臺灣屯山偷偷藏了一個岩漿牛奶罐？用震波破解大屯火山身下的秘密

天哪！原來我家旁邊住了一座活火山？位於中國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。為了評價災害風險，知道它是活火山還不夠，我們必須深入瞭解岩漿庫。下面我們看一下如何將地震波當作X光，解析大屯火山群的岩漿庫構造。

臺灣大屯火山群

用震波，幫大屯山拍一張「X光」照片吧！

自2016年證實大屯火山群為活火山以來，科學家不斷試圖瞭解更多大屯山岩漿庫的資訊，以評價大屯火山群對臺北地區的災害風險。

今年，科學家利用震波資料，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，當地震波穿過重重地層、抵達地表測站後，就像是替地底做了一次完整掃描，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資訊。

地球物理課

▲由於地震波可以穿透地底，因此地震波就像是地球科學家的「X光」，只要蒐集這些地震波，就有機會破解地層下的秘密。

受到地質構造與折射的影響，其中P波經過液體的內地核會減速，而S波無法直接透過液體的內地核。

目前我們熟知的地殼、地函、內外地核等分層，也都是藉由這些原理得出的研究成果。

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，科學家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）。

黃石公園岩漿庫之模型示意圖

▲黃石公園岩漿庫之模型示意圖。2014年時，在原本已知的流紋岩岩漿庫之下，大約地下20公里至45公里處，黃信樺找到了另一個更巨大的玄武岩岩漿庫，登上《科學》期刊。

反觀中國臺灣地區，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，臺灣學者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劃，在北部地區逐步設定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。

臺灣陣列地震站分佈圖

▲臺灣陣列地震站分佈圖，圖中約有140個測站，安裝有寬頻地震儀並即時蒐集傳送地震資料，此計劃由IES與大屯火山觀測站（TVO）共同執行。

中國臺灣地區陣列的地震測站有多密？從2018年開始，每隔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佈。

無論是遠方的地震，還是中國臺灣的地震，我全都要！

有了技術，又有了密集的觀測站，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，受到了計劃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，

他透過臺灣陣列取得了遠震震波資料（teleseismic data），並利用氣象局與原有的地震觀測網獲取近震震波資料（local earthquake data），最終描繪出了大屯火山群岩漿庫的模樣：一個牛奶罐。

為什麼要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！

▲受到地震波傳遞路徑的影響，近地震的震波只會經過淺層地底，帶來淺層的地質資訊（灰色），而遠震可以帶來深層和淺層的資訊（淺橘色），聯合遠震跟近震就可以加強整體的解析度並得到更完整的資訊（深橘色）。

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，其中近地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資訊（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，就可以讓整體影象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瞭解

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「掃描圖」，但這一場大屯山岩漿庫探索之旅，仍然還沒有停歇！

比如說，當我們拿到一張包含整個嘴巴的全口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。

P波在中國臺灣北部不同地底深度的傳播速度分佈。

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？岩漿庫又在哪裡？此時，地球科學家對這塊土地的瞭解和專業知識，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，幷包含林口臺地（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、地質學的研究和資料後，認為目前最合理的解釋是：它就是大屯火山群的岩漿庫！

大屯火山群（綠色三角形）地貌剖面的P波波速變化

▲大屯火山群（綠色三角形）地貌剖面的P波波速變化。可看到從8公里深開始，隱約存在一個紅橘色的圓柱體，該區P波速度大幅下降，岩漿庫是最合理的解釋。其中：Topo為地表高度，Depth為地底深度，綠色三角形為大屯火山群的主要火山口與噴氣孔，紅色三角形為其他北臺灣火山位置。

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？透過震波反演出的影象中，我們也可以發現一絲的線索。

北臺灣的P波波速（Vp）模擬結果

▲北臺灣的P波波速（Vp）模擬結果，以C-C’切面為例，圖b為P波速度擾動強度分佈圖，而圖c為P波速度絕對值的分佈。

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佈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左證。

「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資料相互推論而來。

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資訊。

黃信樺

從「岩漿庫變淺22公里」，看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。

5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，畢竟臺北地區的居民數量超過700萬，旁邊甚至還有兩座核電站，面對這一位風險不明的火山鄰居，絕對不能視而不見。

2021年8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，並把中國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，中國臺灣是臺積電（TSMC）的所在地，而臺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，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倡導，都是我們需要努力的未來。

作者：研之有物