台北大屯火山群：科研人員如何發現地底下有岩漿庫

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。空氣中彌漫著刺鼻的硫磺惡臭。

這片陰森景色位於小油坑，屬於陽明山國家公園，和其他火山蒸汽噴口一起，都令人印象深刻。陽明山國家公園佔地11000公頃（42平方英里），由台北市區的徒步旅行路線可到達。

小油坑是公園內觀看地熱的最佳地點——有地熱口（地球表面的自然地熱噴口，氣體像水壺噴口的蒸汽一樣逸出）和溫泉，距離步道小徑最近處只有一米。

幾十年來，台北市民都認為，家門口有這樣一個引人關注的國家公園是他們的幸運。地質學家知道，公園裏的大屯火山群有約20座山峰，但他們大多認為地熱噴口和溫泉只是歷史上地質活躍的遺跡。由於沒有火山噴發的歷史記錄，基本觀點是，該火山群為死火山，不再構成威脅。

但2017年2月，媒體報道了大屯火山觀測站（Taiwan Volcano Observatory）主任林正洪最近發表的一篇論文，認為大屯地下有一個岩漿庫，這是活火山的標誌。台北市中心，摩天大樓、酒吧和餐館林立，距離活火山僅有15公里（9英里）之遙，台北市和新北市500萬居民很容易受到火山爆發的影響。在最糟糕的噴發情況下，熱熔岩可能吞沒山腳下的居民區，城市可能被盤旋的火山灰雲所籠罩。

台灣政府迅速採取行動。首先，科學家們盡可能多地了解火山及其風險。之後，2018年5月，政府委託其氣象預報機構——中央氣象局協同政府其他部門、科學家、官員，制定了一個早期預警系統。2020年9月，系統開始為公眾服務。

我們對陽明山火山狀況的了解要歸功於林正洪，他在過去的20年裏一直努力研究這些火山。過去的十年裏發表的有關台灣火山的學術論文，大部分都是他的成果。正是他在2016年證明岩漿庫存在的論文，第一次讓政府開始關注這個問題。「大家都知道我是研究火山的，」他笑著說。

我第一眼看到林正洪，覺得他就像是一位微笑和藹的爺爺，手裏拿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門口，他在雨中的身影很矯健。

林正洪最初是對地震感興趣，但在大約20年前轉向火山學，他因一些新研究對大屯火山產生興趣。這些研究表明，大屯火山可能根本沒有死亡。研究人員發現火山溫泉釋放出的氣體有些奇怪——它們含有太多的氦-3，這是一種來自地球深處地幔的同位素。科學家們認為氦是「岩漿作用的極好示警劑」，如此多的氦-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，這是調查火山狀態的標凖方法。地震儀記錄下奇怪的信號，顯示該地有頻繁的地震活動時，這讓林感到很驚訝。「我以前從未見過這種波形，」林正洪說日本有100多座火山，他把記錄送到日本同行科學家那裏，「他們告訴我，這是活火山的特徵，」林正洪說。指向火山活動的證據越來越多，儘管這仍無法被主流觀點認同。

台灣地處環太平洋地震帶，每年大約有1000次有感地震，還有數千次無法感覺到。林正洪利用這種強烈的地震活動判斷地層下正在發生什麼。

他專注於由地震產生的兩種特殊波形：主波（或P波，縱波）和剪切波（或S波，橫波）。這些可以用來探測地表下的任何液體區域（表明可能存在岩漿庫），因為液體會阻擋S波，減緩P波。100多年前，科學家們用這個方法證明了地下2900公里（1800英里）深處的地球外核是液體。

林正洪確實注意到，與公園其他地方的地震儀檢測到的波相比，大屯地震儀檢測到的P波被延遲了，而S波根本沒有到達，而其他地震儀上都有出現S波。他的計算認為大屯火山群下面有一個岩漿庫，岩漿庫之上有一個熱液儲層（由水和蒸汽組成）。

「這是證明活火山的關鍵證據，」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，這些發現令人震驚。帕特里克·盧（Patrick Lu）是兩個孩子的父親，住在火山附近的天母區。他還記得第一次聽到這個消息時的感受。「我當時非常害怕，」他回憶道。「這怎麼可能？當我還是個孩子的時候，我們就被告知這是個死火山。」

政府感到震驚，因此要求林正洪團隊收集更多關於岩漿庫的信息，以便預測噴發的跡象和風險，這對建立地面緊急預警系統至關重要。林正洪團隊對岩漿庫了解得越多，就越可能預測何時何地會發生噴發。「問題是我們不知道岩漿庫有多深，有多大；我們不知道具體的形狀，」林正洪說。

林正洪團隊在台灣北部設置了146個寬帶地震觀測站，以記錄來自各個方向的最大地震數量，包括本地地震和所謂的遠程地震——遠至日本和夏威夷的地震。

「我們需要收集成千上萬的地震詳細數據，從各個不同的角度來構建一個完整的信息系統，」林正洪解釋說。不到幾年，他們就掌握了足夠的信息，是個壞消息：岩漿庫比想象的要淺，也要大；形狀大致為圓柱形，頂部距地面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）。

除了地震數據，林正洪團隊還開始監聽地下熱液異常，這是岩漿活動的早期預警信號。岩漿庫持續不斷的熱量導致地下水或氣體通過岩石縫隙向上移動，直到衝破地表，進入大氣。在大型熔岩噴發中，岩石、火山灰和其他碎片也會噴射出來。

利用次聲傳感器，研究小組捕捉到了兩個相距約7公里（4.3英里）的火山口之間的「對話」。你可以在這裏聽一段100倍加速播放的片段。林正洪說，這種聲音「有點像頭頂上飛過噴氣式飛機」，有時音調很高，有時音調很低。這可成為火山熔岩噴發的另一種證據。

2018年，政府非常關注林正洪的發現，命令中央氣象局成立一個早期預警系統——大屯火山觀測站，由林正洪領導、設計和建立一個系統，進行實時監測，並對可能的火山爆發進行預警。同時，中央氣象局建立一套機制，與政府機構、城市官員和學者合作，根據預警數據做出決策，包括進行人員疏散。

氣象局建立了大約40個密集的觀測站台，不斷向氣象局反饋數據。林正洪說，如果岩漿開始上升，將觸發多點局部震動，這些震動很容易被地震觀測網感知。數量的突然增加會觸發警報。

另外兩個關鍵的數據來源是測地線（地球表面曲線的任何變化）和從火山口排出的氣體量和化學成分。林正洪團隊已在最可能爆發的大油坑和磺嘴山（火山活動最活躍的地點）設置了10多個GPS站點，持續監測附近溫泉和火山氣體出口混合氣體和同位素的濃度和密度，如二氧化碳和氦。

以全球標凖衡量，監測系統也是相當標凖的。美國史密森尼學會（Smithsonian Institution）的地質學家伊麗莎白·考垂爾（Elizabeth Cottrell）說：「科學家通常探測火山的地震活動、地殼變形和氣體排放變化」，來預測火山爆發。

當林正洪團隊在陽明山斜坡上架設設備時，中央氣象局開始為預警系統提供後勤保障。蒲新杰是氣象局地震中心的研究員，也曾是林正洪的研究生，就是這個預警團隊的一員。他還記得當時他和同事們所受到的壓力，因為剛剛了解到台灣有火山爆發的危險。「大屯火山群沒有噴發的現代記錄，因此很難設計適當的早期預警系統，」他說。

地方政府也感受到了這種緊迫。台北在2018年初舉行該市有史以來首次火山爆發撤離演習，但之前幾周當蒲新杰和他的團隊接到啟動早期預警系統的命令時，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發送了短信警報，要求他們迅速撤離。事實上，這是測試演習，只是在短信的最後才提到。當時的一篇新聞報道描述了公眾的恐慌情緒，有人在網上發帖說他們「被嚇壞了」。

在預警系統下，不同任務的「特別工作組」定期召開會議。如果他們認為數據顯示了火山活動的跡象，一系列會議程序就開始了。首先，工作組將與專家委員會進行磋商。如果火山噴發的證據仍在不斷累積，中央、台北市和新北市的政府官員都將介入。

如2018年的模擬演習一樣，短信可告知公眾狀況。台灣人經常收到一些「總統級警報」，以應對當地常見的威脅，比如地震和颱風。警報還以顏色劃分等級，1級（綠色）表示「一切正常」；二級（黃色）預警火山噴發可能發生；3級（紅色），警告噴發已經發生或即將發生。蒲新杰說，到目前為止，警報水平還從未超過綠色。

蒲新杰給我看的流程圖上，萬事俱備。我問他，如果預警數據出現異常，所有這些會議程序啟動需要多長時間，他下意識地笑了。「我認為會很快，但我不確定，因為尚無先例。」

然而，任何預警系統若有效，必須在災難發生之前捕捉到災難先兆並提醒公眾。林正洪相信，以大屯火山群為例，台灣火山觀測站能夠提前幾天甚至幾周預測任何火山活動。「岩漿運動相當緩慢：火山噴發不會在一天內發生，可能需要一周甚至一個月的醞釀期，」他說。

但其他一些科學家提醒需謹慎行事。考垂爾說，火山爆發並不總是可以預測。她說：「從火山前期活動到火山爆發之間所需時間，各個案例的差距很大。有的只有幾分鐘，有的需要幾年，這些科學家都有記錄。」

台灣國立中央大學的火山學家柯士達（Kostas Konstantinou）參與了林正洪在大屯設置地震儀的早期工作。柯士達同意，不可能確定大屯火山群會提前很長時間發出明確的噴發信號。「大自然不按你的規則行事，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，它仍然會讓我們大吃一驚。」

曾經在哥倫比亞卡爾達斯大學（University of Caldas）研究過火山附近危險區的結構地質學家卡羅琳·懷特希爾（Caroline Whitehill）對火山爆發的預測更加樂觀。她說：「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其爆發。」

目前還不清楚為什麼有些火山爆發會發出預警信號，而另一些則不會，但可以肯定的是，如果大屯火山是那種能提前預警的火山，那麼這座觀測站系統就差不多是目前條件下最優的了。

林正洪說，他認為大屯山不太可能在他有生之年爆發。他認為未來幾十年發生熔岩爆發的可能性約為1%，但他警告說，潛水蒸汽噴發（地下水或地表水因為與岩漿接觸，轉為過熱的蒸汽而後噴發）的可能性要大得多，為10-20%。雖然潛水蒸汽噴發達不到熾熱熔岩噴發的等級，但仍然可能是致命的。2014年，日本御嶽山火山爆發，導致60多名在附近徒步旅行的人死亡。

柯士達描述陽明山的熱液系統就像一個蓋著的鍋在沸騰。他說，地震或山體滑坡都可能會導致該系統的壓力加劇，以致潛水噴發，岩石會像子彈一樣飛出來。「危險是真實的，而且隨時都可能發生。」

在2018年一篇共同撰寫的論文中，柯士達計算出，小油坑的徒步小徑和道路都處於可能潛水蒸汽噴發致使岩石鬆動的範圍內。他警告說：「如果事故發生在周日，所有人都外出，天氣很好，在拍攝火山噴發口的照片，傷亡將會很多。」

眾所周知，潛水蒸汽噴發很難預測，但林正洪說，使用傾斜儀和其他儀器進行監測仍然有用。傾斜儀可以測量垂直高度的微小變化。「如果我們關注傾斜儀、地質化學和次聲信號等各種數據，我們仍然有很大的機會探測到異常。」

「理論上，我們都有勝算，」蒲新杰說。「但在真實的情況下，不確定。」

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