台北大屯火山群：科研人员如何发现地底下有岩浆库（图）

蒸汽从岩石裂缝中翻腾而出，岩石被染成病恹恹的黄绿色。浑浊的水中冒着一团团气泡，就像煮锅沸腾。空气中弥漫着刺鼻的硫磺恶臭。

这片阴森景色位于小油坑，属于阳明山国家公园，和其他火山蒸汽喷口一起，都令人印象深刻。阳明山国家公园占地11000公顷（42平方英里），由台北市区的徒步旅行路线可到达。

小油坑是公园内观看地热的最佳地点——有地热口（地球表面的自然地热喷口，气体像水壶喷口的蒸汽一样逸出）和温泉，距离步道小径最近处只有一米。

几十年来，台北市民都认为，家门口有这样一个引人关注的国家公园是他们的幸运。地质学家知道，公园里的大屯火山群有约20座山峰，但他们大多认为地热喷口和温泉只是历史上地质活跃的遗迹。由于没有火山喷发的历史记录，基本观点是，该火山群为死火山，不再构成威胁。

但2017年2月，媒体报道了大屯火山观测站（Taiwan Volcano Observatory）主任林正洪最近发表的一篇论文，认为大屯地下有一个岩浆库，这是活火山的标志。台北市中心，摩天大楼、酒吧和餐馆林立，距离活火山仅有15公里（9英里）之遥，台北市和新北市500万居民很容易受到火山爆发的影响。在最糟糕的喷发情况下，热熔岩可能吞没山脚下的居民区，城市可能被盘旋的火山灰云所笼罩。

台湾政府迅速采取行动。首先，科学家们尽可能多地了解火山及其风险。之后，2018年5月，政府委托其气象预报机构——中央气象局协同政府其他部门、科学家、官员，制定了一个早期预警系统。2020年9月，系统开始为公众服务。

如果大屯火山群爆发，台北可能会被火山灰云所笼罩（Credit: EPA）

我们对阳明山火山状况的了解要归功于林正洪，他在过去的20年里一直努力研究这些火山。过去的十年里发表的有关台湾火山的学术论文，大部分都是他的成果。正是他在2016年证明岩浆库存在的论文，第一次让政府开始关注这个问题。“大家都知道我是研究火山的，”他笑着说。

我第一眼看到林正洪，觉得他就像是一位微笑和蔼的爷爷，手里拿一把巨大的黑色高尔夫球伞。在阳明山附近的大屯火山观测站门口，他在雨中的身影很矫健。

林正洪最初是对地震感兴趣，但在大约20年前转向火山学，他因一些新研究对大屯火山产生兴趣。这些研究表明，大屯火山可能根本没有死亡。研究人员发现火山温泉释放出的气体有些奇怪——它们含有太多的氦-3，这是一种来自地球深处地幔的同位素。科学家们认为氦是“岩浆作用的极好示警剂”，如此多的氦-3表明地下有火山活动。

2003年，林正洪领导了一项小型研究，在公园各处放置了地震仪，这是调查火山状态的标准方法。地震仪记录下奇怪的信号，显示该地有频繁的地震活动时，这让林感到很惊讶。“我以前从未见过这种波形，”林正洪说日本有100多座火山，他把记录送到日本同行科学家那里，“他们告诉我，这是活火山的特征，”林正洪说。指向火山活动的证据越来越多，尽管这仍无法被主流观点认同。

台湾地处环太平洋地震带，每年大约有1000次有感地震（Credit: Science Photo Library）

台湾地处环太平洋地震带，每年大约有1000次有感地震，还有数千次无法感觉到。林正洪利用这种强烈的地震活动判断地层下正在发生什么。

他专注于由地震产生的两种特殊波形：主波（或P波，纵波）和剪切波（或S波，横波）。这些可以用来探测地表下的任何液体区域（表明可能存在岩浆库），因为液体会阻挡S波，减缓P波。100多年前，科学家们用这个方法证明了地下2900公里（1800英里）深处的地球外核是液体。

林正洪确实注意到，与公园其他地方的地震仪检测到的波相比，大屯地震仪检测到的P波被延迟了，而S波根本没有到达，而其他地震仪上都有出现S波。他的计算认为大屯火山群下面有一个岩浆库，岩浆库之上有一个热液储层（由水和蒸汽组成）。

“这是证明活火山的关键证据，”他说。“作为一名研究人员，我很高兴我有证据，但另一方面，我担心有一天我们可能会面临灾难。”

然而，对于居住在大屯山附近的居民来说，这些发现令人震惊。帕特里克·卢（Patrick Lu）是两个孩子的父亲，住在火山附近的天母区。他还记得第一次听到这个消息时的感受。“我当时非常害怕，”他回忆道。“这怎么可能？当我还是个孩子的时候，我们就被告知这是个死火山。”

大屯山是活火山的发现让台北居民感到震惊（Credit: Reuters）

政府感到震惊，因此要求林正洪团队收集更多关于岩浆库的信息，以便预测喷发的迹象和风险，这对建立地面紧急预警系统至关重要。林正洪团队对岩浆库了解得越多，就越可能预测何时何地会发生喷发。“问题是我们不知道岩浆库有多深，有多大；我们不知道具体的形状，”林正洪说。

林正洪团队在台湾北部设置了146个宽带地震观测站，以记录来自各个方向的最大地震数量，包括本地地震和所谓的远程地震——远至日本和夏威夷的地震。

“我们需要收集成千上万的地震详细数据，从各个不同的角度来构建一个完整的信息系统，”林正洪解释说。不到几年，他们就掌握了足够的信息，是个坏消息：岩浆库比想象的要浅，也要大；形状大致为圆柱形，顶部距地面8公里（5英里），直径约12公里（7.5英里），高约12公里（7.5英里）。

除了地震数据，林正洪团队还开始监听地下热液异常，这是岩浆活动的早期预警信号。岩浆库持续不断的热量导致地下水或气体通过岩石缝隙向上移动，直到冲破地表，进入大气。在大型熔岩喷发中，岩石、火山灰和其他碎片也会喷射出来。

利用次声传感器，研究小组捕捉到了两个相距约7公里（4.3英里）的火山口之间的“对话”。你可以在这里听一段100倍加速播放的片段。林正洪说，这种声音“有点像头顶上飞过喷气式飞机”，有时音调很高，有时音调很低。这可成为火山熔岩喷发的另一种证据。

2018年，政府非常关注林正洪的发现，命令中央气象局成立一个早期预警系统——大屯火山观测站，由林正洪领导、设计和建立一个系统，进行实时监测，并对可能的火山爆发进行预警。同时，中央气象局建立一套机制，与政府机构、城市官员和学者合作，根据预警数据做出决策，包括进行人员疏散。

收集地震资料有助于预测地层活动（Credit: British Geological Survey）

气象局建立了大约40个密集的观测站台，不断向气象局反馈数据。林正洪说，如果岩浆开始上升，将触发多点局部震动，这些震动很容易被地震观测网感知。数量的突然增加会触发警报。

另外两个关键的数据来源是测地线（地球表面曲线的任何变化）和从火山口排出的气体量和化学成分。林正洪团队已在最可能爆发的大油坑和磺嘴山（火山活动最活跃的地点）设置了10多个GPS站点，持续监测附近温泉和火山气体出口混合气体和同位素的浓度和密度，如二氧化碳和氦。

以全球标准衡量，监测系统也是相当标准的。美国史密森尼学会（Smithsonian Institution）的地质学家伊丽莎白·考垂尔（Elizabeth Cottrell）说：“科学家通常探测火山的地震活动、地壳变形和气体排放变化”，来预测火山爆发。

当林正洪团队在阳明山斜坡上架设设备时，中央气象局开始为预警系统提供后勤保障。蒲新杰是气象局地震中心的研究员，也曾是林正洪的研究生，就是这个预警团队的一员。他还记得当时他和同事们所受到的压力，因为刚刚了解到台湾有火山爆发的危险。“大屯火山群没有喷发的现代记录，因此很难设计适当的早期预警系统，”他说。

地方政府也感受到了这种紧迫。台北在2018年初举行该市有史以来首次火山爆发撤离演习，但之前几周当蒲新杰和他的团队接到启动早期预警系统的命令时，他们忘记了提醒公众这次演习。市消防部门向居住在火山附近的居民发送了短信警报，要求他们迅速撤离。事实上，这是测试演习，只是在短信的最后才提到。当时的一篇新闻报道描述了公众的恐慌情绪，有人在网上发帖说他们“被吓坏了”。

火山爆发会造成很大的破坏（Credit: Getty Images）

在预警系统下，不同任务的“特别工作组”定期召开会议。如果他们认为数据显示了火山活动的迹象，一系列会议程序就开始了。首先，工作组将与专家委员会进行磋商。如果火山喷发的证据仍在不断累积，中央、台北市和新北市的政府官员都将介入。

如2018年的模拟演习一样，短信可告知公众状况。台湾人经常收到一些“总统级警报”，以应对当地常见的威胁，比如地震和台风。警报还以颜色划分等级，1级（绿色）表示“一切正常”；二级（黄色）预警火山喷发可能发生；3级（红色），警告喷发已经发生或即将发生。蒲新杰说，到目前为止，警报水平还从未超过绿色。

蒲新杰给我看的流程图上，万事俱备。我问他，如果预警数据出现异常，所有这些会议程序启动需要多长时间，他下意识地笑了。“我认为会很快，但我不确定，因为尚无先例。”

然而，任何预警系统若有效，必须在灾难发生之前捕捉到灾难先兆并提醒公众。林正洪相信，以大屯火山群为例，台湾火山观测站能够提前几天甚至几周预测任何火山活动。“岩浆运动相当缓慢：火山喷发不会在一天内发生，可能需要一周甚至一个月的酝酿期，”他说。

但其他一些科学家提醒需谨慎行事。考垂尔说，火山爆发并不总是可以预测。她说：“从火山前期活动到火山爆发之间所需时间，各个案例的差距很大。有的只有几分钟，有的需要几年，这些科学家都有记录。”

台湾国立中央大学的火山学家柯士达（Kostas Konstantinou）参与了林正洪在大屯设置地震仪的早期工作。柯士达同意，不可能确定大屯火山群会提前很长时间发出明确的喷发信号。“大自然不按你的规则行事，它有自己的规则，”他警告说。“火山是非常复杂的系统，无论我们如何监测，它仍然会让我们大吃一惊。”

曾经在哥伦比亚卡尔达斯大学（University of Caldas）研究过火山附近危险区的结构地质学家卡罗琳·怀特希尔（Caroline Whitehill）对火山爆发的预测更加乐观。她说：“火山预测的基调相当保守。换句话说，在大多数情况下，我认为可以提前几周或几个月预测其爆发。”

目前还不清楚为什么有些火山爆发会发出预警信号，而另一些则不会，但可以肯定的是，如果大屯火山是那种能提前预警的火山，那么这座观测站系统就差不多是目前条件下最优的了。

台北市和新北市有500万人将很容易受到大屯火山群喷发的影响（Credit: Reuters）

林正洪说，他认为大屯山不太可能在他有生之年爆发。他认为未来几十年发生熔岩爆发的可能性约为1%，但他警告说，潛水蒸汽喷发（地下水或地表水因为与岩浆接触，转为过热的蒸汽而后喷发）的可能性要大得多，为10-20%。虽然潛水蒸汽喷发达不到炽热熔岩喷发的等级，但仍然可能是致命的。2014年，日本御岳山火山爆发，导致60多名在附近徒步旅行的人死亡。

柯士达描述阳明山的热液系统就像一个盖着的锅在沸腾。他说，地震或山体滑坡都可能会导致该系统的压力加剧，以致潜水喷发，岩石会像子弹一样飞出来。“危险是真实的，而且随时都可能发生。”

在2018年一篇共同撰写的论文中，柯士达计算出，小油坑的徒步小径和道路都处于可能潜水蒸汽喷发致使岩石松动的范围内。他警告说：“如果事故发生在周日，所有人都外出，天气很好，在拍摄火山喷发口的照片，伤亡将会很多。”

众所周知，潜水蒸汽喷发很难预测，但林正洪说，使用倾斜仪和其他仪器进行监测仍然有用。倾斜仪可以测量垂直高度的微小变化。“如果我们关注倾斜仪、地质化学和次声信号等各种数据，我们仍然有很大的机会探测到异常。”

“理论上，我们都有胜算，”蒲新杰说。“但在真实的情况下，不确定。”