微震監測

概述

概述 | 測站分布 | 方法原理

        地球上的任何一種火山噴發過程,均必須先於地底下岩漿庫內聚集充足的岩漿,然後當岩漿的壓力逐漸增加至相當大的情況下,才能噴發或上湧到地表形成火山。所以火山噴發時間與規模,常依據地底下岩漿庫的大小及其填充岩漿的壓力來決定。岩漿庫越大,其地表火山噴發的規模可能越大。岩漿庫內的岩漿壓力越大,代表著距離其噴發時間愈短了。此外,大多數岩漿庫均位於上部地殼中,其與地表的距離一般均有數公里以上。故當岩漿庫壓力過大,岩漿逐漸往上湧升時,地表會有明顯變形,同時,也常伴隨著許多微小的地震活動。這些現象均可透過地表地震網的觀測,獲得非常正確地資料,以辨識火山的活動情形,甚至預估火山噴發的時間。例如1991年菲律賓呂宋西部的皮納土坡(Mt. Pinatubo)火山爆發前,科學家利用微震監測方法,成功地預測其噴發的時間,順利撤離美國位於附近的空軍基地的所有飛機,並拯救了無數的生命與財產。


測站分布

概述 | 測站分布 | 方法原理

        為了更進一步了解大屯山的火山活動度,自民國九十二年起,中央研究院地球科學研究所, 在國科會、中央地質調查所與陽明山國家公園管理處的資助下,於大屯山地區建立一個小型精密地震觀測網(圖一),


圖一 大屯山地區地震觀測站(三角形)分佈。


每一地震站安裝有感應器、記錄器及全球定位系統等主要地震儀器(如圖二),


圖二 地震站外觀與主要儀器設備(包括有感應器,記錄器及全球定位系統等)

並以24小時連續記錄方式(如圖三),


圖三 每日24小時連續地震記錄之實例

來測量任何微小地震的時空分佈。並試圖由記錄的地震波型,辨識地震震源的種類,尋常是否包括有岩漿活動造成的地震。 根據過去幾年的觀測與分析結果,發現除了於七星山及大油坑附近的最上部地殼中有許多聚集之微震活動外,更記錄到多種特殊的火山型地震訊號, 例如地震波形類似螺絲釘狀與單頻水滴狀地震紀錄,及連續性爆發型的火山地震活動。


方法原理

概述 | 測站分布 | 方法原理

        過去五年內於大屯火山地區內的大多數微震活動範圍,主要集中於七星山及大油坑附近地區的淺部地殼(圖四)。大多數微震深度分佈範圍均小於5公里。這些火山


圖四 大屯火山地區的微震空間分佈(十字)與地震站位置(正三角形)。

微震特性與一般斷層滑動產生的地震相同,均可清楚地辨識其P波與S波的到達時間(如圖五),並且其地震波是由非常複雜的多種不同頻率訊號所組成,如圖六(a)。這種密集的微震現象與地球上其他許多活火山的微震活動非常類似,例如日本的櫻島火山或雲仙火山等,故可能意味大屯火山底下依舊存在有明顯的能量或熱源。

        其次是發現單頻火山地震訊號,仔細分析微震監測網的連續記錄中,亦可發現一些地震波形非常特殊的訊號,如圖六(b)。這類地震的波包形狀類似水滴狀,其振動時間很短,僅約十秒左右。從這些地震訊號中,並無法判識其P波與S波的到達,故有別於一般因斷層錯滑動所產生的地震波。並且這些水滴狀地震訊號的頻率組


圖五 一般微震產生之三向量地震記錄實例。

成也很特殊,主要頻率落於3.4赫(Hz)附近。根據全世界其他國家火山地區的觀測與研究經驗,一般認為這些單頻水滴狀地震訊號的產生原因,最可能是由岩層裂縫中液態或氣態物質共振所引起,這現象與一般樂器(例如吉他弦或鋼琴鍵)所產生的單一音階振動的原理相似。初步推斷可能與岩層裂縫中液態或氣態物質,突然增加或減少壓力所造成的振動有關。



        除了上述單頻火山地震訊號外,我們也發現另一種地震波形的外觀類似螺絲釘一樣,如圖六(c)。一般火山地震學家以西班牙文的螺絲釘(Tornillos)稱之。這些螺絲釘狀的火山地震訊號的振動時間,明顯大於單頻水滴狀火山地震訊號,可長達數十秒。同樣地仔細分析這些螺絲釘狀的火山地震訊號,可清楚發現,其頻率從2到15 Hz中包括有好幾個特殊頻率的訊號所組成。訊號中的最大能量落於4.2 Hz左右,其次為2.1 Hz、6.3 Hz、8.4 Hz及10.0 Hz。仔細比較這些訊號的頻率,似乎約略成等差級數,這特性非常類似一般樂器的和弦音效。根據一般火山地震觀測的經驗,這些螺絲釘狀多頻的火山地震訊號,極可能代表該火山活躍性很強。並且,曾於中美洲的有些火山噴發前,常可發現這些所謂螺絲釘狀的地震記錄。故大屯山地區亦有類似的記錄,非常值得我們注意與深入研究探討。


圖六 (a) 一般斷層滑動造成的地震波,(b)單頻水滴狀火山地震訊號及(c)螺絲釘狀的火山地震訊號(左側)及其頻譜分析結果(右側)

        我們也發現另一種更為強烈且連續性的爆發型高頻火山地震訊號,如圖七(a)。這種持續超過二十分鐘的火山地震訊號為一百多個連續發生的爆發型震動所組成。仔細分析每一個單獨振動記錄,亦可清楚判識其P波與S波到達時間,如圖七(b)。連續性爆發式火山地震活動,經過仔細分析後,其來源大約落於大油坑下方的淺部岩層內。


圖七 (a)五個地震觀測站同時所記錄的連續爆發型高頻火山地震訊號及(b)其中一個局部放大的波形。

        根據現有大屯山地區地震觀測網所記錄的上述多種具有火山特性的地震訊號,包括高頻、單頻及多頻等火山地震訊號,強烈顯示該地區的淺部地殼中,依然存在有明顯地熱來源。這些地熱來源可能主要落於七星山與大油坑間的淺部地殼。最直接與簡單地推斷所謂的地熱來源就是岩漿庫。這些高頻、單頻、多頻、低頻及甚至超長周等火山地震訊號與岩漿庫的可能關係,可簡單由圖八來說明之。


圖八 岩漿庫附近可能產生的高頻、單頻、多頻、低頻及超長周等火山地震訊號的示意分佈情形。


圖九 大屯山地區淺部地殼的可能火山活動與地熱傳導示意圖。


        若大屯山底下真有岩漿庫存在,則依據這些有限的地震觀測資料,初步推斷其深度並不太深,比較可能的深度大約為8公里附近(圖九)。但是岩漿庫的存在與否,均必須根據未來搜集與分析更多資料,方能求得到可信賴的答案。同時大屯火山群未來可能的火山活動性(甚至火山噴發),亦可透過長期持續性微震觀測與研究,並配合其他地球化學與地球物理之觀測方法,以達到監測與預警的功能。