本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
大屯火山群是活火山？噴發會有大災難？
2019 年 5 月 27 日，在大屯火山群觀測研究成果記者會上，中研院地科所研究員林正洪與研究團隊經過長期監測，認定大屯火山群及龜山島為活火山。消息一出，因大屯火山群緊鄰大台北地區，噴發是否會影響民眾安全引發熱議。但科學上如何證明大屯火山群是活火山？火山噴發會造成哪些災害？應該如何監測和預防？本文專訪林正洪研究員，一一來破解。
先來瞧瞧大屯火山群的範圍有多大！大屯火山群包含 20 多個火山體，如大屯山、七星山、紗帽山、竹子山和大尖山等。這些火山體緊鄰台北地區，其中天母、北投、士林皆位於山腳，即使台北市中心的 101 大樓距七星山也不過 15 公里。
大屯火山群七星山上的小油坑。
圖片來源│林正洪
早期學者認為大屯火山群最近一次噴發已超過 10 萬年，而且不再活動，應是休火山或死火山。
「但近年研究顯示：大屯火山群噴發紀錄應為 6 千年前，而且地底有岩漿庫，這些都可以證實大屯火山群是活火山！」林正洪表示。
如何判斷火山「是死是活」？
死火山，顧名思義它不再活動，即使曾經活動，也是發生在一、兩百萬年以前，甚至更久。
而活火山，如夏威夷的火山、日本阿蘇火山和櫻島火山，幾乎隨時在噴煙，甚至偶爾還有岩漿跑上來，就是現生的活火山。
但科學不能只用描述，所以還有兩個方式來判定：其一是「憑經驗」，研究火山 1 萬年內是否曾經噴發，其二是「看現象」，看看底下是否有岩漿庫。
所謂憑經驗，就像發生竊案，警察會先找這兩、三年犯過竊盜罪的人，而不是 30 年之前有前科的人。以火山來說，噴發的歷史紀錄就是火山的「前科」，可以作為評定標準；至於為什麼是 1 萬年，是沒辦法中的辦法，因為非得訂個標準。而在地質學研究中最年經之地層為全新世 （Holocene），是大約一萬年前開始沉積之地層。
再以現象來看，如果找到岩漿庫，也就是火山的「彈藥庫」，那麼不管過去有沒有噴發，就要把它歸為活火山。
科學界多用以上兩個標準，如果都符合，就更沒有質疑的空間。
過去認為大屯火山群是死火山，近年研究卻說它是活火山，這是怎麼回事呢？
判斷大屯火山群在 10 萬年前噴發，大概是 1980 年代的研究，那時多用鉀氬做岩石定年。這種定年方式，用來測量百萬年或億萬年尺度的現象，10 萬年是它的「最小刻度」。
換句話說，使用這種方法來做大屯火山群的定年，就像拿一把刻度很粗的尺測量，發現最小刻度內有東西，但已到極限無法再細看，只能說是 10 萬年。
直到 2011 年，中研院地科所同事陳中華和俄羅斯學者，將大屯火山群的火山灰拿去做碳十四定年。這種方式的「刻度」比較細，可以到千年、萬年。結果發現：大屯火山群最近一次噴發應該在大約 5 千到 6 千年前，符合 1 萬年內有噴發紀錄的活火山標準。
除了噴發紀錄，還有證據說明大屯火山群是活火山嗎？
火山地震波也能說明大屯火山群在活動。
大屯火山群的地震波，跟宜蘭、花蓮、嘉義的地震波很不一樣。宜蘭、花蓮地震是斷層錯動，就是岩層被扯斷造成的地震振動。這種振動就好像一把吉他的弦同時扯斷，高頻、低頻、中頻各種頻率都有。
但在大屯火山偵測到的火山地震，是單一頻率的水滴狀地震波，以及多個頻率共鳴的螺絲釘狀地震波。而不論是單頻或多頻火山地震，統統都是活火山才有的現象。
為什麼？因為活火山有熱量，可以產生高壓氣體或液體，當它們從地底沿著岩縫往上竄，因為岩壁長寬固定，就會產生特定頻率的振動，好像火山在「吹直笛」！因為這個原理就像吹直笛時按住特定的孔，形成固定長寬的空氣柱，就會吹出單一頻率的聲音。
反過來說，死火山沒有熱能，不能產生這些高壓氣體和液體。就像煮開水，瓦斯還在底下燒，蒸氣不斷往上冒，鍋蓋就會動、然後呼呼作響；如果把瓦斯關掉，沒有了熱源，水會慢慢冷掉，鍋子也就不再發出聲音。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安
除了火山地震，火山氣體氦同位素比例以及地殼變化，也都間接支持大屯火山群是有能量的火山，不是死火山，但最直接證據還是確認它底下真的有岩漿庫。
如何確認大屯火山群底下有岩漿庫？您是像電影一樣開潛艦鑽入地底嗎？
哈哈，現在的科學技術不可能帶人鑽進熾熱的地底，親眼證實岩漿庫的存在。我是用自己發明的「陰影法」，標定大屯火山群岩漿庫的位置和面積。
原理如下：在透明的盒子裡吊起一顆金球，假設盒子上方是北台灣地表，盒子裡的金球是岩漿庫。然後關上燈一片漆黑，看不見盒子裡的情況 （就像在地底一樣），盒子上方的人要怎麼知道金球的位置和大小呢？
攝影│林洵安
這時可以在盒子底下放手機，讓手機的光向上照，光被盒內金球擋住，盒子上方就會出現金球的陰影。如此一來，不但知道盒子裡有金球，還能從陰影推知金球的位置和面積。
當然，地底下不會有光源，但有和光波很像的地震波，可以形成另類的地震波「陰影」。
地震波怎麼取代光波呢？地底下一、兩百公里發生地震，就會發出地震波傳到地面。不過地震波中的 S 波，無法在液態物質中傳遞，所以當 S 波遇到液態的岩漿庫會被擋下來。
如下圖左邊的示意圖，地表的六個測站，發生地震時，黃色的地震觀測站因為位於岩漿庫正上方，接收不到 S 波，岩漿庫範圍以外的綠色測站才收得到 S 波。
於是，我就可以從哪些測站收到 S 波、哪些收不到，收不到的「陰影範圍」有多大，來估算岩漿庫的位置與面積了。
地震波的 S 波無法在液態物質中傳遞，P 波則是在液態跑比較慢。當它們穿過岩漿庫會造成 S 波陰影和 P 波緩達的現象，可用來推知岩漿庫的面積與大小。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安
不過 S 波陰影只能算面積，無法估計厚度，因為無論岩漿庫厚度多少，S 波統統會被擋掉，這時就需要 P 波了。
地震波中的 P 波 在固體中跑得快，液體中跑得慢。所以就如上圖右邊示意圖，同樣地表有六個測站，岩漿庫外的綠色測站會先收到 P 波訊號，岩漿庫正上方的黃色測站會晚一點收到。
而且岩漿庫越厚， P 波受阻礙的距離越長，黃色測站就越晚收到 P 波。因此從 P 波的延遲時間反推，就能估算出岩漿厚度。
根據估計，大屯火山群岩漿庫所在位置，大概在金山、萬里附近，面積約四分之一台北市行政區的大小，厚度約 4 至 10 公里。
如果大屯火山群噴發，會有哪些危害？
先來了解活火山噴發會有哪些危害。全世界標準的火山災害中，「熔岩流」算是大家最熟悉的，像電影中常看到岩漿從山上流下來。其實，熔岩流對人的生命威脅很小，因為它是慢慢滾過來，看得到也跑得掉。
但有一種跟它很像的「碎屑流」，才是真正可怕的火山殺手。當岩漿從火山口跑出來，碰到空氣時從液態變成固態，先在原地不斷堆疊增高，直到撐不住才轟然垮下……
在那一瞬間，溫度高達攝氏數百度的石頭和火山灰，以時速一、兩百公里的驚人速度向下俯衝。歷史上所有火山災害中，由碎屑流造成的死傷相當可觀，因為看到了大概也跑不了。
1984年，菲律賓馬榮火山的火山碎屑流。 圖片來源│維基百科
此外，還有「火山泥流」。當火山灰噴出後先堆積在山上，就像鋪上一層厚厚的灰。遇上降雨或颱風，灰變成泥巴，像土石流一樣沖刷下來。
當泥流沖進河谷，會把谷地填滿，之後降雨沒有河道可去，就會滿溢出來。這種災情菲律賓很多，每次颱風一來，村莊就會淹大水，持續二、三十年。
回到大屯火山群噴發可能造成的災害，主要看它噴發的量有多少。如果是小規模的火山灰和熔岩流，會影響山區周遭居民。
但我們強烈懷疑火山群裡的七星山可能會活動，屆時熔岩流、碎屑流、火山泥流會沿著磺溪，沖到北投、天母一帶，對當地造成衝擊。
若熔岩流和碎屑流等流到關渡大橋一帶，那裡的河口比較窄，如果堵住淡水河、基隆河道，河水流不出去，也可能造成災害。
這次研究提到龜山島也是活火山，規模如何？可能造成什麼災害？
根據火山灰定年，龜山島距今 7 千年內就噴發了 4 次，而且目前估算龜山島底下的岩漿庫，是大屯火山岩漿庫的 1.5 倍大，這些都符合活火山標準。
如果龜山島噴發，比較可能的災害是引發海嘯，將衝擊低淺、平坦的宜蘭平原。
若大屯火山群要爆發，多久前可以知道？平時該如何監測？
科學家和政府要預報火山即將爆發，只能根據火山的異狀。但從火山開始不安定，要等多久才會爆發就很難說了。有些火山一發現異常，一個禮拜後就噴發。但峇里島曾有火山撐了兩個月，日本的雲仙火山則撐了五、六年。
不過，民眾可以安心的是，很少火山從出現異狀到噴發短於一個禮拜的。換句話說，只要做好監測，至少有一週時間可以應變。
若要即時預警，就得仰賴平時監測，包括地表溫度、火山氣體、地殼變形和地震活動等方式。因為預測常要知道火山噴發的時間、大小和地點，我覺得透過地震監測相當有用。
目前在大屯火山群佈了 40 個地震站，螢幕上面每一條線就是一個測站。當火山要噴發前，岩漿會往上抬，或使周圍壓力增加，因此產生成千上萬的地震。
攝影│林洵安
我們可以從地震的位置，判斷哪裡的地底開始有岩漿活動，再由多少觀測站偵測到地震波，估計火山噴發的可能規模。
再來，從地震所在深度，估算目前岩漿離地表的距離和移動速度，例如岩漿跑到離地表 9 公里時，會在 9 公里附近產生很多地震；隔了一個禮拜，在 7 公里深處偵測到地震，代表岩漿在過去一周跑了 2 公里。
雖然時間和岩漿跑的距離，不一定是線性關係，但這些數據仍可提供科學家參考、評估火山噴發的可能時間，必要時通知政府撤離附近居民。
但就像是照片的像素越多，影像越清晰；地震測站要夠多，偵測解析度才會夠好。所以未來，我們將增加北台灣地震測站的數量，從原本的 40 個測站，擴大到 140 個，並在測站之間，每隔數十公尺布置一台簡易、小型的地動感測器，盡可能提高偵測的解析度。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安
這些年研究大屯火山有沒有難忘的回憶？
我過去不是火山學者，而是做傳統地震的，天天都在研究地震波。十多年前接觸到火山地震，發現世界上怎麼有我一輩子投入，也不曾見過的地震波。這就好像小孩子每天關在房間玩，一不小心打開門，發現外面的世界完全不一樣。
不過，十幾年前開始研究大屯火山群，除了我和少數學者，沒有人相信它是活火山。但我覺得做科學，最誘人就是你的興趣，如果是喜歡的東西，你會不計成敗榮辱去研究它。
火山地震就這樣一直吸引著我。即使現在手邊有很多事，但每天動不動就盯著地震波看。地震波對我來說，勝過所有一切。也因為在中研院工作，讓我無後顧之憂做自己喜歡的研究，才能「十年磨一劍」得到如今的研究成果。
如果下輩子還可以再回來，我也要回中研院。地球科學還是超吸引我，一輩子還是做不完，如果還有來生，Why not？
「地震波對我來說，勝過所有一切。」林正洪眼睛發亮地說：「地底就像一間黑漆漆的房間，每個地震波像是房內突然一次閃光，讓屋頂上 （地面） 的我們有一次機會窺探房內 （地球內部）的秘密。」
攝影│林洵安
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本文轉載自中央研究院研之有物，原文為大屯火山群不可怕，可怕來自不懂它 — 專訪林正洪，泛科學為宣傳推廣執行單位
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