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大屯火山群:幫火山把脈的地震監測
火山地區的地震監測就如同醫師為人的健康情況把脈一樣,分析火山地震波種種不同的脈象,不但可以充分了解火山的現狀,更可以達到再度噴發前提供預警的目標。
 
 
火山群(圖片來源:種子發)
▲火山群(圖片來源:種子發)

 
大屯火山群是台灣島上唯一有火山特徵的地區,雖然從未有火山噴發的紀錄,但地表火山活動的特徵還是非常明顯。因此,政府在民國100年成立大屯火山觀測站,專責監測火山再度活動的可能性並進行科學研究。

目前大屯火山觀測站的監測採用多種地球物理、地球化學及地質的方法,其中利用地震觀測的分析常可以提供可靠的火山噴發前重要的資訊,包括火山可能噴發的地點、大小及時間。

火山產生的過程

火山熔岩要在地球內部經過相當長的醞釀過程,才有機會形成地球表面火山噴發的現象。而且火山一般僅發生在地球上特殊的板塊構造地區,如中央脊、火山島弧、熱點等。

在這些地區,火山岩漿會慢慢從地球內部的地函往上升,並且聚集在上部地殼的岩漿庫中。隨著時間的累積,當岩漿庫的壓力增加到一定的程度時,部分岩漿就會開始快速往上流竄。爾後當火山熔岩到達地球表面時,就造成火山噴發。

預警的原理

當火山岩漿開始從岩漿庫往上竄升時,沿著火山熔岩通道附近的地殼常會因為壓力的改變造成岩石斷裂,產生許多地震。火山岩漿移動所造成的地震非常多,一天之內常可能成千上萬個。此外,隨著火山岩漿的上湧,地震的深度也會越來越淺,一直到火山熔岩噴到地表。
火山地震的種類與發生位置示意圖
▲火山地震的種類與發生位置示意圖

分析地震波的特性有時也可以清楚看到一些低頻率的特殊火山地震,主要是火山岩漿移動直接造成的。這種較低頻率的地震明顯與岩石斷裂所產生的高頻地震有所差別。

為了能在火山噴發前清楚觀測到可能的前兆,活火山地區大多會建立地震觀測網,並配合其他地球科學的方法,如地表變形、火山氣體、地熱等監測,以期發揮防災預警的功能。

地震網的建立

地震觀測網至少需包含4個以上的觀測站,才能有效計算地震的源頭。
大屯火山地震觀測網與地震定位示意圖
▲大屯火山地震觀測網與地震定位示意圖

每一個地震觀測站基本上有埋在地下的感應器、站內的記錄器、時間校正系統、電源等。再利用即時傳輸系統,把每一個地震站觀測到的資料傳送到研究中心或火山觀測站。最後進行火山地震波特性分析,包括P和S地震波的到達時間、初動方向、振幅大小、頻率組成等特性,計算出火山地震的來源(包括位置跟深度)、規模、震源的機制等。

地震定位的原理

火山地震震源位置的計算是火山監測最基本也是最重要的工作,震源位置的判斷主要是根據地震網中每一個地震站所記錄的地震波(P跟S波)先後到達的時間。

實際做法是,先在火山地區建立地震波的傳遞速度模式,且推測比較可能的地震發生位置。再利用電腦程式計算從假設的地震震源分別到每一個地震站所需要傳遞的時間,並與每個地震站觀測的地震波到達時間比較,經過重複的計算與修正,一直到觀測結果和理論計算兩者相差非常小時,就可獲得地震發生的位置與時間。

大屯火山群地震觀測

目前在大屯火山觀測站已經建構了一個包含20個寬頻地震站的觀測網,每一個地震觀測站都裝設一組三向量寬頻地震儀,因為地震波記錄的數位採樣高達每秒100點,它可以清楚記錄從很高頻(每秒數十次)到很長周期(30秒)的寬頻地震訊號。
地震站的主要儀器
▲地震站的主要儀器

從2004年開始至今,大屯火山地區已觀測到數千次的火山地震,主要分布在七星山與大油坑附近的淺部地殼,大部分的地震深度集中在5 公里以上的地層。地震規模一般小於1.0,偶爾有一些高達4.0或5.0的有感地震。

在過去的幾千次地震紀錄中,絕大多數的地震屬於構造型,也就是可以看到明顯的P與S波的地震,主要振動頻率每秒大約數次以上,通稱為A型火山地震。產生原因是火山地區壓力的改變造成岩石斷裂,和一般斷層帶產生的地震特性非常相似。

在以往幾千次火山地震的活動中,有時候可以辨識到一些群震,是火山或地熱地區常發生的。群震是指一群地震在短時間內發生在相近的地方,也有相似的地震規模,也就是沒有一個規模較大的主震,這是和餘震最大的差別。

大屯山地區每個月平均有100~200個左右的地震,但有時候幾天內可能高達數百個。例如2014年2月11日,士林地區發生規模4.2的有感地震,接下來的一個星期左右,大屯火山地區總共觀測到二百多個地震。雖然這些地震的個數明顯高於背景的地震活動,但並不代表是火山噴發的徵象。因為在真正噴發前,火山地震可能超過好幾千個。當然還要配合其他的地球科學觀測方法,才可以正確提供火山預警的判斷。
大屯火山地區每個月分累積的地震個數
▲大屯火山地區每個月分累積的地震個數

 
典型的火山地震

除了地震定位的基本工作外,分析地震波的時頻圖也是火山地震監測的重要工作,可以增加對火山活動與內部特性的了解。

大屯火山地區曾經發現一些非常特殊的火山地震,如火山顫動、單頻火山地震、多頻火山地震、低頻火山地震,以及超長周期火山地震。

火山顫動是火山地區最常觀測到的地表振動現象,一般無法辨識地震波的開始和結束。火山顫動可能持續幾分鐘,甚至長達幾個小時,可能與火山地區溫度造成的壓力變化有關,就如同沸騰的熱水持續造成的振動一般。

另外曾觀測到單一頻率所組成的火山地震,從這些地震訊號並無法判識其P與S波的到達,有別於構造型地震所產生的地震波。甚至有些單頻的地震,地震波的波包形狀類似水滴,振動時間很短,僅約10秒左右。根據其他國家的研究,這些單頻地震訊號產生的原因最可能是由液態或氣態物質共振所引起,也就是可能與岩層裂縫中液態或氣態物質突然增加或減少壓力所造成的振動有關。

大屯火山地區有過另一種更重要的多重頻率地震紀錄,分析這些地震訊號發現主要頻率是2~15 Hz,最大能量在2.1 Hz左右,這些訊號的頻率似乎成等差級數。因為這些多重頻率的地震波形的外觀類似螺絲釘,因此常以西班牙文的螺絲釘(tornillo)來命名。根據觀測經驗,這些螺絲釘狀的火山地震訊號很可能表示這座火山的活躍性很強。中美洲的一些火山噴發前,就常發現這些螺絲釘狀的地震紀錄。

低頻(B型)火山地震的頻率明顯比構造型地震的低。經由頻譜分析法,即快速傅利葉轉換法計算,可更清楚地看出這些地震訊號的主要頻率落在1.0 Hz附近。B型火山地震不是因為地層斷裂,而是火山地區液態或氣體的流動造成的,最典型的例子是1991年菲律賓的皮納土波(Pinatupo)火山噴發前,當火山岩漿開始往上竄流到地表時,清楚偵測到數百個B型火山地震。因此,低頻火山地震的辨識也是火山噴發前非常具代表性的觀測指標。

在許多活躍的活火山地區,偶爾可以發現一種振動周期非常長的火山地震,可能達到20秒或30秒,是超長周期火山地震,推測與火山地區的岩漿庫或地下熱水作用壓力改變有關。當地殼內火山岩漿庫上方高壓的氣體或液體經由岩石的裂縫或岩漿氣體通道釋放壓力時,這樣的作用可能傳到接近地表的岩層,進而產生明顯的地震。這類的地震除了包含較高頻率的訊號外,還會有因為岩漿庫體積或壓力的改變所造成的超長周期地震訊號。

岩漿庫的辨識

雖然對大屯火山底下火山岩漿庫存在與否仍然沒有直接的證據,但可以透過目前一些初步的觀察結果,間接推斷火山岩漿庫的可能存在。例如,地殼中地震波的低速帶可能是描繪火山岩漿庫位置最有效的方法。此外,利用S波無法在液態物質中傳遞的原理,證實火山岩漿庫的可能存在。

根據大屯火山地震網外的一個地震P波到時的先後,初步判斷大屯火山地區的地殼構造中可能有一個低速異常體。基本上,不同地震觀測站的P波到達時,非常清楚地可以分為兩群。有些地震站觀測的P波到達時,明顯比其他大部分的地震站慢,大約相差0.2~0.3秒,表示大屯火山群底下的地殼構造並不均勻,可能有低速異常帶。高溫的火山岩漿庫在地殼內呈現較低的震波傳遞速度,也就是低速異常帶。因此,地殼中地震波的低速帶可能是火山岩漿庫的位置。
大屯火山地區觀測到兩組先後到達的地震紀錄(左圖),以及地震波經過低速帶所造成的延遲現象示意圖
(右圖)
▲大屯火山地區觀測到兩組先後到達的地震紀錄(左圖),以及地震波經過低速帶所造成的延遲現象示意圖 (右圖)

 
此外,根據現有地震網記錄的地震波特性,初步推斷大屯火山群底下地殼中可能有一個高度非均性的異常體。從大屯火山群下方的一個深層地震所產生的地震紀錄發現,不同地震觀測站的地震紀錄明顯不同。

有些測站所記錄的,可以明顯判讀P與S波到達的時間,代表地震波沒有經過任何異常的構造。相反地,有一些測站的地震紀錄無法清楚地辨識S波到達的時間,可能意味著地震波經過一些特殊的構造異常區。特別是S波無法在液態的物質中傳遞,而火山岩漿庫基本上是由高溫液態的物質所組成,因此初步推斷大屯火山群底下可能有一個S波無法傳遞的異常構造體。
地震網觀測到明顯的 S 波(綠色區塊)與無法辨識S 波(黃色區塊)的地震紀錄(左圖),右圖是地震波穿過異岩漿體與否的示意圖。
▲地震網觀測到明顯的 S 波(綠色區塊)與無法辨識S 波(黃色區塊)的地震紀錄(左圖),右圖是地震波穿過異岩漿體與否的示意圖。

 
雖然根據一些初步研究結果,推斷大屯火山群底下可能有一個火山岩漿體。但更正確的位置、深度與大小,還需要更多的觀測與分析。

地球上曾經有過許多不同規模的火山災害,未來這些災害可以透過成熟的科技達到防災預警的功能。其中,地震觀測的研究常常可以提供可靠的火山噴發前的預警。

首先,火山噴發之前,火山岩漿開始移動時,火山地震的個數會明顯增加。由火山地震聚集的位置,更可以清楚地描繪火山可能噴發的地點與大小。當火山岩漿往上移動時,火山地震的深度也會明顯減少,如果仔細推算火山地震的移動速度,有助於判斷火山岩漿到達地面所需的時間。如此一來,針對火山噴發的地點、大小及時間,都可以透過快速的地震監測能力達到火山噴發前的預警功能。
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