- 世界知名的美國黃石國家公園座落於一活躍的超級火山(supervolcano)之上，因而有著多樣且劇烈的地熱、噴氣與地震活動(Smith et al., 2009)。黃石火山的形成源自地函熱對流作用(mantle convection)局部形成之地函熱柱(mantle plume)於北美板塊下方持續地提供熱源與湧升的應力，使得上部地函的岩石在升溫和減壓的環境下部分熔融產生岩漿，進而上侵地殼，形成火山的岩漿管線系統(Volcanic plumbing system)。
- 因為無法直接下到地底深處去一探究竟，想要了解地下岩漿系統的形貌(或其他地下構造如斷層、隱沒板塊等)，皆須仰賴各式地球物理方法的探勘。其中，地震層析成像(Seismic tomography)技術是以地震波自震源傳達到各測站之走時資料進行反演(inversion)推算出三維的地下速度模型。利用震波波速與岩性、溫度及壓力等物理參數的連結，便能透過速度模型快慢的幾何分佈來推估地底下可能的構造為何。舉例來說，岩漿庫(magma reservoir)因高熱與液態岩漿(melt)的存在，造成經過之震波速度顯著地減慢；因此藉由速度模型中慢速構造的分佈，便能反推可能的岩漿庫的位置與形貌。在過去的研究中，藉由地震層析成像(Husen et al., 2004; Farrel et al., 2014)與其他地球物理方法(Chu et al., 2010)，已知在黃石火山下方約5到15公里深處有一狹長形岩漿庫的存在(Farrell et al., 2014)。但是在地球化學的研究中，發現在火山口周遭現地量測到的二氧化碳噴出量遠大於已知岩漿庫的二氧化碳蘊藏量(Lowenstern and Hurwitz, 2008; Hurwitz et al., 2014)，因此懷疑可能有第二個深部岩漿庫的存在。但因受限於火山地區高熱而分佈較淺的地震深度(最深約10公里)，過去地震層析成像所能解析的影像深度僅達20公里，所以對5-15公里深的岩漿庫以下到上部地函熱柱之間如何連結並不清楚，也無從驗證地球化學研究的推論。
- 有鑑於此，Huang et al. (2015)利用遠震彌補當地地震分佈不夠深的情形，他們以黃石公園當地地震網與橫跨全美的區域型臨時測站網(Earthscope project)收集了4520筆區域地震與329筆遠震資料(圖二)，聯合近、遠震反演的方式將層析成像的解析深度推至150公里深，讓我們首次有機會一窺火山岩漿管線系統的全貌，以及地函熱柱和岩漿庫之間的連結構造。P波速度影像的反演結果顯示在已知的5-15公里的岩漿庫下方約25-45公里深，有另一個體積更為巨大的慢速構造(圖三)，推測極可能是第二個岩漿庫。此發現有多重重要的意義：第一，由於世界各地火山地區的地震深度因高熱普遍侷限於淺處，地震層析影像的解析亦多侷限於15-20公里以上。因為黃石公園位於大陸地塊正中央的特殊地理位置(大多數的火山位於地塊邊緣與島弧)，此研究得以藉由遠震與大型Earthscope測站網的幫助，提供了第一個火山下部地殼速度構造的影像，暗示火山可以有兩個以上的複雜岩漿庫系統。第二，以火成岩石學的角度，由於黃石火山的噴發是流紋岩質的岩漿，矽酸比高，需要自地函上湧的玄武岩岩漿滯留於地殼中進行再分異作用(differentiation)才能生成，此雙岩漿庫系統可以提供一個岩漿自地函上侵分層分異過程的合理解釋。這也暗示世界上其他的大陸型流紋岩質火山極可能有著相似的雙岩漿庫系統，值得進一步探勘與比較。第三，此結果也正好符合地球化學觀測的預期。若利用地震層析影像所捕捉的上、下部地殼岩漿庫大小和平均波速，以及過去研究所提供的速度-液態岩漿比關係式(Chu et al., 2010; Hammond and Humphreys, 2000)，可以估算出岩漿庫中可能的液態岩漿有多少，再乘以玄武岩質與流紋岩質岩漿每單位能攜帶的二氧化碳含量(Lowenstern and Hurwitz, 2008)，便能求出上、下岩漿庫各別的二氧化碳蘊藏量。如前所述，單以過去已知的上岩漿庫的蘊藏量並無法負擔二氧化碳的年噴出量，但合計以下岩漿庫的蘊藏量便能合理的支持黃石火山異常龐大的二氧化碳噴出量(Huang et al., 2015)。
- 雖然地球物理探勘的方法僅能呈現現階段地下岩漿系統可能的形貌，無法提供時間演化上的訊息，但是此空間上的訊息可以作為岩漿動力學模擬(及其他研究領域)的依據，約制可能的物理參數範圍，因而有進一步了解火山動力特性與噴發週期的可能。隨著資料的增加與地球物理方法的精進，我們將越來越有機會一步步看清楚各種地球構造的面貌。(由中研院地球所黃信樺助理研究員撰寫))
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參考文獻:
Chu, R., D. V. Helmberger, D. Sun, J. M. Jackson, L. Zhu, 2010. Mushy magma beneath Yellowstone. Geophys. Res. Lett. 37, L01306, doi:10.1029/2009GL041656.
Farrell, J., R. B. Smith, S. Husen, T. Diehl, 2014. Tomography from 26 years of seismicity revealing that the spatial extent of the Yellowstone crustal magma reservoir extends well beyond the Yellowstone caldera. Geophys. Res. Lett . 41, 3068–3073, doi:10.1002/2014GL059588.
Hammond, W. C., E. D. Humphreys, 2000. Upper mantle seismic wave velocity: Effects of realistic partial melt geometries. J. Geophys. Res . 105, 10975, doi:10.1029/2000JB900041.
Huang, H. H., F. C. Lin, B. Schmandt, J. Farrell, R. B. Smith, and V. C. Tsai, 2015. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust, Science , 348, doi:10.1126/science.aaa5648.
Hurwitz, S., J. B. Lowenstern, 2014. Dynamics of the Yellowstone hydrothermal system. Rev. Geophys . 52,
Lowenstern, J. B., S. Hurwitz, 2008. Monitoring a supervolcano in repose: Heat and volatile flux at the Yellowstone caldera. Elements 4, 35–40, doi:10.2113/GSELEMENTS.4.1.35.
Smith, R. B., M. Jordan, B. Steinberger, C. M. Puskas, J. Farrell, G. P. Waite, S. Husen, W. L. Chang, R. O’Connell, 2009. Geodynamics of the Yellowstone hotspot and mantle plume: Seismic and GPS imaging, kinematics, and mantle flow. J. Volcanol. Geotherm. Res . 188, 26–56, doi:10.1016/j.jvolgeores.2009.08.020.
圖二、黃石公園周邊測站與區域地震分布圖。測站與地震分別以藍色三角形與紅色圓點表示。黑色實線與虛線分別描繪了黃石火山晚第四紀的古火山口(Caldera)與現在的活火山丘(Resurgent Dome)。黃色與綠色實線則是黃石國家公園與東蛇河平原的邊界。AA’直線為圖三之剖面位置。內圖則表示了此研究區域在全美的位置。
圖三、黃石火山雙岩漿庫之P波速度剖面影像(左)與構造解釋圖(右)。左圖紅到藍色階代表P波速度相對於背景平均速值的慢與快速異常(Velocity anomaly)，在5-15與25-45公里，以及深於60公里處的西南方可見三個顯著的慢速(紅色)異常構造(剖面位置參考圖二)。解釋如右圖所示，其分別代表上部地殼的流紋岩質岩漿庫、下部地殼的玄武岩質岩漿庫和提供熱源的地函熱柱。
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