利用震波帮大屯火山拍「X光照」!找出埋在地下 8 公里的「岩浆牛奶罐」
2022 1月 17 By 还能注册binance币安吗 0 comment

本文转载自中央研究院研之有物,泛科学为宣传推广执行单位。

  • 采访撰文│陈仪珈
  • 美术设计│林洵安

解析大屯火山群的岩浆库

天哪!原来我家旁边住了一座活火山?位於台湾北部的大屯火山群,近年已被地球科学家推断为活火山,繁华的天母、北投与士林就在它的山脚,距离台北 101 大楼甚至只有 15 公里。为了评估灾害风险,发现活火山还不够,我们还必须深入了解岩浆库。「研之有物」专访中央研究院地球科学研究所黄信桦副研究员,看他如何将地震波当作 X 光,解析大屯火山群的岩浆库构造。

用震波,帮大屯山拍一张「X 光」照片吧!

自中央研究院於 2016 年证实大屯火山群为活火山以来,科学家不断试图了解更多大屯山岩浆库的资讯,以评估大屯火山群对大台北地区的灾害风险。

今年,中研院地球所黄信桦副研究员利用震波资料,进一步找出宛若圆柱牛奶罐、位於地下 8 公里的岩浆库,其直径约 8 公里、高度约 12 公里,论文已於 2021 年 3 月初发表於《科学报告》(Scientific Reports)。

这个藏在地底下 8 公里的岩浆牛奶罐,是怎麽被黄信桦找出来的?

蛋糕只要一刀切开,就可以把内馅看得一清二楚;然而碍於技术和成本,面对脚下的土地,我们不能像切蛋糕一样,一下就看清楚地底结构。那科学家是怎麽分析火山的「内馅」呢?

聪明的地球科学家,搬出了「地震波」这个媲美 X 光的好工具!

地球每天都会发生成千上万的地震,当地震波传过重重地层、抵达地表测站後,就像是替地底做了一次完整扫瞄,而地球科学家只要蒐集这些地震波,就可以破译出藏在震波中的地质讯息。

对地球科学家来说,每一个地震,就像一个个 X 光的发射器,而发射出的地震波就是 X 光,因此,用地震波去理解地底构造,就像是用 X 光去拍地底的 X 光照片。

这个技术,就是大名鼎鼎的震波层析成像(Seismic Tomography)。

当地震波经过不同地质条件的地层时,会改变地震波传递的速度和性质,例如 P 波经过液体时,速度会下降,而 S 波因为穿不过液体,会直接不见。因此,当地球科学家只要收集到来自四面八方的地震波後,就可以推估出地底构造的几何形貌。

从黄石公园的超级火山,到「死而复生」的大屯火山群

为什麽一直到了 2021 年,地球科学家才顺利解析大屯火山群的岩浆库?这是因为有了震波层析成像技术还不够,还要有工具和震波资料才行。

2014 年时,黄信桦正在美国犹他大学进行研究,机缘巧合之下,他参与了黄石公园的计划,使用震波层析成像技术,在原本已知的大型岩浆库底下,找到了一个更深、更巨大的岩浆库。如此意想之外的研究发现,也让黄信桦的论文成功登上《科学》期刊(Science)。

反观台湾,因为不像美国一样拥有密集、均匀的地震测站,不足以让学者对大屯火山群做完整的「X 光扫描」,因此在 2014 年时,台湾学者对於大屯火山的岩浆库仍然是一知半解。

直到 2016 年,中央研究院林正洪研究员成功找到了大屯火山的岩浆库,并证实为活火山後,台湾才开始大力推动进一步的研究计画,在北部地区逐步设置超高密度的宽频观测网——台湾阵列(Formosa Array ),探索这位危险邻居的秘密。

台湾阵列的地震测站有多密?从 2018 年开始,每间隔 5 公里,研究人员就会设立一个地震测站,站点横跨山区,目前在台湾北部设立了相当均匀的测站分布。

无论是远方的地震,还是台湾的地震,我全都要!

有了技术,又有了密集的测站,摩拳擦掌的地球科学家,终於可以来一窥岩浆库的秘密了。

黄信桦学成归国後,受到了计画主持人林正洪的邀请,带着黄石公园的研究经验,正式加入了大屯山岩浆库的研究中,他藉由台湾阵列取得了远震震波资料(teleseismic data),并利用气象局与中研院原有的地震观测网获取近震震波资料(local earthquake data),最终为台湾地球科学界描绘出了大屯火山群岩浆库的模样:一个牛奶罐。

为什麽要特别同时使用来自远方的「远震」和附近的「近震」资料呢?事实上,这跟解析度也脱不了关系!

从图中我们可以发现,地震波在地球内部传递的路径是弧线,其中近震的地震波只会经过比较浅层的地底构造(灰色),反之,若使用远震震波,就会带来地球深部的讯息(浅橘色),并再次加强浅部的资讯(深橘色)。

因此,如果地球科学家有办法同时使用远震、近震的资料来推算的话,就可以让整体图像的解析范围延展到更深处,解析度也更上一层楼!

看图说故事的功力,取决於你对这块土地的了解

费尽千辛万苦,有了技术、有了工具和震波资料後,地球科学家终於得到了地底「扫瞄图」,但这一场大屯山岩浆库探索之旅,仍然还没有停歇!

比如说,当我们拿到一张涵盖整张嘴巴的全口 X 光照片,一般人只看得懂黑色是软组织、白色是硬组织,并猜测出骨头和牙齿的位置。然而,对一位经过 6 年训练、拥有专业医学知识的牙医师而言,却可以一眼看出你的蛀牙、发炎、阻生齿、牙周病等等资讯。

震波层析成像也是如此!以上面这张论文中的图片为例,P 波速度较低的红色,代表该区的地质构造比较「软」,反之波速高的蓝色则为较「硬」的区域。

但,这到底代表什麽意思?啊岩浆库又在哪里?此时,地球科学家者对这块土地的了解和专业知识,就派上用场了!

以 2 公里深为例(上图 a),可以看到大面积的红色、蓝色对比,其中蓝色代表中央山脉,也就是很硬的变质岩;而红色是西部麓山带,属於较软的沉积岩,并包含林口台地(很厚的红土层)、台北盆地(沉积物)等明显的地质构造特徵;东方小块的红色,则代表宜兰平原的沉积物。

承上,图 a 大屯火山群的位置为白色,没有明显特徵;然而到了 8 公里深(图 b)和 16 公里深(图 c)时,黄信桦却发现,大屯火山群底下从白色变成红橘色。

火山下方突然出现一块软软的红橘色,P 波的速度甚至降低到 19% 这麽多,这意味着什麽?主要有两种可能:含水,或是有岩浆。然而,地底 8 公里深的压力过大,地下水较难以渗透,「含水」这个理由并不可行,因此,黄信桦结合了地球化学、地质学的研究和数据後,认为目前最合理的解释是:它就是大屯火山群的岩浆库!

这个岩浆牛奶罐,究竟从何而来?

找到岩浆库的位置後,黄信桦开始思索,这一个体积约 600 万立方公里的岩浆库从哪里来?透过震波反演出的图像中,我们也可以窥得一丝的线索。

关於「岩浆」的由来,我们第一个想到的,或许就是因为板块隐没、部分熔融产生的岩浆。

而在上图(b)中,我们可以从紫色的小圆圈的分布看出菲律宾板块隐没产生的地震带,以及隐没後出现的部分熔融区(红橘色的 L2)。

然而黄信桦却发现,在大屯火山岩浆库(红橘色的 L1)、板块隐没产生的部分熔融(红橘色的 L2)之间,有着一大段很远的距离,也没有出现相连的通道,因此,黄信桦猜测,大屯火山岩浆库应该与板块隐没带没有直接的关系。

不是板块隐没,那会是什麽呢?另外一种可能,就是後碰撞时期的弧後张裂。

目前台湾东北部的地震,大多都是来自琉球岛弧後方冲绳海槽(Okinawa Trough)的张裂环境,根据论文的反演结果,黄信桦也认为,大屯火山群、基隆火山群等北部火山,比较有可能是由此机制而生。

但请大家注意,以上对於大屯火山岩浆库的成因的讨论,仅仅还在「推论」的程度,我们尚且无法证实大屯火山就是由此而来,未来仍然需要更多相关研究的佐证。

「所以,它就像一个装满岩浆的牛奶罐吗?」

大错特错啊!虽然前文都将这个岩浆库形容像牛奶罐一样,然而,如果你觉得它是一个装了满满液体岩浆的牛奶罐,那可就不对了。

黄信桦笑着说,「如果它真的是一个空空的牛奶罐,我马上就会搬家!不骗你啦!」。

事实上,岩浆库更像是一个海绵,一个有孔隙、吸附着岩浆的海绵

海绵的孔隙率有多少、岩浆的性质是什麽、地震波会降多少速,都可以透过地震和地质资料算出来,例如论文中的「P 波波速下降 19%」,就是从已知的安山岩数据相互推论而来。

此外,虽然论文结果看起来是一个牛奶罐的形状,但事实上圆柱状的岩浆库并不常见,反之,大部分的岩浆库都和黄石公园一样,是属於扁平状的,因此黄信桦认为背後可能仍然有解析度的问题。

这次黄信桦是用最容易取得、最精准的 P 波来反演,未来他可能就会用 S 波、雷利波、洛夫波等震波资料来彼此检验,找出更精确的岩浆库讯息。

从「岩浆库变浅 22 公里」,一窥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,乃是透过两个近震资料,保守的推算出岩浆库的位置落在 30 公里深左右,这一次,黄信桦透过解析度更高的反演结果,推断出岩浆库的深度其实只有 8 公里。

五年内,岩浆库的深度从 30 公里变成 8 公里,虽然变浅了很多,但黄信桦表示,一般火山岩浆库的深度大都落在 5~15 公里之间,大屯火山的 8~20 公里其实已经相对比较深了。那些很活跃的、频繁喷气的火山岩浆库,深度甚至只有 3~5 公里,例如黄石公园就在 4~12 公里的位置。因此,我们并不需要因为这 22 公里的差距而感到焦虑或慌张。

话虽如此,我们仍须正视大屯火山这个距离台北 101 不到 20 公里的活火山,毕竟大台北地区的居民数量超过 700 万,旁边甚至还有两座核电厂,面对这一位风险不明的火山邻居,我们绝对不能视而不见。

今年(2021 年)八月初,有一篇发表在《自然通讯》(Nature Communications)的评论指出,过去以来,人们都只关注那些大规模的火山喷发,却忽视了即使是小规模的火山喷发,也有严重危害全球经济的风险,并把台湾大屯火山列入全世界 7 个最关键的要点之中。

评论的作者表示,台湾是台积电(TSMC)的所在地,而台积电负责供应全球高达 90% 最先进的晶片和节点,也是全世界技术与汽车行业的主要供应商,一旦大屯火山爆发,严重的火山灰和沉积物将会破坏全球的科技业与金融市场,带来惊人且可怕的连锁反应。

面对大屯火山的众多未解之谜与潜在风险,黄信桦认为,震波层析成像只能给我们空间的资讯,既然我们已经确认大屯火山底下拥有岩浆库了,接下来,科学家必须更进一步认识这位熟悉又陌生的朋友,像是岩浆库的特性、火山的定年、喷发周期、模拟喷发形式,甚至是防灾的疏散方案与宣导,都是我们需要努力的未来。

延伸阅读:

  • 古国廷(2019)。〈大屯火山群不可怕,可怕来自不懂它 — 专访林正洪〉,《研之有物》。
  • Huang, H. H., Lin, F. C., Schmandt, B., Farrell, J., Smith, R. B., & Tsai, V. C. (2015). The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust. Science348(6236), 773-776.
  • Huang, H. H., Wu, E. S., Lin, C. H., Ko, J. T., Shih, M. H., & Koulakov, I. (2021). Unveiling Tatun volcanic plumbing structure induced by post-collisional extension of Taiwan mountain belt. Scientific reports11(1), 1-10.
  • Lin, C. H. (2016). Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays. Scientific reports6(1), 1-9.
  • Mani, L., Tzachor, A., & Cole, P. (2021). Global catastrophic risk from lower magnitude volcanic eruptions. Nature Communications12(1), 1-5.

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
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