠超過地質學家所預料。


超過35年後,在距離當初愛德華斯母女站立處不到幾百公尺的地方,華盛頓大學的地震學研究生烏爾柏格(Carl Ulberg)跪在重新長出的森林綠地裡。在他前方有個半埋於土地的大型塑膠冷卻器,佈滿塵土的蓋子就像通往地底的下水道蓋口。他伸手拿出裡面糾結的電器和電線,並取出記憶卡。遠處的聖海倫斯火山在陽光照耀下閃閃發光,最近一波2004~2008年噴發的岩漿,冷卻後填充了部份的火山口。烏爾柏格把記憶卡放進他帶來的塑膠盒,記憶卡儲存了六個月以來火山底下的震動記錄,烏爾柏格接著把新的記憶卡放進儀器。他看向火山說:「我們用這樣的方式探究那裡正在發生的事。」


這個地震站和其他散佈在聖海倫斯火山周遭的69個地震站,三年來記錄了地底下由火山爆發和板塊活動引起的震波,甚至是遠方海浪拍打海岸造成的微弱震動。聖海倫斯火山下岩漿管道成像計畫(Imaging Magma Under St. Helens, iMUSH)部署了這些地震站,目的是追溯岩漿從地球內部移動到地表的路徑;iMUSH是這類研究中最具野心且最為全面的,研究結果呈現出人們從未見過的地底世界。一般認為,火山下方深處有一座岩漿庫,藉由一根像吸管的管道通到地表。但在聖海倫斯火山下方,岩漿流經多座相連岩漿庫,並在其中經歷化學變化,進而促成猛烈爆發。岩漿在地球內部四處移動、繞過障礙物,並利用地球內部既存的斷層持續蓄積。岩漿移動造成的淺層與深層地震,可視為正在補充火山下的岩漿庫,進而引發未來爆發的跡象。


iMUSH的發現除了能保障喀斯喀特山脈火山附近(包括加拿大溫哥華以及美國西雅圖、波特蘭、雷諾和沙加緬度等地區)數百萬居民,還能幫助全球火山周遭的居民。1980年以來,火山爆發造成全球超過2萬5000人喪生,開發準確的災害預警系統刻不容緩。多數陸地火山和聖海倫斯火山一樣,由於板塊碰撞,使地球內部的熱上升到地表。iMUSH計畫目的之一是把研究發現應用到其他火山,包括型態相當不同的火山。美國地質調查所(USGS)的地質學家克萊尼(Michael Clynne)表示:「所有火山都是獨一無二的,但我們需要先全面了解聖海倫斯火山,才能了解別座火山。」


追尋岩漿來龍去脈


人類在地球鑽過最深的洞只有約12公里深,但火山根源比這深得多。如果你有一部鑽井機可以鑽到想要的深度,並且開始在聖海倫斯火山旁鑽探,在最初約70公里鑽頭碰觸到的是典型大陸岩石。接下來會發生令你吃驚的事:鑽頭會撞到含水的海洋岩石,其中還帶有海洋生物化石,那是北太平洋海床的一個小型板塊構造,在北美大陸邊緣隱沒到地球內部。隱沒作用是驅動全球火山活動的主要因素,當海洋板塊隱沒到大陸板塊下方,海洋板塊上覆的地殼(譯註:板塊包含地殼和部份地函)會因受熱產生岩漿並滲透到地表。海洋板塊隱沒到北美大陸不但形成了一長串火山帶,從加拿大卑詩省的蓋瑞巴迪山一路延伸到美國加州北部的拉森峰,也使喀斯喀特山脈上散佈數千座熔岩原和熔岩錐。


但在這約呈南北向的一排火山中,聖海倫斯火山顯現出一些奇特差異:它的位置偏西約48公里;以及震波研究顯示,它正下方的岩石溫度太低不足以產生岩漿。那麼這座火山是從哪裡獲得熔融的能量?聖海倫斯火山雖然位置較偏,卻是幾個世紀以來喀斯喀特山脈上最活躍的火山,19世紀初期幾乎連續噴發數十年,在約1480年時也曾猛烈爆發,規模是1980年爆發的好幾倍。


iMUSH成員表示,他們藉由追溯火山岩漿「從板塊到地表的路徑,試圖尋求對這個奇怪現象的解釋。」計畫主持人之一、華盛頓大學地球物理學家克里格(Ken Creager)說:「我們正利用能取得的所有工具嘗試釐清。沒有一項技術可以讓我們達到目的,但我們希望,全面運用這些工具能說明岩漿移動的來龍去脈。」


2016年12月,幾十位iMUSH的研究人員聚集在美國舊金山,與會者都稱自己是地質學家,但地質學有許多分支,這些研究人員大多對其他人的研究細節所知有限。例如烏爾柏格是蒐集並分析震波訊號的地震學家,但這些學者中還有化學家、硬岩地質學家和地磁專家,他們討論了康乃爾大學地質學家亞伯斯(Geoffrey Abers)提出iMUSH的「觀察並比較」階段:了解彼此的研究結果,以檢視是否吻合。......