臺北大屯火山群：科研人員如何發現地底下有岩漿庫

火山蒸汽從岩石噴口翻騰而出，空氣中瀰漫刺鼻的硫磺味

蒸汽從岩石裂縫中翻騰而出，岩石被染成病懨懨的黃綠色。渾濁的水中冒著一團團氣泡，就像煮鍋沸騰。空氣中瀰漫著刺鼻的硫磺惡臭。

位於陽明山國家公園一部分的小油坑，與其他火山蒸汽噴口一起令人印象深刻。陽明山國家公園佔地 11，000 公頃（42 平方英里），可透過臺北市中心的遠足小徑抵達。

小油坑是公園內觀賞地熱的最佳地點——有地熱噴口（地球表面的天然地熱噴口，氣體像水壺噴口的蒸汽一樣逸出）和溫泉，距離最近的只有一米路徑的點。

幾十年來，臺北市民一直認為自己家門口有這樣一座備受矚目的國家公園是幸運的。地質學家知道公園內的大屯火山群約有20座山峰，但他們大多認為地熱噴口和溫泉只是歷史活躍地質的殘餘。由於沒有火山爆發的歷史記錄，基本觀點是火山群已經滅絕，不再構成威脅。

但在 2017 年 2 月，媒體報道了臺灣火山觀測站臺長林正宏最近的一篇論文，認為大屯下方有岩漿庫，是活火山的標誌。臺北市中心林立著摩天大樓、酒吧和餐廳，距離一座活火山僅 15 公里（9 英里），臺北和新北市的 500 萬居民很容易受到火山噴發的影響。在最壞的噴發情況下，熾熱的熔岩可能會吞沒山腳下的居民區，城市可能會被漩渦狀的火山灰雲籠罩。

臺灣政府迅速行動。首先，科學家們儘可能多地瞭解火山及其風險。然後，在 2018 年 5 月，政府委託其天氣預報機構中央氣象局與其他政府部門、科學家和官員合作開發預警系統。 2020年9月，該系統開始為公眾服務。

大屯火山爆發，臺北可能會火山灰籠罩

我們對陽明山火山狀況的瞭解，很大程度上要歸功於林正洪，他在過去的20年裡孜孜不倦地研究這些火山。近十年發表的有關臺灣火山的學術論文，大多是他的作品。正是他 2016 年的論文證明了岩漿庫的存在，才首次引起了政府對這個問題的關注。 “每個人都知道我研究火山，”他笑著說。

第一眼看到林正洪，還以為他是個笑眯眯的爺爺，手裡拿著一把巨大的黑色高爾夫球傘。在陽明山附近的大屯火山觀測站入口處，他在雨中的身影十分壯碩。

林正宏原本對地震感興趣，20年前轉向火山學，隨著一些新的研究，對大屯火山產生了興趣。這些研究表明，大屯可能根本沒有死。研究人員發現火山溫泉釋放的氣體有些奇怪——它們含有過多的氦 3，一種來自地球深地幔的同位素。科學家們認為氦是“極好的岩漿活動預警劑”，大量的氦 3 表明地下有火山活動。

2003 年，林正洪領導了一項小型研究，在公園各處放置了地震儀，這是調查火山狀況的標準方法。當地震儀記錄到表明該地區頻繁發生地震活動的奇怪訊號時，林感到驚訝。 “我以前從未見過這種波形，”林正紅說，他說日本有100多座火山，並將記錄傳送給日本的科學家同行。 “他們告訴我這是活火山的特徵，”林正洪說。越來越多的證據指向火山活動，儘管主流觀點仍未接受這一點。

臺灣地處環太平洋地震帶，每年有感覺的地震約1000次，感覺不到的還有數千次。林正宏利用這次強烈的地震活動，確定了地下發生了什麼。

他專注於地震產生的兩種特殊波形：主波（或P波，縱波）和橫波（或S波，橫波）。這些可用於檢測表面下方的任何液體區域（表明可能存在岩漿儲層），因為液體會阻擋 S 波並減慢 P 波。 100 多年前，科學家們用這種方法證明了位於地下 2，900 公里（1，800 英里）的地球外核是液態的。

林正紅確實注意到，大屯地震儀探測到的P波與公園其他地方的地震儀探測到的波相比有所延遲，而S波根本沒有到達，而S波在其他地震儀上都有。他的計算表明，在大屯火山群下方有一個岩漿儲層，在岩漿儲層上方有一個熱液儲層（由水和蒸汽組成）。

“這是活火山的關鍵證據，”他說。 “作為一名研究人員，我很高興我有證據，但另一方面，我擔心有一天我們可能會面臨災難。”

然而，對於居住在大屯山附近的居民來說，這一發現令人震驚。 Patrick Lu 是兩個孩子的父親，住在火山附近的天目地區。他還記得第一次聽到這個訊息時的感受。 “我非常害怕，”他回憶道。 “這怎麼可能？當我還是個孩子的時候，我們就被告知這是一座死火山。”

政府驚慌失措，要求林正洪團隊收集更多有關岩漿庫的資訊，以預測火山噴發的跡象和風險，這對於建立地面應急預警系統至關重要。林正宏團隊對岩漿庫瞭解得越多，就越有可能預測火山爆發的時間和地點。 “問題是我們不知道岩漿庫有多深、有多大；我們不知道確切的形狀，”林正洪說。

林正洪的團隊在臺灣北部建立了146個寬頻地震臺，記錄了來自各個方向的最多地震，包括本地地震和遠至日本和夏威夷的所謂遠端地震。

“我們需要收集數以萬計的詳細地震資料，從不同角度構建完整的資訊系統，”林正洪解釋說。幾年之內，他們得到了足夠的資訊和壞訊息：岩漿房比想象的更淺、更大；大致呈圓柱形，頂部離地 8 公里（5 英里），直徑約 12 公里（7。5 英里），高約 12 公里（7。5 英里）。

除了地震資料，林正紅團隊還開始監聽地下熱液異常，這是岩漿活動的早期預警訊號。岩漿房的持續熱量導致地下水或氣體透過岩石中的裂縫向上移動，直到它突破地表並進入大氣。在一次大型熔岩噴發中，還會噴出岩石、灰燼和其他碎片。

使用次聲感測器，該團隊捕獲了相距約 7 公里（4。3 英里）的兩個隕石坑之間的“對話”。您可以在此處收聽播放速度提高 100 倍的剪輯。林正洪說，這聲音“有點像頭頂上飛過的噴氣式飛機”，時而高音，時而低音。這可能是火山熔岩噴發的另一個證據。

2018年，政府對林正紅的發現十分關注，責令中央氣象局建立預警系統，林正紅領銜的大屯火山觀測站設計建設了對林正紅的實時監測預警系統。可能的火山爆發。同時，中央氣象局建立了與政府機構、城市官員和學術界合作的機制，根據預警資料做出決策，包括疏散。

氣象局建立了約40個密集觀測站，不斷向氣象局反饋資料。林正洪說，如果岩漿開始上升，會引發多次區域性地震，地震觀測網可以很容易地感知到。數量突然增加會觸發警報。

另外兩個關鍵資料來源是測地線（地球表面曲線的任何變化）和從隕石坑排出的氣體的數量和化學成分。林正紅團隊在大有坑和五嘴山最有可能噴發的火山點（最活躍的火山點）設定了10多個GPS站，持續監測附近溫泉和二氧化碳等混合氣體和同位素的濃度和密度。火山氣體出口和氦氣。

監控系統也符合全球標準。史密森學會的地質學家伊麗莎白科特雷爾說：“科學家經常檢測火山的地震活動、地殼變形和氣體排放的變化”以預測火山噴發。

當林正紅團隊在陽明山斜坡上架設裝置時，中央氣象局開始為預警系統提供後勤保障。氣象局地震中心研究員、林正洪前研究生濮新傑是預警小組成員。他記得當時他和同事感受到的壓力，因為他剛剛得知臺灣有火山爆發的危險。他說：“大屯火山群沒有現代噴發記錄，因此很難設計出適當的預警系統。”

地方政府也感受到了緊迫性。 2018年初，臺北舉行了全市首次火山噴發疏散演練，但當浦新傑和他的團隊在前幾周被命令啟動預警系統時，他們忘記了提醒公眾這次演習。市消防？？部門向居住在火山附近的居民傳送了簡訊警報，要求他們迅速撤離。事實上，這是一個測試演練，只是在簡訊末尾提到。當時的一篇新聞報道描述了公眾的恐慌，有人在網上發帖稱他們“被嚇壞了”。

在預警系統下，不同任務的“特遣隊”定期開會。如果他們認為資料顯示出火山活動的跡象，就會開始一系列會議記錄。首先，工作組將與專家委員會協商。如果火山噴發的證據繼續積累，中央政府、臺北市和新北市的政府官員都將進行干預。

與 2018 年的模擬演習一樣，簡訊可以告知公眾情況。臺灣人經常收到一些“總統級警報”，以應對常見的當地威脅，例如地震和颱風。警報也按顏色分級，1 級（綠色）表示“一切正常”； 2級（黃色），可能噴發的警告； 3 級（紅色），警告噴發已經發生或即將發生。濮新傑說，到目前為止，警戒級別從未超過綠色。

在濮新傑給我看的流程圖上，一切準備就緒。我問他，如果警告資料出現故障，這些會議程式需要多長時間才能啟動，他下意識地笑了。 “我認為很快就會，但我不確定，因為沒有先例。”

然而，任何預警系統要有效，就必須在災難發生之前捕捉到災難的預兆並提醒公眾。林正宏認為，以大屯火山群為例，臺灣火山觀測臺可以提前幾天甚至幾周預測任何火山活動。 “岩漿移動相當緩慢：噴發不會在一天內發生，可能需要一週甚至一個月的孕期，”他說。

但其他一些科學家告誡不要謹慎。考蒂爾說，噴發並不總是可以預測的。 “火山前活動和噴發之間的時間因情況而異，”她說。 “有些是幾分鐘，有些是幾年，這些科學家已經記錄了它們。”

臺灣國立中央大學火山學家 Kostas Konstantinou 參與了林正宏在大屯建立地震儀的早期工作。科斯塔同意，不可能確定大屯火山群會提前很久發出明確噴發的訊號。 “大自然不會按照你的規則行事，它有自己的規則，”他警告說。 “火山是非常複雜的系統，無論我們如何監測它，它仍然讓我們感到驚訝。”

曾在哥倫比亞卡爾達斯大學研究火山附近危險地帶的結構地質學家卡羅琳·懷特希爾（Caroline Whitehill）對此次噴發更為樂觀。 “火山預測的基調相當保守。換句話說，在大多數情況下，我認為可以提前幾周或幾個月預測它的噴發，”她說。

目前尚不清楚為什麼有些火山噴發會發出預警訊號而其他火山不會發出預警訊號，但可以肯定地說，如果大屯是那種發出預警的火山，那麼這個天文臺系統就可以說是最好的了。

林正洪說，他認為大屯山這輩子不太可能爆發。他認為未來幾十年熔岩噴發的可能性約為 1%，但警告說，水下蒸汽噴發（地下水或地表水與岩漿接觸，變成過熱蒸汽然後噴發）的可能性要大得多，為 10-20%。雖然潛水蒸汽噴發不如熱熔岩噴發發達，但它們仍然可能是致命的。 2014年，日本御嶽山火山爆發，造成60多名在附近徒步旅行的人死亡。

Kostad 將陽明山的熱液系統描述為像有蓋的鍋一樣沸騰。 他說，地震或山體滑坡可能會增加系統的壓力，以至於潛水爆發，岩石像子彈一樣飛出。 “危險是真實存在的，隨時可能發生。”

在 2018 年合著的一篇論文中，科斯塔德計算出，小油坑的遠足小徑和道路都在潛水蒸汽噴發可能使岩石鬆動的範圍內。 他警告說：“如果事故發生在週日，所有人都出去了，天氣很好，給火山口拍照，會有很多人傷亡。”

眾所周知，水下蒸汽噴發難以預測，但林正紅表示，使用傾角儀和其他儀器進行監測仍然有用。 傾角儀可以測量垂直高度的微小變化。 “如果我們檢視來自傾角儀、地球化學和次聲訊號的各種資料，我們仍然很有可能發現異常。””