大屯火山群底下有岩漿庫嗎?一切都還言之過早!

最近中研院地球所的研究員發表了大屯火山群底下可能存在岩漿庫的證據,引起一番討論。根據論文的內容來看,岩漿庫存在的可能性確實存在,但岩漿庫的位置與規模卻仍有很大的不確定性。因此在我們進一步討論如果火山噴發了怎麼辦之前,或許我們應該先瞭解究竟是什麼樣的觀測結果讓研究學者提出這個說法,以及這個說法的確定性與不確定性,才能決定我們下一步應該如何面對問題的策略。

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最近這些年來,各個領域的學者專家對於大屯火山群最近一次噴發的時間、大屯火山群下方的地下水與噴出氣體的成分、以及大屯火山群地表的地形變化等等,都有非常多的觀測與研究結果,對於大屯火山群是否會在近期再次噴發的問題,大多都是抱持否定的態度。包括最新的這一篇研究結果,同樣也沒有任何明示或暗示大屯火山即將噴發的意思,所以大家可以先不用擔心。

本篇論文是出自中研院地球所林正洪研究員之手,林研究員持續觀測大屯火山群地區的地震資料已經很多年,也是觀測經驗相當豐富的地震學研究人員,因此他的觀測證據也具有一定程度的可信度。在這一次的研究結果中,林研究員主要是根據大屯火山群地區的地震測站,觀測到特定地震的地震波波速異常減慢(P波),以及S波消失的現象,推論出大屯火山群底下大約30公里深處可能存在岩漿庫的結果。

我們首先複習一下地震波的特性,如果地表附近的地底下有岩漿存在,當P波穿過這個岩漿的時候,波速就會減慢,而S波就會無法穿過岩漿繼續傳遞。研究結果顯示,一號地震(圖一,Earthquake 1)產生的地震波在抵達大屯火山群地區時,部分測站無法觀測到S波抵達的紀錄(圖二、圖三),而且P波抵達時間比正常時間慢了0.4秒(圖四)。但是二號地震(圖一,Earthquake 2)產生的地震波就沒有這些現象發生(圖二)。

雖然P波速度減慢和S波消失(或者只是沒有觀察到)可能有許多不同的因素會造成,但岩漿的存在確實也是一個可能性,所以這篇論文以岩漿庫的存在來解釋地震波的觀測記錄是合理的。但重要的問題是,這個岩漿庫在哪裡?

如果我們把兩個地震在地底下的位置,和地表上的地震測站畫成一個簡單的圖(圖五b),地震和測站之間的連線就當作地震波經過的路線。因為二號地震的地震波記錄都沒有異常,所以岩漿庫一定不在二號地震的地震波會經過的路線上(圖五b黑線)。同理,因為一號地震的在某幾個地震測站(圖二a和圖四下圖標示的測站)的地震波記錄有異常,所以岩漿庫一定是在一號地震和這些有異常紀錄的測站間,地震波有經過的地方(大約是圖五b最右側的五條紅線)。簡單來說就是黑線經過的地方一定不可能有岩漿庫,所以紅線和黑線有重疊的地區也不可能存在岩漿庫,只有(最右側五條)紅線單獨經過的地方有可能存在岩漿庫,例如圖五b的紅色方塊處。

聰明的讀者是不是有發現,這個紅色方塊(岩漿庫)的位置其實有很多可能,他至少還可以往下移動,但卻不能往上移動,因為往上會有黑色的地震波(二號地震)經過,如果岩漿在比較高的位置,二號地震也會發現地震波異常的現象。既然如此,我們應該如何確定岩漿庫的位置呢?最好的方法就是,在大屯火山群的另外一側(大屯火山群西側,相當於圖五b的右下方,大紅色圓圈處)如果有個其他地震發生,那這個地震波的路線就會和地震一的地震波(圖五b紅線)相反方向交錯而過,再根據這個其他地震在哪些測站的地震波記錄有異常,就可以很明確把岩漿庫可能的位置深度和大小範圍標示出來。

我用一個簡單的圖(圖A1~A3)來說明,圖中三角形A、B、C是測站,黑色星星是二號地震,二號地震的地震波(黑色虛線)抵達所有測站的觀測記錄都正常;紅色星星是一號地震,一號地震的地震波(紅色虛線)抵達A、B測站的觀測記錄正常,抵達C測站的紀錄有異常(P波太慢,看不到S波)。那麼岩漿可能出現的位置一定在最右邊的紅色虛線上,而且不可能在其他紅色虛線或黑色虛線有經過的地方,圖上1、2、3、4、5都是可能的答案(圖A1,本論文選了最上面的1那個位置),或是可能有個超級大的岩漿庫存在(圖A2)。但如果右邊也有個地震發生(圖A3綠色星星),只要觀察A、B、C測站所記錄到的綠色星星地震波紀錄,就可以判斷岩漿庫可能在多深。例如只有B測站的觀測記錄有異常,A和C測站都沒有異常,那岩漿庫一定就在1的位置上。

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圖A1

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圖A2

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圖A3

不過,人世間最難以突破的就是這個不過。請大家看看這個區域的地震分布位置(圖一),大屯火山群的西側…沒。有。地。震!!!這是因為地震的發生源自於板塊運動,而台灣北部的板塊隱沒作用目前看起來並沒有延伸到大屯火山群西側,所以那邊才會空白一塊。目前看來最有可能的方法,是到大屯火山群西側的臺灣海峽海床上擺些炸藥製造人工地震,先不說這樣會不會引發兩岸情勢的緊張,縱使我們可以擺炸藥,但岩漿庫可能的位置深達數十公里,這可不是少少的炸藥可以搞定的事。

總而言之,這篇論文的重點應該是:
1. 發現大屯火山群附近某些地震波經過的區域存在P波減速且找不到S波的現象;
2. 上述區域的地震波資料呈現一致性;
3. 上述現象可以用岩漿庫的存在來解釋;
4. 岩漿庫的位置可以是在大屯火山群以下30公里處,可能更深,但不可能更淺;
5. 如果這個岩漿庫正如同本研究預測存在的位置,該岩漿庫投影到地表的位置如圖六;
6. 目前還無法完全確定一定是因為有岩漿庫,同時也無法確定岩漿庫的位置和大小。

因為岩漿庫所在的位置越淺危險性越高,即使如目前推測「最壞的狀況」是在30公里深,其實那也已經非常深了。要讓30公里深的岩漿噴出來,還是一件非常不容易的事情,更何況岩漿庫還有可能更深,甚至不一定有岩漿庫的存在。基於新聞報導不驚聳就沒人看的原則,這篇科學報導看來是被報導歪了,希望我的解釋可以提供大家一些安慰。

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圖一
(a) 黑點是1994到2015年間規模大於3、深度大於40公里的地震,大紅點是2015年規模大於4、深度大於100公里的地震,大綠點是2015年發生的兩個地震,是本篇論文主要的研究對象,詳細說明請參閱研究補充資料。
(b) 圖(a)的側投影,縱座標和左圖一致,橫座標是深度。
(c) 圖(a)黃色方塊區域內的放大圖,紫色虛線是大屯火山群的範圍,三角形是地震測站,後續圖上的地震測站編號都可以在這張圖上面找到。

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圖二
(a) 一號地震的觀測資料,其中五個測站,只有P波抵達的訊號,沒有S波抵達的訊號。地震波最右邊的文字是測站編號,YC03 E是指YC03測站東西方向的紀錄,N是指南北方向,Z是指垂直方向。
(b) 二號地震的觀測資料,和(a)同樣的五個測站,同時有P波和S波抵達的訊號。其他同(a)。

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圖三
(a) YC03測站所記錄到一號地震的地震波資料,有明顯P波抵達,卻沒有S波抵達。
(b) KL04測站所記錄到一號地震的地震波資料,有明顯P波抵達,也有S波抵達。

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圖四
(a) 所有測站記錄到一號地震的地震波資料,橫座標是時間,縱座標是地震測站與震央之間的距離,黑色實線(與下圖黑色虛線相同位置)標示了所有測站記錄到P波抵達測站的時間,顯示大部分測站P波抵達的時間都很規律。
(b) 部分測站(測站編號標示在右側)記錄到一號地震的地震波資料,紅色實線(與上圖紅色虛線相同位置)標示這些測站記錄到P波抵達測站的時間,顯示這些測站P波抵達的時間同樣規律,但抵達時間較晚,顯示P波速度較慢。

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圖五
(a) 根據速度模型所推算測站與震央距離(橫座標)與P波波抵達測站所需時間(縱座標)的結果,紅線代表一號地震,右上方那一小段紅線代表一號地震的P波被低速構造(可能是岩漿庫)拖慢速度後的所需時間。黑線代表二號地震。
(b) 模擬地震波從地震到測站之間的前進路線,紅線代表一號地震,黑線代表二號地震。橫座標是距離,縱座標是深度。橫座標往右是西,往左是東,和真正的地理方向相反。
(c) 可能的P波一維速度構造,橫座標是波速,縱座標是深度。

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圖六 岩漿庫如果真的存在於圖五假設的位置,投影到地表的真實位置應該像這樣。

原始論文出處:Scientific Reports (Nature的子期刊)
原始論文
論文補充資料

2 thoughts on “大屯火山群底下有岩漿庫嗎?一切都還言之過早!

  1. 寫的真好!非常清楚的說明,唯一會令人稍微停一下的可能是圖五右下的紅色大圓圈(代表的是如果能有一場地震,震源位在一號地震的西側,深度兩百公里左右,可以重複檢驗低速構造區的位置及範圍吧!)

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