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Jan. 25 2019

地震會引起火山爆發嗎?科學家為此吵翻天

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  • 地震會引起火山爆發嗎?科學家為此吵翻天

這兩大地質現象之間可能的連結,長久以來一直令科學家著迷但又意見分歧,看看最新的研究怎麼說。

夏威夷大島上,熔岩從基勞亞火山裂隙最東邊的普奧奧火山口噴出。
PHOTOGRAPH BY JIM SUGAR, GETTY

構造地震(Tectonic earthquake)是地球上最強而有力的自然現象之一,因此有時懷疑這會引起火山爆發並不令人意外。

地球的火山通常位於地震活動頻繁的地區。就如所謂的環太平洋火山帶(Ring of Fire),雖然字面上是環形,但嚴格來說這是沿著太平洋盆地板塊邊緣呈馬蹄形的區域。全世界有記錄的地震中,有90%是在這個區域發生的,而世界上75%的活火山也位在此區。

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在這種地震熱點,火山爆發和地震經常發生在幾乎相同的時間點,不過這正是預期中的事。儘管網路上常有極富說服力的猜測,但還是不能想當然地假設某個地震和後續發生的火山爆發之間有關連。

「火山有可能早就蓄勢待發,或是已經噴發很久了。」火山學家珍妮.克里普納(Janine Krippner)說。

儘管如此,地震會不會引起火山爆發這個問題,仍是讓好幾個世紀的專家持續調查的正經研究主題。而最近的研究得到的多重證據顯示,在某些情況下,地震與火山爆發的連結有可能存在。所以科學家目前對這個問題有什麼樣的立場呢?

到底有沒有關連?

廣島大學地球科學准教授並木敦子(Atsuko Namiki)特別列出幾個地球物理研究中、顯示二者有關連的數據。例如1993年的一篇論文,把加州一個規模7.3的地震與隨後發生的火山與地熱活動連結起來。而2012年的一份研究則認為,日本在1707年發生的一場規模8.7的地震,把更深層的岩漿向上逼入淺層的岩漿庫,引發了49天後的富士山大爆發。

即使是一向謹慎的美國地質調查所(USGS),也說有時候地震的確能引起火山爆發。這個機構認為,歷史上有些例子顯示,地震造成大地的強烈搖晃或是其他效應,改變了附近岩漿庫四周的局部壓力,這會重新引起火山活動。他們引用1975年11月29日一個規模7.2的地震對夏威夷基勞亞火山的影響為例,火山在地震後很快就發生了一場短暫的噴發。

然而還是有些問題存在。首先,如同USGS強調的,我們對觸發機制的理解並不是很清楚,把地震與後續火山爆發事件做連結的論文,可能也只是基於推斷而已。

其次,在所有這種例子裡,二者發生時間相同有可能只是巧合。地質學家必須在了解個別的觸發機制以及排除掉巧合的因素之後,才能將連結確定下來。而地球複雜的地質狀況讓這兩項要求都難以做到。

看似寧靜的富士山,曾經在1707年爆發過。
Reginald Pentinio, via flickr,  CC BY 2.0

達爾文先開第一槍

現在統計分析法正試圖正面處理巧合的問題。1998年《自然》上的一篇文章調查了規模8.0以上的地震,是否會在5天內觸發距離震央800公里遠的爆發性火山活動。這篇文章分析了從16世紀開始到現代的資料,論文作者發現,這類爆發的次數遠比用巧合能解釋的多了四倍。

2009年的一篇論文也得出類似結果,這篇文章也使用歷史資料來說明智利規模8.0的地震與500公里外的某些火山爆發率大幅提高有關。問題是這類歷史資料並不是全都非常好。

「大地震和大規模的火山爆發都是相對少見的事件,而科學家以可靠方法保存這些資料的時間,只有過去的半個世紀或更久一點,視地區而定。」加州大學柏克萊分校地球物理學的大學生研究員特雷莎.薩維(Theresa Sawi)說。

許多過去的資料都來自於模糊不清的新聞報導和雜誌內容。牛津大學的火山專家大衛.派爾(David Pyle)指出,最早將地震和火山爆發連結起來的作者之一,不是別人,正是查爾斯.達爾文(Charles Darwin)。

在1840年,達爾文收集了目擊者關於智利火山在1836年一場大地震後出現某些輕微改變的資訊。當時到底有沒有發生任何爆發事件其實並不確定,但是「雖然如此,這些事件全都被歸入火山爆發的目錄底下,而且現在看來好像提供了地震會引發火山爆發的證據。」派爾說。

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地層把岩漿擠上來?

薩維是《火山學報》(Bulletin of Volcanology)較新的一份統計分析研究的共同作者。這份研究只注重1964年以來在科學上更禁得起考驗的資料,而且它檢視的是發生在距離火山爆發地點800公里遠、較小型但規模6.0以上的地震。

這個團隊找出了30座火山,這些火山都在某個時間點下爆發,而且可能是被引發的。團隊在以天為單位的時間尺度下,沒有發現任何證據能否定這些爆發事件純屬巧合。這個結果實際上與2006年一份回顧型研究的發現相反,而這篇2006年論文的作者麥可.曼卡(Michael Manga),也是這份新研究的共同作者。

「我覺得研究人員不怕做出與先前成果相反的結論是很好的事。」北卡羅來納大學教堂山分校的火山學家奧利佛.藍姆(Oliver Lamb)說:「科學其實就該這麼運作。」

奇怪的是,薩維的研究發現在重大地震後的2個月到2年之間,火山爆裂噴發的數目上升了5%到12%,這種躍升令人感到意外又有趣,藍姆這樣說,不過它的幅度也還是很小。

西華盛頓大學地震學與火山學的副教授傑基.卡普藍-奧爾巴赫(Jackie Caplan-Auerbach)說這篇論文「其實強調出地震要引起火山爆發是多麼不可能的事。」

既然如此,那長期的趨勢又該如何解釋?在那幾個月的時間裡可能發生的事就是,地震造成地層的破裂打開了新的通道,從那裡黏稠的岩漿可以逐漸上升到地表。搖晃隨著時間過去也會在岩漿裡製造出更多氣泡,這會讓周遭壓力增加,和搖晃一罐汽水有點像。

也許岩石的移動會像擠牙膏那樣擠壓岩漿主體,薩維說,這會慢慢地迫使岩漿從火山出口路徑出去。又或許地震會拉伸火山岩漿庫周圍的岩石,使得氣體從融化的岩石中變成氣泡跑出來,增加了岩漿庫的壓力。

薩雷切夫火山的空拍照。
Peter D. Tillman, via flickr, public domain

迷你火山模型

卡普藍-奧爾巴赫懷疑如果地震真能引發火山爆發,那麼火山必須在地震出擊的當下已經蓄勢待發。不過雖然「大地震可能會觸發快要噴發的火山活動,這點在直覺上很合理,但這個連結的觀測證據還滿薄弱的。」派爾說。

有些科學家,例如敦子,很希望能發現這種證據。她和同事在實驗室裡設計了火山系統的模型,並且搖晃模型來檢視怎樣才能觸發火山噴發。

他的團隊在2016年的研究裡,使用變化結晶數與泡泡量等各種性質組合成的糖漿來模擬不同的岩漿庫。他們發現在物體能自然震動的共振頻率時,地震造成岩漿的往來攪動最為顯著。這時泡泡會合併,頂上的薄泡沫會塌掉。對應到真實火山時,這會讓熱氣很容易從岩漿裡逸出,增加了岩漿庫的壓力,可能因此促使火山噴發。

團隊在2018年也發表了一份在膠體火山模型內注射模擬各種岩漿流體的研究。他們發現搖晃模型會讓流體比沒有搖晃時移動得更快。然而流體會往哪裡流,則視它們的浮力和儲藏深度而定。浮力較弱的流體會像旁邊或向下走,對應到真實火山時就會讓噴發變得較不可能發生。不過泡泡多的淺層流體則會往上升,有時就會導致火山噴發。

基拉韋亞火山的岩漿在夜裡熠熠發光。
paul bica,  via Flickr, CC BY 2.0

持續觀察大地

關聯的情況顯然不是很簡單易懂,而敦子指出會對地震引起火山爆發感到懷疑很正常。不過,在德國波茲坦地理研究中心(GFZ Potsdam)地震與火山物理研究組領導團隊的艾利歐諾拉.瑞弗塔(Eleonora Rivalta),卻暗示氛圍似乎慢慢偏向了相信關連可能存在。

「雖然較大範圍的科學界可能還是有所懷疑,許多火山地球物理學家現在卻相信火山可能真的對地震有各種的反應。」她說。然而她強調目前仍然欠缺確鑿的證據,特別是能清楚證明特定火山究竟是如何被特定地震觸發。

除了統計和實驗室模擬外,還有其他的研究方法。派爾認為如果某些火山被認為遭到地震觸發,那麼火山噴出來的碎片可能保有噴發前岩漿庫的線索。它們也許能揭露火山在地震前後是否真有重大差異,或者顯示出來的只是它們本來就快爆發了,地震只是加快了進程。

對薩維來說,前進的方向很清楚:「增加全世界的火山監測,特別是那些在歷史上缺乏研究的火山,這樣能幫忙提供需要的資料,來著手確認那些顯示爆發機率會提高的模式和……沒錯,觸發機制。」

撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS

翻譯:蔡雅鈴

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