地球科學園地

一九九八◆十二月冬季

《第八期》

 

 

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大屯火山群會不會再噴發

宋聖榮/台灣大學地質科學系

 

圖一
《圖一》日本雲仙火山(Mt. Unzen)1991年噴發實景。

  大屯火山群的火山會不會再噴發,一直是鄰近台北盆地的居民所關切的問題。一九九一年五月日本九州的雲仙火山噴發(圖一),造成兩位有名的法國火山學家、多位日本記者,以及約三十名民眾的死亡;同年八月菲律賓呂宋島中部的皮納吐坡火山噴發,雖沒有人員傷亡,但破壞鄰近的建築物,造成大量財產損失。台灣民眾擔心,同樣位於環太平洋火山圈的這兩座火山是否會造成連鎖反應,引發台灣火山的噴發。

 

什麼條件下會產生火山活動?

  地球上不論是建設性板塊邊緣、破壞性板塊邊緣或是板塊內部環境,都必須具備下列條件才會產生火山活動:

  a. 適當的地體構造環境。
  b. 地面深處有岩漿的形成。
  c. 地殼處有岩漿庫的存在。
  d. 岩漿能上升至地表噴發。

  大屯火山群的形成模式,有因菲律賓海板塊隱沒入歐亞大陸板塊之下所形成的火山,或因北呂宋火山島弧和歐亞大陸板塊邊緣碰撞後,地殼崩解張裂作用所形成的火山,兩者模式都具有適當的地體構造環境和岩漿的形成。而大屯火山群以前也曾經噴發過,現在大地構造的作用是屬於張力的環境,岩漿易上升至地表,唯一較不確定的是大屯火山群底下是否有岩漿庫的存在。

 

如何偵測地底下是否有岩漿庫的存在?

  如何偵測地底下是否有岩漿庫的存在,一直是火山學家努力和關切的問題。要瞭解此一問題,就要從岩漿的性質與組成著手,圖二是岩漿庫在地底深處可能具有的現象。

圖二
《圖二》火山噴發前岩漿活動可能的前兆。

  岩漿在上升過程中,會對周圍地層造成擠壓而破裂,因此會在火山的周圍發生地震。岩漿上升未噴出地表前,必須有空間容納它們的入侵,所以地表因此會產生膨脹變形。

  岩漿是一種高溫的液體,比周圍岩層的溫度高出許多,且會持續放出熱量,因此地底下有岩漿庫的地方,其周遭地表的溫度會升高,常在地表形成噴氣孔或溫泉。

  一般的岩漿常含有H2O、H2S、SO2、SO3、CO2及稀有氣體(如He、Ne)等火山氣體,在地底深處壓力較高時,這些氣體溶於岩漿中,等到岩漿上升到較淺處,壓力變小時,氣體會從岩漿中釋放出來而逸出地表。

  因此當地底下有岩漿庫時就會有地震、地表變形、較高熱流以及火山氣體逸出等現象。

 

大屯火山群底下是否有岩漿庫存在的現象?

a. 地震

  台灣北部地區的微震觀測網觀測結果顯示,大屯火山群附近,地底下有相當豐富的微震發生(圖三),尤其集中在馬槽地區底下,其地震規模常小於3.0。但一九八六年,在陽明山竹子湖地區曾經發生規模超過5.0以上的地震,不僅將陽明山原有的花鐘震垮,地震過後不久,馬槽地區更發生大規模的山崩,形成火山泥流,將舊馬槽橋衝垮,有可能與當時的地震有關。

圖三
《圖三》大屯火山群及鄰近地區的微震分布圖。圖中數字代表規模。

b. 較高溫的熱流

  大屯火山群地區的溫泉遍布,已命名的溫泉最少有十六處(圖四),也有一些未命名的溫泉,而有些溫泉在地表的溫度可達攝氏一百度左右。在六○年代,中油為了探勘地熱資源,在大磺嘴、馬槽等地,鑽了不少的深井。其中,在馬槽(編號E208井)鑽至地底下約一千七百多公尺處的溫度可達293℃。雖然未有原地熱流量的測量,但由地底下溫度的測量及遍布高溫的溫泉,顯示大屯火山群的熱流量應該相當高。

圖四
《圖四》大屯火山群的溫泉及熱水換質地區分布圖。圖中紅線表示斷層線,深紫色區域即為熱水換質區。

C. 火山氣體逸出

  大屯火山群噴氣口的火山氣體(圖五),He氣體僅占微量,其主要的氣體成分,以小油坑為例93.10%為水蒸氣,其餘為CO(3.26%)、H2S(3.14%)、SO2(O.02%)等。與平均火山氣體成分相比較(H2O:70.75%、CO2:14.07%、N2:5.45%、SO2:6.40%、SO3:3.14%、H2S:0.33%、S2:0.10%、Ar:0.18%、Cl:0.O5%),H2O和H2S偏高,而CO2、N2、SO2、SO3等偏低,可能是外界有大量的水和氣體進入的影響。

圖五
《圖五》(左)小油坑氣體成份圖表(右)火山氣體平均成份圖表

  最近本系楊燦堯副教授對大屯火山群的噴氣口進行He同位素的分析研究(圖六),發現大屯火山群噴氣口中的He同位素,有的60%-70%是來自於岩漿的氣體,30%-40%是來自於大氣中的He氣體,此結果顯示大屯火山群底下可能還有岩漿庫存在(He同位素應用於探討岩漿庫的原理,如圖七所示),至於是慢慢死亡的岩漿庫,或是仍活躍的岩漿庫,則須更進一步的研究來驗證。

圖六
《圖六》利用氦同位素組成,以探討岩漿來源的示意圖。
圖七
《圖七》大屯火山群氦同位素分析結果顯示,噴氣口中的氣體可能是由岩漿逸出和空氣混合而成。

  綜合前述的微震分布、He同位素、噴氣口的火山氣體、地下溫度的測量及遍布高溫的溫泉,大屯火山群地底下應還有岩漿庫的存在,此一論點可能支持了大屯火山群還是一個活火山。

 

火山災害

  火山學家研究火山的目的,除了要瞭解火山形成的機制和噴發的行為外;另一主要的目的,是希望藉由對火山的瞭解,能預測火山的噴發及降低其所造成的災害。國際火山學會在幾年前配合聯合國推動二十世紀末(一九九○至一九九九)國際自然災害防災十年計畫(International Decade for Natural Disaster Reduction),選定全世界十六處,在未來十年內最有可能再噴發、具破壞性的火山為十年火山(Decade Volcanoes),進行有系統的研究與監測。

  從火山噴發產物和作用,可推知火山噴發可能引發的災害包括有:火山熔岩流、火山碎屑流堆積、火山灰落堆積、火山氣體、火山泥流堆積、山崩和海嘯等。

a. 火山熔岩流

  火山熔岩流為一高溫的熔融液體,溫度可能超過900℃以上,流經之處的所有物體將全被破壞殆盡。

b. 火山碎屑流堆積

  火山碎屑流為一密度和溫度都很高的碎屑流,其和沈積作用所產生的碎屑流之最大不同,在於其溫度高且流速快。火山碎屑流不是因火山噴發所形成的噴發柱崩塌,就是熔岩窿丘崩塌所形成的,所以溫度相當高,目前所知的最高溫度超過攝氏六百度,一般也不低於攝氏一百度,且因其顆粒之間的介質為高溫的氣體,故流速快,所造成的破壞力也大。

  例如日本九州的雲仙火山在一九九一年的噴發,其噴發威力不大,但熔岩窿丘崩塌所引發的火山碎屑流速每小時超過一百公里,使得在另一火山斜坡觀測拍照的火山學家、記者和民眾數十人來不及逃生,而被埋葬於火山碎屑流中。

c. 火山灰落堆積

  火山灰落堆積是火山灰噴至空中後,再掉落至地表堆積。有些火山的爆炸威力相當大,其噴發柱可達五十公里的高空,所以火山灰的分布範圍相當廣,影響範圍也大。例如美國西部聖海倫斯火山在一九八○年的噴發,噴發柱高度約為二十公里,其火山灰往東分布至一千八百公里遠,厚數公分。

d. 火山氣體

  火山氣體的逸出,如SO2、SO3、H2S、S2、Cl2和Fl2等,除可能對人體直接造成傷害外,硫等之化合物噴入高空,形成非常小的顆粒和硫酸液滴,反射太陽光,讓太陽光無法穿過大氣層到達地表,而影響全球的氣候(圖八);若硫酸液滴與水蒸氣結合形成酸雨落下,也會影響地球環境。

  另外,CO2為無昧、無色,比空氣重的氣體,當其由火山口大量逸出時,會取代地表的O2和N2,累積於低窪的凹谷,使生物窒息而死,若未能事先防範,就有可能造成重大傷亡。如位於非洲中部剛果 Niragongo 附近的小村莊,在一九八○年中,全村六百多人和所有的家畜,在一夜之間全部窒息而死,就是CO2所造成的火山氣體災害。

圖八
《圖八》火山噴發與大氣之間的物理和化學作用示意圖。

  以上四種火山災害,是火山噴發所直接造成的災害,而火山泥流堆積、山崩和海嘯等,則是因火山噴發當時或噴發過後伴隨而來的災害,也可以由其他作用所引發。在這三種災害中,以火山泥流堆積所引發的災害最大、影響最為廣泛。

 

火山泥流堆積

  火山泥流堆積類似一般人所熟悉的土石流,是火山物質混雜大量的水所形成,其成因很多,主要可歸納為二種:

  a. 熱的火山碎屑流、熔岩流或火山湧浪流在流動的過程中,碰到大量的地表水,如河、湖水或雪而形成,因其形成時,溫度可能還很高,故此種機制所形成的堆積物,稱為熱的火山泥流堆積(hot lahar)。

  b. 火山噴發後堆積在斜坡上未固結、鬆散的火山灰落堆積物、火山碎屑流堆積物和火山湧浪流堆積物,受到大雨沖刷或地震引起的崩塌,流入河流或湖泊內,都會形成火山泥流,此種機制所形成的堆積物,稱為冷的火山泥流堆積(cold lahar)。

  火山泥流堆積如土石流,不僅能淹沒廣大的區域,同時也能沖垮任何建物,如一九八五年哥倫比亞 Nevado del Ruiz 火山和一九九一年菲律賓皮納吐坡火山(圖九)的噴發,前者因噴發所引起的火山泥流,把整個河谷和城鎮淹沒,造成近二千五百人死亡;後者則是火山噴發後,所堆積的未固結火山灰受到豪雨的沖刷侵蝕,引發了火山泥流堆積,雎事前有所防患,未造成人員傷亡,但仍然淹沒及沖毀廣大區域,造成重大的財產損失。

圖九
《圖九》菲律賓皮納吐坡(Mt. Pinatubo)1991年噴發實景。

 

大屯火山群的火山災害

  依目前資料所知,大屯火山群最後一次噴發,可能早於十萬年,故其火山災害,尤其是火山噴發直接所形成的災害:火山熔岩流、火山碎屑流堆積、火山灰落堆積、火山氣體等一直未有人注意和研究。

  但由過去的火山堆積物來看,台北盆地西北邊,從北投一直到新莊地區,就曾經被火山泥流堆積所掩蓋,其中關渡附近的厚度更超過八十公尺(圖十、十一),若當年火山噴發時,台北盆地的人口和建築物分布與目前的情形相似,所造成的傷亡和財產損失將是無法想像的。另外一九八六年馬槽地區發生山崩(圖十二),引發土石流沖垮舊馬槽橋,也是屬於一種後火山作用的火山泥流堆積。

圖十
《圖十》台北盆地簡易地質圖及火山泥流堆積物分布圖。
A: 蘆洲一號井
B: 五股一號井
C: 新莊一號井
D: 板橋二號井
E: 板橋一號井
F: 新公園一號井
G: 關渡一號井
H: 士林一號井

 

圖十一
《圖十一》台北盆地關渡井下火山泥流堆積物的岩心。

 

圖十二
《圖十二》馬槽地區於1986年發生山崩,形成的土石流堆積物,主要是以換質的岩塊為主。

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