火山:聽診大屯火山群的微震

 
2009/05/07 林正洪 | 中央研究院地球科學研究所
大屯火山群與臺北盆地的地理位置 連續爆發性高頻火山地震訊號 岩漿庫附近可能產生的高頻、單頻、多頻、低頻及超長周期的火山地震波產生位置。 火山是一個大家熟悉又害怕的大自然景觀。火山是如何形成的?地球上哪裡會有火山?能否為火山活動把脈?
  • 大屯火山群與臺北盆地的地理位置
  • 連續爆發性高頻火山地震訊號
  • 岩漿庫附近可能產生的高頻、單頻、多頻、低頻及超長周期的火山地震波產生位置。
  • 火山是一個大家熟悉又害怕的大自然景觀。火山是如何形成的?地球上哪裡會有火山?能否為火山活動把脈?
 
火山活動的微震

人類已經歷多次火山噴發,並遭受重大災害,但至今仍有許多活火山蠢蠢欲動,俟機再對人類造成傷害。小規模的火山噴發也許僅造成附近環境的破壞,大規模的火山活動則可能影響全球的氣候與生態,甚至造成生物滅絕。因此對具有威脅性的活火山進行監測與研究,是一項重要的工作。

火山噴發之前,地下岩漿會先聚集成庫。火山噴發的時間與規模,依岩漿庫的大小及壓力而定。大多數岩漿庫位於上部地殼,當其壓力夠大時,岩漿逐漸往上湧升,地表會有明顯變形,同時伴隨許多微小的地震。這些現象經由地震網的觀測,可用以預估火山噴發的時間。例如 1991 年菲律賓呂宋島西部的皮納土坡(Mt. Pinatubo)火山爆發前,微震監測成功地預測了噴發的時間,並順利撤離附近美國空軍基地的所有飛機,拯救了無數的生命與財產。

大屯火山群

臺灣雖然位於「環太平洋火環」上,但本島的火山活動除北部的大屯火山群外並不活躍。這情形與臺灣島附近其他火山島弧非常不同,例如北方的日本及南方的菲律賓與印尼等地區,就經常有強烈的火山噴發。雖然如此,一般相信大屯火山群的成因與環太平洋的其他火山活動相似,應與板塊的隱沒作用明顯相關,也就是說大屯火山群的生成與菲律賓海板塊在臺灣東部外海往北隱沒有關。

大屯火山群在歷史上沒有任何噴發的紀錄,地質研究顯示最近一次的噴發大約在一、二十萬年前,因此大屯火山群常被認為是休眠火山或是死火山。然而,其地表的地熱活動仍然極為明顯,例如大油坑、小油坑、火更子坪等地都有很強烈的溫泉與硫氣噴孔等。此外,根據噴氣所含氦的同位素分析,顯示部分噴氣來自岩漿。

這些地表地熱活動與地球化學分析資料,都強烈暗示臺灣北部大屯火山群底下有岩漿庫的可能。大屯火山群緊臨臺北盆地北方,因此大屯火山群是否會再噴發,不僅是一個值得研究的科學問題,更關係著大臺北地區民眾的生命財產安全。

微震監測

精密地震網是觀測火山活動非常有效的方法。為了進一步了解大屯山的火山活動,自民國 92 年起,中央研究院地球科學研究所在國科會與陽明山國家公園的資助下,在大屯山地區建立了一個小型精密地震觀測網,測量微小地震的時空分布,並由地震波形辨識地震震源的種類,探討是否有岩漿活動造成的地震。

根據過去幾年的觀測與分析結果,發現除了七星山及大油坑附近最上部的地殼中有許多微震外,更記錄到多種特殊的地震訊號,例如類似螺絲釘狀與單頻水滴狀的地震波形,及連續爆震型的活動。以下簡單說明主要的監測成果。

首先是有關微震空間分布的監測成果。過去 5 年大屯火山地區內大多數微震,都分布在七星山及大油坑附近的淺部地殼,深度都小於 5 公里。這些微震由非常複雜的多種頻率訊號組成,但P波與S波的到達時間都可清楚地辨識。這種密集微震的現象與其他地區活火山的微震活動非常類似,如日本的櫻島火山、雲仙火山等,顯示大屯火山底下可能有顯著的高能量熱源。

其次是單頻火山地震訊號的發現。由微震監測網的連續紀錄,可發現一些波形非常特殊的地震訊號,其波包類似水滴狀,振動時間很短,僅約 10 秒,無法判識這些地震訊號P波與S波的到達時間,因此應該是有別於斷層錯動產生的地震波。

此外,這些水滴狀地震訊號的頻率也很特殊,主要頻率落於 3.4 赫茲(Hz)附近,與一般樂器產生的單一音階振動相似。根據其他國家的觀測經驗,認為這些單頻水滴狀地震訊號的產生,很可能是由岩層裂縫中液態或氣態物質共振所引起的。因此,研究人員判斷可能與岩層裂縫中的液態或氣態物質突然增加或減少壓力導致的振動有關。

除了上述單頻火山地震訊號外,也發現外觀類似螺絲釘的地震波形,火山地震學家一般以西班牙文的螺絲釘(Tornillos)稱之。這些螺絲釘狀的火山地震訊號的振動時間可長達數十秒,明顯大於單頻水滴狀火山地震訊號。

仔細分析這些螺絲釘狀的火山地震訊號,可清楚發現2到15 Hz中有好幾個特殊的頻率。訊號中最大能量落在 4.2 Hz 左右,其次是 2.1 Hz、6.3 Hz、8.4 Hz 及 10.0 Hz。比較這些訊號的頻率,約略成等差級數,這特性類似樂器的和弦音效。根據一般火山地震觀測的經驗,這些螺絲釘狀多頻的訊號極可能表示火山很活躍。中美洲有些火山噴發前,常可發現這些螺絲釘狀的地震紀錄。大屯山地區也有類似的地震波形,值得注意與深入探討。

研究另發現一種更為強烈且連續性的爆發性高頻火山地震訊號,這種持續超過 20 分鐘的火山地震訊號,由一百多個連續發生的爆發性震動組成。仔細分析每一個振動紀錄,可清楚判識其P波與S波到達時間。連續爆發式火山地震活動,經過仔細分析後,其震源大約位於大油坑下方的岩層內。

根據大屯山地區地震觀測網記錄的上述多種火山特性的地震訊號,包括高頻、單頻、多頻等火山地震訊號,顯示該地區的淺部地殼中存在著明顯的地熱來源。這些地熱可能主要來自位於七星山與大油坑間的淺部地殼,也許就是岩漿庫。

若大屯山底下真有岩漿庫存在,則依據這些有限的地震觀測資料,推斷其深度並不太深,可能約為 8 公里左右。但是岩漿庫的存在與否,必須蒐集更多的資料才能確認。無論如何,大屯火山群未來的火山活動性,應可繼續透過長期微震觀測而得知。

利用現代化的科技對具有威脅性的活火山進行監測與研究,是一項重要的防災工作。大屯火山群是臺灣島上唯一有潛在活火山特徵的地區,雖然在歷史上並無噴發紀錄,但是地表地熱及微震活動還是很旺盛,微震現象也與國外活火山地區所觀測到的岩漿活動類似,值得進一步探討與監控。
 
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