誰讓火山生氣了？！

滾燙的岩漿、壯觀的場面，火山爆發真是令人敬畏又好奇的現象。到底為什麼會有火山爆發呢？背後的兇手是誰？有請地球偵探來解謎囉！

地球新聞臺快訊，又有火山噴發了！天啊！這麼多火山噴發，是不是「又有」世界末日要到了？地球偵探可以告訴我們這些火山噴發是怎麼一回事嗎？

不要擔心啦，其實地球上隨時都有許多火山在「爆發」，只不過就和地震一樣，火山噴發的規模和威力有大有小，造成的災害也都不一樣。而火山活動就像海面上偶爾會產生颱風，都是地球會自然發生的現象。

所以早在地球「老」偵探的那個年代，他們就已經在四處蒐集證據，想破腦筋想要搞清楚為什麼會有火山噴發的這個現象。根據幾十年來的抽絲剝繭，最後我們一致認為，有個叫做「板塊運動」的現象，就是最大的嫌疑犯！現在，就讓地球偵探和大家一起，裝配好最新式的「鑽天遁地」探測儀器出發，來看看究竟什麼是「板塊運動」，又為什麼會有那麼恐怖的火山噴發吧！

板塊運動：大陸在移動？

你知道臺灣東南方的兩個小島——蘭嶼和綠島，正在以每年8 公分左右的速度愈來愈靠近臺灣嗎？這件事是真的！中央氣象局在全臺灣各地都設置了全球衛星定位系統（GPS）的接收站，這些接收站可以接收衛星的訊號，然後非常精確的計算出各接收站的所在位置。根據這些接收站位置的變化記錄，我們就可以發現蘭嶼、綠島和臺灣之間的距離正在縮短。

蛋殼般的地球
如果我們更進一步觀察全世界各地GPS接收站所計算出來的位置變化，就會發現地球上根本每個地方都在動來動去。所以科學家把地表上這些動來動去的速度跟方向畫在地圖上，就可以明顯的看出來，其實可以用移動方向的不同，把地球表面分成好幾個區域，就好像是一顆煮熟的雞蛋，蛋殼被打破、裂成好幾塊的樣子，然後每片蛋殼都在往某一個方向移動，這就是我們所說的「板塊運動」。

大陸移動的證據
其實早在100 年前，在那個根本都還沒有人造衛星這種東西的年代，就有一位地球偵探提出了「大陸會移動」這樣的理論，他就是德國的科
學家韋格納。這位100 年前的地球偵探前輩，先是發現南美洲東岸和非洲西岸的海岸線形狀很像，就好像是同一塊陸地被撕成兩半一樣。後來韋格納先生看見有人提到南美洲東岸的許多化石跟地層，居然和非洲西岸是一樣的，這更加強了他對「大陸會移動」這個想法的信心。於是這位地球偵探就開始走遍世界各地，研究各地的化石、地層、還有古氣候環境的證據。

韋格納發現，很多今天彼此不相連的大陸，不僅具有同樣的地層結構，地層裡面還有類似的生物化石，重點是這些化石都是一些不會飄洋過海的生物。這個現象唯一的解釋，就是「大陸會移動」。除此之外，這位地球偵探還把地層中象徵古代氣候的證據拿出來比對，發現有些存在寒帶植物化石和冰河沉積物遺跡的地層，居然出現在今天熱帶的陸地上，表示這些存在著冰河遺跡的陸地當初並不是位於現在這個位置，這更加說明了大陸可能曾經移動的事實。

只可惜在韋格納先生的那個年代，做偵探的工具還不夠齊全，他沒有我們在2014 年4‧5 月號〈探索地心的強力幫手──地震〉中介紹的那些地震測站，可以提供地球內部的資料，所以他認為大陸會移動是地球自轉跟月球的潮汐力所導致，結果這幾個理由很快就被物理學家給駁倒，被認為不可能造成大陸移動的現象。最後就因為證據不夠齊全，案子不了了之，很少人相信他的說法。

板塊運動：大洋在擴張！

隨著地球偵探的工具日新月異， 到了1960 年代，有一位新一代的地球偵探海斯提出了「大陸會移動」理論的續集——「大洋會擴張」，主要證據則是地球磁場紀錄。

從1930 年代開始，就有科學家發現岩漿在噴出地表後冷卻的過程中，裡面的磁鐵礦會記錄下當時的地磁方向，稀奇的是，在過去某些時期（例如78 萬~90 萬年前），地磁的方向居然和今天完全相反。於是，研究過往地磁的科學家很辛苦的在世界各地尋找火成岩裡的磁場紀錄，建立起一些地磁反轉的歷史片段。結果，海斯發現有個地方居然記錄了完整的地磁歷史！

深海裡的磁場紀錄
事情是發生在1950 年代，當時為了探測海面下敵人的潛水艇，船隻會拖著測量磁力的感應器在海上航行，結果意外得到許多正反相間的磁場紀錄，海斯發現這些紀錄和1930 年代以來那些科學家報導的地磁反轉事件非常類似。這些正反相間的磁場紀錄都是以海底的山脈——中洋脊為界，左右對稱。最合理的解釋，就是這些海底山脈持續在噴發岩漿，岩漿一冷卻就記錄下當時的地球磁場，並各自從山脈兩側往左右移動前進，然後新的岩漿又從山脈中央噴發出來，記錄更新的磁場方向。於是海斯依據這個想法，在1960年代提出了這個「大洋會擴張」的新理論。

只不過海斯的新理論，遇到和韋格納同樣的質疑，那就是地球表面為什麼會移動？其實早在韋格納提出大陸會移動的理論之後，就有很多科學家試圖解釋大陸會動的原因，其中一種說法就是地球內部的熱對流。熱對流就像是用爐火加熱一鍋開水，下方的水被加熱之後密度變小，從中央開始上升，到達最頂端之後往左右移動，同時開始慢慢冷卻、密度也漸漸變大。等到表層水的密度比下方水的密度大時，這些水就會下沉到底部，然後重新被加熱。海斯認為中洋脊就是那個熱對流上升的中央位置，而大洋擴張的現象就是熱對流往兩側擴張的結果。

地表會下沉？
如果中洋脊真的是這個「熱對流」上升的位置，那在熱對流下降的地方，真的也會有地表「下沉」嗎？就在差不多同一個時間，另一組地球偵探——瓦達地和班尼奧夫，則是發現海溝附近的震源分布位置會從地表向下延伸，而且恰好就是發生在我們認為熱對流應該開始下沉的地方。瓦達地和班尼奧夫認為，可能是因為有一塊地球表面在海溝這裡向下插進地球內部，於是插下去的那一塊地球表面和周圍岩層互相擠壓破裂，所以在
交界地帶發生了地震，形成了海溝附近的震源由地表向地底下延伸的分布情形。

於是，這些一塊一塊會移動的地球表面就被稱為「板塊」。板塊不一定是陸地或海洋，有些陸地會連著海洋一起移動（像是南大西洋的西側和南美洲陸地就是同一塊板塊），有些海洋裡面則又分成了好幾塊（像是太平洋裡面就可以分成好幾個板塊）。而這些板塊運動背後的機制，很可能就是地球內部的熱對流。

地底下的熱對流

到底地球內部是怎麼熱對流的呢？地球內部可以簡單分成三層，最外層是地殼、中間是地函、最內層是地核。這三層由外向內的溫度愈來愈高，愈內層的物質密度也愈高。所以如果把地核當做高溫的爐火，那地函就像是放在爐火上加熱的一鍋水。底部的地函因為被加熱所以密度變小，並慢慢上升，到了地表附近就往左右擴張，一面把中洋脊拉開造成岩漿的形成並冒出地表，一面把地表往左右繼續拉開。

地函上上下下，板塊浮浮沉沉
這些繼續往左右擴張的地函會慢慢冷卻，密度慢慢變大並開始下沉，甚至遇到另外一組不同方向的熱對流阻擋時，也會促成這些較大密度的地函下沉，重新回到地球內部。這個地函下沉的地方，就會在地表上形成很深的海溝。而且下沉的板塊通常會和另一邊沒有下沉的板塊互相擠壓，導致這個區域地震發生的次數相當頻繁，也就是瓦達地和班尼奧夫當時所發現的地震分布。

但也不是所有的板塊都會向下沉，如果地函上方背著一塊很厚但是密度很小的大陸地殼，那麼板塊就不會隨著冷掉的地函下沉，而會被留在地表上。

總結來說，地球內部各個不同大小跟方向的熱對流，造成了地表一塊塊跟蛋殼一樣的板塊在各自移動。有些板塊跟板塊會互相靠近，然後是某個板塊往下插，或是兩個板塊彼此拱起來。有些板塊跟板塊之間會互相遠離，中間就是中洋脊，會有新的板塊形成。另外則是在板塊角度剛好的狀況之下，有些板塊會彼此擦身而過，既不互相靠近也沒有互相遠離。這些板塊的交界處通常都很容易把板塊弄破而形成地震，我們就把這些地方
稱為「板塊邊界」。

麥芽糖般的地函
聰明的你或許會問：地函不是固態的嗎？怎麼會對流？

地函是固態的沒錯，就像是硬掉的麥芽糖，我們也可以把它當做是固體。如果我們用最小最小的火在麥芽糖底下加熱，下方的麥芽糖就會因為溫度升高然後密度變小，並且用很慢的速度往上移動，產生所謂的熱對流。這整個過程發生的期間，麥芽糖雖然有可能稍微軟一點，但你絕對不會把它當做可以任意流動的「液體」。

地函則可以想成是非常非常「濃稠」的麥芽糖，當地底下的高溫讓地函的密度變小，並且在固體的狀態下發生運動，就產生所謂的熱對流。這個熱對流大約會上升到地表100 公里深附近，因為地表太冷，所以靠近地表這100 公里厚的岩石太硬，沒辦法「流動」，熱對流就會在到達大約100 公里深的時候開始往兩側打開，然後帶著上面這大約100 公里厚的冷硬石頭移動，也就是「板塊運動」。

正因為地函是比麥芽糖濃稠得多的固體，所以地函熱對流的速度，也就是板塊運動的速度，非常非常緩慢。慢到跟我們指甲生長的速度差不多，大約每年2~10 公分。換句話說，只要給它高溫和足夠的時間，固體真的也是可以「對流」的。

隱沒的地殼，爆發的岩漿

現在我們要言歸正傳，那火山噴發和板塊運動之間究竟有什麼關係呢？劇烈的火山爆發，大多是發生在板塊隱沒的地方，也就是前面提到震源位置會從地表向地底延伸的地方。至於為什麼這裡容易火山爆發，則跟這裡產生的岩漿成分有很大的關係。

岩漿哪裡來？
如果能夠用高溫把石頭融化掉，那就叫做岩漿。理論上，愈往地球內部的溫度愈高，所以地球在某個深度以下應該就都是岩漿對吧？不對，高溫雖然有可能讓岩石熔化形成岩漿，但是過大的壓力則會讓岩石維持在固體的狀態。所以愈往地球深處雖然溫度也愈高，但同時地底下的壓力也會變得更大。因此在正常狀況下，地球內部幾乎是無法形成岩漿的。

但是在板塊隱沒帶，因為有承載著海洋的地殼在向下插，所以會把「水」帶到地球內部。在有水的環境中，岩石可以在比較低的溫度就熔化，變得比較容易形成岩漿。像是在太平洋周圍的大部分地區，從亞洲的日本、琉球、菲律賓，到大洋洲的巴布亞紐幾內亞、紐西蘭，再到南美洲西岸的安地斯山脈，往北是中美洲的墨西哥、厄瓜多與瓜地馬拉，最後是北美洲的阿拉斯加。還有印度洋邊緣的印尼和地中海周圍的義大利等地，就都是屬於這一類的岩漿成因。

如果能夠用高溫把石頭融化掉，那就叫做岩漿。理論上，愈往地球內部的溫度愈高，所以地球在某個深度以下應該就都是岩漿對吧？不對，高溫雖然有可能讓岩石融化形成岩漿，但是過大的壓力則會讓岩石維持在固體的狀態。所以愈往地球深處雖然溫度也愈高，但同時地底下的壓力也會變得更大。因此在正常狀況下，地球內部幾乎是無法形成岩漿的。

但是在板塊隱沒帶，因為有承載著海洋的地殼在向下插，所以會把「水」帶到地球內部。在有水的環境中，岩石可以在比較低的溫度就融化，變得容易形成岩漿。像日本、印尼，中美洲的墨西哥、厄瓜多與瓜地馬拉，南美洲的秘魯、南太平洋的巴布亞紐幾內亞、義大利等地，就都是屬於這一類的岩漿成因。

累積岩漿，一次爆發
岩石其實是由很多種不同礦物，也就是不同化學物質所組成的。當岩石開始熔化時，會從最容易熔化的礦物開始熔化，等溫度漸漸升高，比較難熔化的礦物才會熔化。而岩石中先熔化的礦物都是一些會讓岩漿比較黏稠，比較不容易流動的礦物。所以像板塊隱沒帶這種溫度比較低的地方，所形成的岩漿就比較黏稠，不容易流動。

這些岩漿大多形成於地底下數十到一百公里的深處，當岩石熔化形成岩漿的時候，岩漿的密度比較小，就會開始慢慢往地表上移動，但是如果前進到太靠近地表的地方還很容易會冷卻凝固，所以這一類的岩漿不會直接流出地表，而是會聚集在距離地表數公里深的地方，形成所謂的「岩漿庫」。

然後，地底下愈來愈多的岩漿慢慢生成、聚集，岩漿庫裡的氣體也會累積得愈來愈多，壓力愈來愈大。當岩漿上方的岩層抵擋不住這巨大的壓力時，整個岩層就會被掀開，巨大的壓力瞬間往四面八方擴張，把岩漿炸碎成粉末噴上天空，形成壯觀的火山灰雲，或是形成一些大顆粒的火山礫和火山彈掉落地面，這就是爆炸式的火山噴發。像是1980 年發生的聖海倫火山爆發，就是典型的爆炸式火山噴發。

寧靜的火山爆發

除了板塊隱沒帶以外，還有一些地方也會產生岩漿，像是如果地球內部有些特別熱的地方，就有可能形成岩漿向地表湧出。這是因為地球內部物質的分布並不是完全均勻，溫度的分布也會有所不同，所以我們就稱這種特別熱的地方叫做「熱點」。目前全世界最著名的熱點，就是在夏威夷這個地方，這裡溫度比較高，岩石熔化生成了岩漿，幾乎常年都有岩漿湧出到地表附近。

另一個容易形成岩漿的地點，是前面提過的中洋脊。中洋脊所在的位置也是地球內部相對比較熱的地方，但這個地方不僅僅是比較熱，還有因為地函熱對流的作用，導致中洋脊這個地方的地殼會被扯開，一旦上面的岩石被扯開，中洋脊下方岩石受到的壓力就大幅減輕。也就是說中洋脊這個地方兼具了溫度高和壓力小的條件，自然也就有更多的岩漿形成。只不過中洋脊都在海底下大約3000 公尺深的地方，所以我們通常感覺不到這裡有岩漿正在湧出。

流向地表的岩漿
相較於板塊隱沒帶濃稠的岩漿，在熱點和中洋脊地區，岩漿的溫度比較高、流動性也比較高，所以當岩漿往地表移動時，比較容易直接流到地表上來，然後可以在地表流動一陣子，不會馬上冷卻凝固。這一類岩漿的噴發通常不會伴隨著劇烈的爆炸，我們稱之為「寧靜式的噴發」。

雖然說根據岩漿的性質不同，可以把火山噴發的形式做簡單的分類。但地球上每個地方的岩石特性不同、溫度結構不同、板塊運動也不同，所以火山噴發的形式也不是那麼簡單就可以一分為二。像冰島火山就應該是類似夏威夷火山的寧靜式噴發，可是冰島2010 年時發生的火山噴發，雖然沒有像爆炸式噴發的威力那麼猛烈，但它所噴發出來的大量火山灰卻還是讓整個歐洲空中交通大亂，顯然冰島的岩漿特性不像我們剛剛講的
那麼單純。所以若是要細分地球上所有火山的噴發方式，每一座火山都還是或多或少有著不同的「個性」呢！

另一個容易形成岩漿的地點，是前面提過的中洋脊。中洋脊所在的位置也是地球內部相對比較熱的地方，但這個地方不僅僅是比較熱，還有因為地函熱對流的作用，導致中洋脊這個地方的地殼會被扯開，一旦上面的岩石被扯開，中洋脊下方岩石受到的壓力就大幅減輕。也就是說中洋脊這個地方兼具了溫度高和壓力小的條件，自然也就有更多的岩漿形成。只不過中洋脊都在海底下大約3000公尺深的地方，所以我們通常沒有感覺到這裡有岩漿正在湧出。

火山噴發可以預測嗎？

每次看到火山噴發的新聞，就會覺得火山噴發好可怕，大家一定會想問地球偵探，能不能事先預測火山噴發的時間呢？凡是說到「預測」，就一定不是簡單的工作。但是為了讓大家安心，地球偵探還是把辦案的壓箱寶展示給大家看看，至少讓我們在火山噴發之前能有所警覺。

全球衛星定位系統（GPS）是一個可以精密監測地形變化的工具。我們可以在火山地區的地面上設置固定式的GPS 接收裝置，長時間監測地表的地形變化。如果地表的高度有明顯隆起，就表示地底下可能有岩漿形成，因為岩漿密度比較小，所以形成時體積會變大，導致地表的抬升。除了GPS 之外，目前我們還有其他衛星與航空的監測方式，也都可以精密監測地表的變形 。

地震活動可以用來監測地底下岩漿活動。在爆炸式噴發的火山地區，由於岩漿中含較多氣體成分，所以若是岩漿體積增大，氣體的含量就會愈來愈多。一個個的氣泡如果向地表移動，就有可能破裂並引發小規模的地震。因此，在一座爆發式火山即將大規模噴發之前，火山底部通常會發生許多小規模的地震，代表地底下的岩漿活動漸漸活躍了起來。

火山氣體可以用來觀察岩漿活動。當岩漿活動變得活躍時，火山氣體就會同時產生，有部分火山氣體容易溶解到地下水中，
導致地下水的成分或酸鹼度開始變化。因此科學家都會定期測量火山地區地下水或溫泉水的成分和特性，用來監測地底下的岩漿活動。也有科學家是直接採集地表所釋放的氣體，觀察氣體成分是否有變化。

除了這些方法之外，還有像是地底溫度計、地球磁場與重力監測、震測地層分析等等，都是監測火山活動的重要工具。只不過，這些工具終究還是只能告訴我們目前火山噴發的可能性有多少，很難直接告訴我們火山何時會噴發。因為地層的材質和結構實在太過複雜，而我們又無法精確的監測地底下的狀態，所以很難隨時掌握岩漿的狀態。

也有不可預測的時候……
像2014 年9 月27 日在日本御嶽山的噴發，事前就沒有任何徵兆，原因不是日本的監測工作沒做好，而是因為我們大都針對岩漿活動在做監測，但日本御嶽山的那次噴發可能不是因為岩漿活動，而是因為大量地下水被岩漿加熱「煮沸」，變成大量水蒸氣，才把火山頂部給炸飛，形成了這次噴發（見下方〈意料之外的御嶽山火山爆發〉）。所以事前不僅火山氣體觀測沒有出現異狀，甚至火山噴發前兩天的地震活動還特別「安
靜」。

這告訴我們火山噴發的原理雖然單純，可是各種千奇百怪的變化數不勝數，要真正能夠做到預測，還有很多研究工作要做呢！

全世界的火山

就像前面提到過的，其實火山噴發的現象和地震、颱風一樣，無時不刻都在地球的許多角落發生。就像是夏威夷群島東南角落的基拉韋厄火山（Kīlauea），它最近一次的噴發是從1983 年就開始湧出岩漿，雖然歷經過幾次噴發地點的改變，但這座火山已經持續噴發超過30 年，最近還因為岩漿湧出的量太過驚人，逼得島上的居民得先搬家「避避風頭」。所以基拉韋厄火山可以說是目前地球上最活躍、也最長壽的火山。

經典的火山爆發
相較於夏威夷這種寧靜式噴發的火山，岩漿源源不絕湧出的現象或許不夠「震撼」。真正讓人覺得恐怖的是爆炸式火山，最典型的代表就是印尼在1883 年爆發的喀拉喀托火山（Krakatau），這次的爆發號稱人類歷史上最大規模的一次爆發，火山灰噴發到距離地表大約80 公里高的空中，造成大約30 公尺高的海嘯，噴發時巨大的聲響連4800 公里外的澳洲都可以聽到，估計這次爆發相當於1 萬3000 顆廣島原子彈的威力，也導致了將近12 萬人的喪生。爆炸過後，整個直徑十多公里的喀拉喀托火山島也幾乎完全被炸飛到不見蹤影，威力相當驚人。

至於全世界最有名的火山，那就莫過於義大利的維蘇威火山（Mount Vesuvius）了。維蘇威火山的名氣是來自於西元79 年的那場大爆發，爆發當時，火山灰雲直衝到33 公里的高處，伴隨著落到地面的火山灰和大小石塊（火山彈），噴發量估計最高達到每秒鐘150 萬噸，甚至還有高達250 ℃的熾熱焚風橫掃周邊地區。結果導致將近1萬6000 人喪生，其中包括位在維蘇威火山東南邊的龐貝城。城裡的人當時全被埋在兩層樓高的火山灰下，屍體被細菌分解之後，在硬掉的火山灰裡留下人形的空洞，據說還有人們當時驚恐的表情被保存下來，真實見證了火山爆發的恐怖威力。

臺灣也有火山嗎？
生在臺灣的我們雖然不曾經歷過火山爆發，但臺灣其實是有火山的。臺灣過去曾經是火山的地區有北部的大屯山火山群、基隆山火山群、觀音山、龜山島；東部的海岸山脈、蘭嶼、綠島；以及西部外海的澎湖群島等等。距今最近一次的噴發發生在7000 年前的龜山島，目前龜山島周圍的鄰近海域，都還有明顯的海底熱泉活動，顯示這裡未來還是有火山噴發的可能性。

另外，位在臺北市中心邊緣的陽明山地區，則是屬於大屯火山群的範圍。根據放射性同位素定年結果顯示，大屯火山群的上一次爆發大約已經是20 萬年前。但是，大屯火山群至今仍然持續有地熱活動以及火山氣體噴發，還沒有完全死寂，所以中央氣象局和陽明山國家公園管理處都還是持續在嚴密監控這裡的地底活動，說不定有朝一日，臺灣北部也會再發生火山爆發的現象。

其實火山就像地震、颱風一樣，是地球自然會發生的現象。雖然現在因為有許多人生活在火山地區，所以火山噴發會導致很多人喪命，讓我們對火山感到恐懼。但如果我們有機會看到在大自然中的火山爆發，那個景色還是相當壯觀又美麗的。希望藉由對火山的認識，能夠不再感到恐懼，而是對火山保有一分敬畏和欣賞的心情，感受大自然的威力與壯闊。

本文原刊載於遠流雜誌社所出版的科學少年第七期（2015.02）

科學少年（目前已停刊）是一本以國中生為目標讀者的科學雜誌，每一期雜誌中文章的作者，沒有選擇鼎鼎有名的大學教授，反而是找一些中學老師來執筆，目的就是希望知識的內容能夠更貼近讀者，讓讀者除了能夠看懂，更希望他們會喜歡。所以科學少年的編輯小組總是盡力穿插生動有趣的圖畫，透過作者、編輯與插畫家共同努力的結晶，不僅讓每一篇科學文章更活潑，更重要的是能把科學觀念更清楚地呈現。期待更多的讀者，會因為科學少年而喜歡上科學、喜歡上這個擁有無數秘密的大自然！