火山:潛在性的活火山–大屯火山群

 
2009/05/07 曹恕中 | 經濟部中央地質調查所
大屯火山群靜靜地座落在臺北盆地的北方,是臺北人假日休憩旅遊的地方。 由竹子湖遠眺七星山和小油坑爆裂口 進入大屯山群,可驚覺大地的熱氣仍未停息;照片中是大油坑地熱區。 大屯火山群東側磺嘴山的三維光達數值地形模型,中央偏右上方有兩個火山口。 大屯火山群的光達數值地形模型。透過電腦數位處理,可精確地呈現火山錐、火山口、熔岩流等火山地形。
  • 大屯火山群靜靜地座落在臺北盆地的北方,是臺北人假日休憩旅遊的地方。
  • 由竹子湖遠眺七星山和小油坑爆裂口
  • 進入大屯山群,可驚覺大地的熱氣仍未停息;照片中是大油坑地熱區。
  • 大屯火山群東側磺嘴山的三維光達數值地形模型,中央偏右上方有兩個火山口。
  • 大屯火山群的光達數值地形模型。透過電腦數位處理,可精確地呈現火山錐、火山口、熔岩流等火山地形。
 
臺北盆地的北方聳立著一群山,地質學家稱為「大屯火山群」,大部分已劃為「陽明山國家公園」,成為著名的休閒遊憩景點,每逢假日都湧入大量人潮及車潮。進到了山裡,除了賞花及徜徉在山間的古道之外,便是欣賞火山活動的遺跡與享受全國獨有的硫磺溫泉,這都是拜數十萬年前火山活動形成的景觀與地熱所賜。

大屯火山群的岩漿噴發活動大約在 10 至 20 萬年前就停止了,然而地熱現象仍持續至今。豐沛的溫泉及旺盛的噴氣孔露出於大屯火山群的中央地帶,大致呈東北往西南延伸的帶狀分布。著名的地點由位於北投的地熱谷開始,往東北經硫磺谷、龍鳳谷、中山樓、小油坑、馬槽、大油坑、八煙、火更子坪、死磺子坪,到台北縣的萬里和金山。高溫的蒸氣和濃濃的硫磺氣味提醒穿梭的遊客,這裡地殼深處是否有一個仍然活躍的岩漿庫提供熱源和氣體?未來是否可能再噴發岩漿?

臺灣與鄰近國家如日本、菲律賓、印尼,以及遠至南北美洲西側的美國、加拿大、墨西哥、智利等,都屬於「環太平洋火環」的一部分。稱為「火環帶」,是因為這些國家都分布有十數個到上百個的活火山,在人類歷史上或近數十年中,都有火山噴發活動與引起災害的事實。同樣位處火環帶上,臺灣的大屯火山群沉寂了一段遠超過人類歷史的時間。

舉世聞名的美國黃石國家公園所在地,是一個「超級活火山」。公園內和四周區域,近 200 萬年前的第四紀地質時代形成的火山岩占地約 1 萬 7 千平方公里。火山活動大約從 200 萬年前開始,經歷了 3 期巨大規模的噴發活動,造就了 3 個巨型「陷落火山口」(caldrea)。最近的噴發約在 7 萬年前停止。

「黃石火山」並不在火環上,而是屬於地殼的「熱點」(hot spot),岩漿會陸續補充。雖然它已 7 萬年沒有岩漿噴發活動,但是地熱和地震的跡象顯示,未來仍然會活動。因此美國地質調查所結合了猶他大學和黃石國家公園,共同成立黃石火山觀測所,持續密切監測火山活動徵兆。此外,每年公園區內 1 千至 3 千個微震,也提供了科學家進行地震定位、震波速度計算、震波全像攝影分析等研究。目前已經模擬出震波低速區和岩漿庫的深度與形貌,並證明了岩漿庫的存在與可能的活動型態。

讓我們來檢視大屯火山群的各種特徵。近年來,引進了空載光達(airborne LIDAR)技術,利用直升機由空中進行密集的雷射掃描與全球衛星定位,再配合數位處理去除地面上建物和植物覆蓋的影響,得以建立大屯火山群的高解析度數值地形模型。我們不僅能觀察到地面的起伏,也因此重現大屯火山群的真實面貌。

以高解析數值地形判識,火山錐、火山噴發口、熔岩流(lava flow)、陷落火山口的環形特徵等地形一一呈現。大屯火山群的火山噴發口多達 50 個,比以往所知多了 1 倍。這些完整的火山地形表示大屯火山群還很年輕,即使在多雨氣候環境的臺灣,仍然未被侵蝕破壞。

一般相信大屯火山群非常年輕,但是到底有多年輕?由於年代測定方法本身的限制,以及適當的定年樣本難尋,到今天還一直沒有確定的答案。但根據鉀氬同位素定年,大屯火山群地表的安山岩年代多集中於 80 萬到 10 萬年前。此外,臺北盆地最上層的「松山層」,也發現疑似火山灰的顆粒及其轉化的黏土礦物。如果這些物質能證實是空降的火山灰,那麼大屯火山群至少在 2 萬年前仍有噴發活動。

近年來對大屯火山群的研究有兩個很重要的發現。其一是火山噴氣的氦同位素(3He∕4He)分析,顯示有很高比率的氦氣是由岩漿釋放出來的,和鄰近國家日本、菲律賓的活火山氦同位素比值非常接近。另一發現則來自微震分析。長期以來,大屯火山群附近有相當多的微震(規模 <3.0),尤其集中在七星山—大油坑一帶。

這些密集的微小地震在記錄儀上所表現的波形和頻率,和一般斷層作用引起的地震訊號有很大的差異,反而與許多活火山地區因岩漿或熱液在裂隙中遷移引起的「火山地震」訊號有相同的特性,例如群震、長周期振動、長時微振動等。這兩項訊息都反映了地下可能有岩漿庫存在。

以大尺度來看,臺灣的大地構造環境是否有岩漿生成的條件?環太平洋火環位在隱沒板塊的上方,岩石熔融後匯集成岩漿庫向上爆發,形成「島弧火山」。臺灣東部因歐亞大陸與菲律賓火山島弧碰撞,板塊隱沒作用微弱,火山活動也停息。北臺灣的大屯火山群卻位於菲律賓海板塊向北的隱沒帶上方,屬於島弧火山。

但是火環帶上近代持續噴發的活火山分布卻由日本略過了臺灣,直接到菲律賓、印尼。臺灣為什麼如此幸運?其實北臺灣除了有板塊隱沒作用之外,還有沖繩海槽的擴張作用與之重疊,導致北臺灣地殼深處的構造系統複雜化,可能因此擾亂了岩漿的遷移與匯集,島弧火山活動因而中斷。那麼要如何了解地下深處岩漿庫的狀況呢?

要看地殼深部的構造,目前只能依賴地震紀錄。就像以超音波或X光等檢查身體內部一樣,科學家可以觀察地震波通過地球內部的路徑與速度變化,再透過數學計算模擬,了解地殼或地函內不同密度物質的分布、界面和深度。一般而言,地震波會以高速通過高密度的地殼和地函,如果碰到低密度的液態物質,就會產生低速區,如黃石火山區就是一個例子。

由研究地震波速度的變化發現,北臺灣地殼下 10 到 15 公里深處,可以圈繪出震波低速區,表示可能有熔融物質存在,但是目前還是大區域的研究結果。這些物質細部的特性,例如範圍、形貌和可能的遷移管道,還需要更多紀錄和更精密的分析才能確定。

究竟大屯火山群算不算是活火山呢?各國科學家經過研究火山長期噴發歷史後發現,若只根據噴發時間,無法明確定義活火山。於是國際火山學會在 1994 年發展出「現象定義」:若能偵測出火山地區地底下仍有岩漿庫存在,就認定是活火山。其中更細分一類為「潛在性活火山」(potentially active volcano),也就是說,這一類的火山可能是「休眠火山」,但未來趨向於噴發;也可能是一座很年輕的「死火山」,岩漿庫正趨向於冷卻衰減。

綜觀上述的種種地質現象與特性,大屯火山群下方地殼內很可能有岩漿庫存在。由於沖繩海槽的張裂作用導致北臺灣的大地環境由壓縮轉為張裂,未來會讓岩漿庫逐漸縮減,或會因地殼張裂變薄與裂隙增加,反而促使岩漿生成和上湧呢?以目前的資料尚無法判斷。因此,大屯火山群目前可以定義為「潛在性活火山」。

為解疑惑,經濟部中央地質調查所委託臺灣大學和中央研究院持續合作進行大屯火山群活動的調查與監測。除了藉由地表地質調查及鑽探研究火山活動歷史之外,同時定期分析記錄火山氣體及溫泉成分、井下地溫等,以建立「背景值」及監看「異常值」,評估火山再活動的可能性。此外,也在大屯火山群和臺北盆地廣布地震網,長期蒐集微震紀錄,希望藉由震波特性及震波全像攝影技術,探索深部地殼和板塊構造,進而模擬出地殼內岩漿庫的空間分布及地下裂隙系統。

大屯火山群之下的地殼雖然極可能有岩漿庫,但是到目前為止,還沒有發現因岩漿向上移動而引發地表隆升變形的現象,溫泉與氣體成分及地表溫度都尚稱穩定,表示岩漿庫相當深或沒有向上遷移的跡象。因此大屯火山群並不像其他國家的活火山一般,有立即噴發的威脅。根據大地構造環境和地震波訊息,北臺灣是有岩漿生成的條件,但是否會重新匯集到大屯山群之下呢?對此,仍然欠缺更精密的科學數據,有待國內學者專家在未來幾年內共同努力。

火山噴發的破壞力量雖很可怕,偏偏它又會帶來肥沃的土壤,吸引人類群聚謀生。幸運的是,火山噴發前的徵兆要比地震明顯許多,前兆顯現的時間由數日到數月,足可讓人們從容地避難。足夠的科學資料是評估火山活動與擬定對策的基礎。
 
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