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中研院-挑戰卓越

大屯火山群不可怕 可怕來自不懂它

2020/11/02 中央研究院企劃製作
本文節錄自中央研究院「研之有物」科普平臺

地震波包含S 波和P 波,經過岩漿庫時S 波會被屏蔽、P 波則波速減緩,因此透過未收到S 波的位置可了解岩漿庫範圍、透過P 波延遲的程度則可得知岩漿庫厚度。


2019年5月27日,在大屯火山群觀測研究成果記者會上,中央研究院地球科學研究所林正洪研究員與研究團隊證實大屯火山群及龜山島為活火山。由於事關大臺北地區民眾安全,消息一出立即引發熱議。科學上如何判斷火山「是死是活」?死火山顧名思義不再活動,即使曾經活動,也是一、兩百萬年或更久以前;相對地,有些活火山幾乎隨時在噴煙,甚至偶爾還有岩漿跑上來。但林正洪表示,科學不能只用描述,還要用兩個方式來判定:一是研究火山一萬年內是否曾經噴發,二是看看是否有岩漿庫,如果兩者都符合,就可以確認這座火山屬於活火山。


大屯火山群的活動跡象


過去認為大屯火山群是死火山,這觀念源自1980年代的研究,當時使用鉀氬做岩石定年,判斷上一次噴發在10萬年前。然而這種定年方式通常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」,用來研究大屯火山群,就像拿一把刻度很粗的尺測量,發現最小刻度內有東西,但無法再細看。直到2011年,中研院地球所陳中華研究員和俄羅斯學者合作,以較精細的碳14定年法測量大屯火山群的火山灰,發現最近一次噴發大約在5千到6千年前,符合活火山標準。


除此之外,地震波也能說明大屯火山群在活動。一般斷層錯動造成的地震波包含各種頻率,但從大屯火山群發出的地震波呈單一頻率的水滴狀,或是多個頻率共鳴的螺絲釘狀,兩者都是活火山才有的現象,這是因為活火山會產生高壓氣體或液體,從地底沿著岩縫往上竄,由於岩壁長寬固定,會產生特定頻率的振動。


陰影法證實岩漿庫存在


林正洪過去研究的是傳統地震,並非火山學者,他在十多年前接觸到火山地震,發現自己竟未曾見過這類地震波,從而投入大屯火山群的研究,當時只有少數學者相信大屯火山群是活火山。林正洪經過長年對火山地震波的監測,並自行發明的「陰影法」,不但證實了大屯火山群下有岩漿庫存在,也標定出岩漿庫的位置和面積。


當地底下一、兩百公里發生地震時,地震波會傳到地面。不過地震波中的S 波無法在液態物質中傳遞,遇到液態的岩漿庫會被屏蔽,因此岩漿庫正上方的地震觀測站接收不到S波。透過S波的「陰影範圍」,就可以估算岩漿庫的位置與面積。估計岩漿庫厚度則需要P波,因為地震波中的P波在固體中跑得快、液體中跑得慢,岩漿庫外側的觀測站會先收到P波訊號,正上方的觀測站會晚一點收到。 岩漿庫越厚,正上方的觀測站就越晚收到P波,從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,面積約臺北市的1/4,厚度約4~10公里。


增設地震觀測站全面監測


一般人最熟悉的火山災害是電影中常見的「熔岩流」,不過熔岩流速度其實很慢、威脅很小。真正可怕的火山殺手是「碎屑流」,岩漿從火山口冒出,碰到空氣時變成固態,在原地不斷堆疊增高,直到撐不住才轟然垮下,溫度高達攝氏數百度的石頭和火山灰以時速一、兩百公里的速度向下俯衝。此外還有「火山泥流」,火山灰噴出後堆積在山上,遇上降雨或颱風變成泥巴,像土石流一樣沖刷下來,若進入河谷把河道填滿,降雨無處可去,就會滿溢出來。


大屯火山群噴發造成的災害依噴發量而定,如果是小規模的火山灰和熔岩流,只會影響山區周遭居民,但若是其中的七星山噴發,熔岩流、碎屑流、火山泥流可能沿著磺溪沖到北投、天母。若熔岩流和碎屑流在河口較窄的關渡大橋一帶堵住淡水河、基隆河道,也可能造成災害。


火山從開始出現異狀到爆發的時間不一定,但很少短於一週,只要做好監測,至少有一週時間可以應變。若要預測噴發的時間、大小和地點,可以從地震的位置判斷哪裡有岩漿活動,並由偵測到地震波的觀測站數目估計噴發規模。此外也可以從地震深度估算岩漿離地表的距離和移動速度,雖然這和時間不一定是線性關係,但仍可用於評估火山噴發的可能時間。就像是照片的像素越多,影像越清晰;地震觀測站要夠多,偵測解析度才會夠好。


未來,林正洪的研究團隊將在北臺灣增設地震觀測站以及小型地動感測器,盡可能提高偵測的解析度,以期全面監測大屯火山群活動。


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