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」

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。