《地震:火環帶上的臺灣》:大屯火山群、火山島鏈與南北隱沒帶

《地震:火環帶上的臺灣》:大屯火山群、火山島鏈與南北隱沒帶
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我們想讓你知道的是

「弧陸碰撞作用」至今仍在進行著。海岸山脈從原本出露於海上的火山島變成了台灣本島的一塊之後,緊接著要撞上台灣本島的將會是綠島及蘭嶼。

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文:黃家俊

【火環帶上的地質多樣性之島】
大屯火山的活動

地質能量的旺盛,除了造就生命的誕生,也可能造成生命的消逝,而後者往往更令人在意。像是在地震發生時,我們通常無法讚揚地球的活動力如此活躍,而是恐慌地震是否帶給我們危害,尤其當我們感知這場地震可能帶給我們的不只是震災時。

二○一九年八月七日凌晨,一場規模三點三、深度二點六公里的淺層地震罕見地發生在台北士林區,引起了不少騷動。儘管該次地震並沒有造成傷亡,卻引發後續討論,因為這場地震的成因與過往的地震不大相同,是大屯火山活動時,高溫高壓的氣體或液體在岩石縫隙中移動、使岩石膨脹張裂所致。

其實在同年的五月,大屯火山仍在活動的消息就已經釋出了。當時大屯火山觀測站(Taiwan Volcano Observatory-Tatun, TVO)主任林正洪對外發表最新的研究成果,他表示北台灣最大的火山群——大屯火山群被證實為活火山。消息一出,讓不少台北人感到焦慮,畢竟這裡是首都,人口密度如此高,很難想像居住地旁就有一座還在活動的火山。

一九九四年時,有台灣學者以鉀氬定年法研究大屯火山群,發現過去噴發時間為十萬至二十萬年前,因而將其認定為死火山。然而鉀氬定年法的刻度不夠精細,最小的時間尺度約為十萬年,這意思是只要是在十萬年以內發生的事,用鉀氬定年法都必須「無條件進位」變成十萬年,所以我們無從得知更近的時間內,這座火山到底有沒有噴發過。直到二○一○年,有另一批學者將火山灰利用精度更高、且更適合近代定年研究的碳十四定年法,發現大屯火山前一次噴發時間約為五千至六千年前,而非原來以為的十萬年前,才讓學者確定大屯火山是活火山。當然,不只是定年結果,大屯火山的觀測站也實際接收到火山活動的訊號,而這訊號其實就代表著火山地震所傳遞出的震波!

一般我們提起地震,都會直接聯想到它與板塊活動的關係,但事實上,自然發生的地震原因還包含火山活動、甚至更少見的——隕石撞擊產生的衝擊性地震。這幾種地震所產生出的訊號非常不一樣,使得大屯火山觀測站有能力藉由偵測到的訊號分辨這是板塊斷層活動造成、還是火山活動造成的。

不僅大屯火山被證實為活火山,位於東北外海的龜山島,也被發現是一座仍在活動的火山島,這讓繁榮的台灣北部添加了些許不安定性。世界上曾出現過的火山災害,大致包含熔岩從火山口流出的「熔岩流」、噴發後快速冷卻堆積的火山碎屑崩塌而成的「碎屑流」,以及火山灰堆積後受強降雨沖刷形成的「火山泥流」等,據分析,如果大屯火山真的噴發,最直接受火山災害衝擊的地區可能包含北投、天母、淡水河與基隆河一帶等。

相對於直接座落在都會區旁的大屯火山群,位於海上的龜山島似乎對台灣本島的居民威脅性較小。林正洪從研究的角度解釋,不可輕忽龜山島噴發可能伴隨的小規模海嘯危害,但目前的確不需太擔心,因為火山噴發之前一定會有許多的徵兆,至少都會有一週的緩衝時間,不會突然莫名的噴發。只要持續不斷、密集地監控,就能有效掌握火山噴發的時間,減少不必要的損失。

火山地震的訊號特徵

一般斷層錯動造成的地震,會一次產生各種頻率的波動。然而火山地震造成的波動不同,它的震動來自地底下的氣體與液體受岩漿加熱後於裂隙中熱脹冷縮構成。也因此火山地震的震波頻率單一,當加熱的氣體或液體沿著裂隙竄出地表,波動會像用水壺煮開水的聲音一般,先由固定頻率的波開始出現,接著由其他頻率的波疊加上去(當然實際上這個「聲音」是人耳聽不見的)。

火山島鏈與南北隱沒帶

大屯火山與龜山島再度證實了台灣島與周圍的火山島仍具有旺盛的活動力,而台灣北部會有這些火山活動其來有自,仍是與板塊構造的活動密切相關。位在菲律賓海板塊與歐亞板塊西北——東南斜向聚合的交界上,台灣島以宜蘭︱花蓮間為界,南北各分屬不同的隱沒系統。

「隱沒」是兩個板塊聚合時,其中一個板塊下插至另一個板塊之下的現象。一般來說,一個隱沒系統要能產生,兩側岩石必須具有不同的比重,也就是說,下插的板塊比重理論上要比另一個板塊來得大。菲律賓海板塊比重約在三.三至三.七之間,歐亞板塊邊緣因包含部分大陸地殼,比重約在二.七左右,比菲律賓海板塊的比重小,因此菲律賓海板塊應會隱沒到比重較輕的歐亞板塊之下。

台灣宜蘭以北至台灣東北外海區域,即是菲律賓海板塊向北隱沒到歐亞板塊之下而成。隱沒下陷處為琉球海溝,約略沿東西向延伸。當板塊向北隱沒至一定深處,板塊會開始熔融成岩漿、接著在海溝以北的帶狀區塊噴發成火山島,火山島彼此串接成鏈,在這裡形成琉球島弧,龜山島就是琉球島弧最西側的火山島。島弧以北的構造則稱為沖繩海槽,為火山島弧後方帶狀的下陷區,會形成這種構造是因為板塊交界帶相互聚合時,板塊的前端雖然向前方聚合、隱沒,但板塊後段還來不及跟著前端移動,而在中間產生一股拉張力,像是做龍鬚糖一樣將板塊拉長拉薄、產生下陷。

板塊活動促使火山生成,創造複雜的地質構造,也為台灣孕育出豐沛的地熱資源並帶出金銀銅等金屬礦產,龜山島東側的沖繩海槽就是最具有代表性的案例之一。自二○一六年起,中央地質調查所針對台灣東北海域進行調查,這裡受沖繩海槽的張裂作用影響,讓海水能灌入裂縫中並受地熱加溫,熱水因而能將地下的礦物質帶至海洋中。這些具礦物質的熱水一遇到冰冷的海水後立即析出、沈降在噴發口附近,逐漸堆疊形成了俗稱的「黑煙囪」,它被視為海洋某些物種生命的搖籃,也被學者評為具高潛能的礦產開發區。二○一九年,台灣目前最具規模的海洋研究船之一——勵進號特別至此處採集黑煙囪的樣本,期望能更深入瞭解此區金屬礦生成的機制、分布位置,以及礦產資源開發的潛在可能。

台灣的東北因隱沒作用有著尚未停歇的火山活動,而台灣的東南方也有另一個隱沒系統,只是這裡以不同形式的活動力展現在世人面前。

站在台東的海岸遙望遠方,若天氣夠好,海上沒有什麼雲,通常都能看到海天交界處有一塊略為突起的平坦島嶼。那是綠島,台灣東南方唯二的離島之一,也是暑假期間台灣民眾最喜歡前往的外島之一。一般民眾通常以搭船的方式前往,從台東富岡漁港出發,約一個小時的航程即可抵達。這裡最著名的建築,莫過於綠島監獄。在日治時期,這裡就設立收容所,專門囚禁違法的黑道分子,而至一九五○年代,收容所轉型成監獄,囚禁對象也從黑道分子,轉變為著名的政治犯。至今,綠島中寮村的「矯正署綠島監獄」仍持續收容罪犯。

綠島舊名為「火燒島」,據說是因此地土石如燒焦般,呈燻黑色;而海上帶來的鹽風、春夏時期吹拂的焚風,以及秋冬冷冽的東北季風,都容易讓此處的草木枯黃,如同火燒一般。「火燒島」這名字,配上島上冰冷無情的監獄建築,讓島嶼添上一層肅殺氣氛。但若從另一個角度看,「火燒島」其實也反映出這座島曾經活躍的地質往事。

綠島與龜山島一樣屬於火山島,只是綠島已經沒有火山活動,但是在島嶼上,處處可見火山活動所遺留下的地質地形,像是保有火山口的錐狀火山、因差異侵蝕作用顯現成奇形怪狀的火山角礫岩塊、大片的六角柱狀節理等等。有趣的是,當你繼續往東南方的蘭嶼,甚至回到台東海岸山脈,就能發現此處也由火山岩、火山碎屑岩及深海沈積岩等海洋地殼物質構成,說明海岸山脈與綠島、蘭嶼具有相同的地質來源。

台灣本島中壢-花蓮連線以南地帶皆屬於呂宋島弧系統,為台灣本島最重要的構造系統,而台灣東側的海岸山脈與綠島、蘭嶼等離島,都屬於西北呂宋島弧的一塊。呂宋島弧系統同樣是菲律賓海板塊與歐亞板塊聚合之處,但比琉球島弧系統更加複雜的地方在於,中壢-花蓮連線以南地帶經歷了「隱沒、然後碰撞」的兩階段事件。

剛剛提及台灣東北的琉球島弧為菲律賓海板塊隱沒至歐亞板塊的產物,依據兩板塊的比重差異,這裡的隱沒形式非常「正常」;然而在呂宋島弧一帶,學者卻發現歐亞板塊向東下插到菲律賓海板塊之下,這樣的現象違反常理。有研究顯示,歐亞板塊能隱沒至菲律賓海板塊之下,是因為原來的歐亞板塊前緣連結了南中國海板塊,這個古老板塊的比重比菲律賓海板塊大,因此當時在往東隱沒的同時,能順帶拉著歐亞板塊一同隱沒。

原先,南中國海板塊向東隱沒的時候,隱沒而熔融的岩漿竄升至菲律賓海板塊上方,形成一系列的呂宋火山島鏈(呂宋島弧),而隱沒的過程中,海床表面一部分沈積物會像是被堆土機刮鏟、層層堆疊、抬升形成「增積岩楔」,這就是台灣島的前身。

當比重較小的歐亞板塊受南中國海板塊牽引、跟著下插到菲律賓海板塊之下後,歐亞板塊就因無法繼續隱沒而「卡住」了,倒是菲律賓海板塊繼續向西北方向擠壓,呂宋島弧北端一座座的火山島被板塊向西北推送,最後與陸地相碰。因島弧與陸地的岩石比重都不大,擠壓過程無處隱沒,只能往上堆疊而造山,加上呂宋島弧順著菲律賓海板塊斜向碰撞陸地,台灣從最北方開始造山,造山位置並隨時間往南推移,才逐漸形成了現在的台灣島。

台灣山脈由西向東分別為西部麓山帶、雪山山脈與脊梁山脈,岩石組成從沈積岩逐漸受溫度與造山應力作用形成變質岩,海岸山脈則是呂宋島弧碰撞增積岩楔的產物,台灣島即為火環帶上因碰撞造山而形成的島嶼。「弧陸碰撞作用」至今仍在進行著。海岸山脈從原本出露於海上的火山島變成了台灣本島的一塊之後,緊接著要撞上台灣本島的將會是綠島及蘭嶼。

所以在非常遙遠的未來,若人類還有幸站在台東的海岸邊眺望,將會看到與現在不同的景色:綠島或許已經幾乎靠近海岸,而蘭嶼則小小的、位在靠近海天交界線處。

正因太平洋西側旺盛的板塊活動,以及獨特的碰撞造山作用,使得這座小小的島嶼得以一次展現多樣地質景象,由北而南的地理位置則對應出造山作用時序,讓國際學者能藉由走一趟台灣,完整領略造山作用的先後變化。板塊活動產生的地熱資源,在台灣多處皆能發掘,是未來具備新興能源可能性的指標之一,其附加的礦產資源潛能也備受關注。台灣從高山至海洋,從都市到離島,無一不是億萬年來地質與生態多樣性的演示場。

相關書摘 ►《地震:火環帶上的臺灣》:台灣第一高樓「台北101」如何抗震?

書籍介紹

本文摘錄自《地震:火環帶上的臺灣》,春山出版
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作者:林書帆、黃家俊、邱彥瑜、李玟萱、王梵

記九二一地震二十週年
給每一個曾經經歷地震的台灣人
不恐懼的勇氣!

  • 九二一地震改變了什麼?在台灣歷史上造成什麼影響?
  • 以板塊為尺度,透過地震帶分布、活動斷層分布圖重新認識台灣
  • 災後重建揭開社會不同層面的問題,也改變了這一代人,成為重要社會資產
  • 九二一地震將全球地震學研究推往新的里程碑,推動台灣科研與防災系統大躍進
  • 在下一次地震災害來臨前,建立應有的家居建築與防災避難知識,提升整體防災能力

國家災害防救科技中心X春山 合作出版

一九九九年九月二十一日凌晨一點四十七分,台灣歷經了一百零二秒的劇烈搖晃,全台十多個縣市共兩千多人喪生,逾十萬戶房屋倒塌,其中包括中部地區近二分之一的學校校舍。電力設備塌垮造成震後立即停電,多處山線鐵路中斷,公路災損更嚴重,尤以台三線與中橫公路最劇,全台災損總計超過三千五百億元。這場芮氏規模七點三的世紀地震,從震央南投集集擴延全島,史稱九二一地震。

台灣位於環太平洋地震帶、板塊交界處,因為億萬年來未曾停歇的板塊碰撞與造山運動,台灣才得以形成今日樣貌。然而,板塊運動引發地震,讓島嶼注定要面對這些災難。一九○六年時日屬嘉義廳打貓東頂堡梅仔坑莊(梅山)巨震造成一千多人遇難;一九三五年苗栗因獅潭斷層與屯子腳斷層引發新竹——台中巨震,三千多人罹難,是二十世紀台灣最嚴重的震災。二○一六年二月六日高雄美濃地震、二○一八年二月六日花蓮地震都因不同震因造成傷亡。大自然一方面帶來毀滅,另一方面卻也創造生命。因為造山,台灣的生物與地質多樣性得以盡情展現。

本書以九二一地震為核心,構築出一部因山崩地裂所寫下的台灣當代自然環境與社會史,更盤點全球與台灣重要地震與海嘯事件如何牽引國際科學合作與社會重構,多視角重新理解地震。

九二一地震為何造成如此巨大的災害?活動斷層是板塊構造作用下的必然產物,九二一地震即是車籠埔斷層劇烈錯動、猛烈釋放能量所致。九二一之後,台灣全面關注活動斷層研究,二○一二年中央地質調查所公布了台灣三十三條活動斷層,透過活動斷層分布、地震帶分布,希望解開斷層構造與再現週期之謎,讓人們對斷層有更多的理解並卸除未知的恐懼。

此外,九二一地震讓人們看到地震導致的複合型災害,除了山崩地滑、建物橋梁毀損,更引發重視的是土壤液化。全國土壤鑽探資料庫,以及全國液化潛能圖建置完成,土壤液化與地質成因的研究延續到二○一六年二月六日高雄美濃地震、二○一八年二月六日花蓮地震,不斷有新的進展。

全世界地震研究也因九二一地震而有重大突破。一九九九年以前,規模大於七級、距斷層二十公里以內的近斷層強地動資料,全世界只有八筆,九二一地震後,貢獻了六十多筆,這項紀錄至今尚未被超越。此外,台灣將九二一地震研究資料公開分享全球,促成許多國際重量級學者來台交流,全球以車籠埔斷層為主題的研究有六、七百篇,更培養出台灣如今中生代的一批重要學者,讓台灣地震科學大步躍進。

九二一後,台灣從地震觀測躍進到「地震即時速報」,計算單位由「分鐘」縮短成「秒」,領先全球,並將此系統回饋國際社會。透過九二一後的「深井鑽探」,科學家從地底一千一百一十一公尺處取得斷層帶的新鮮岩心,藉此瞭解斷層錯動過程中發生了什麼化學、物理變化,研究成果登上國際期刊。而利用地裂進行的「槽溝研究」,更足以對中部地質與斷層的再現週期有深刻理解。

回返現場。九二一重建是一個史無前例的龐大社會工程,揭開不同層面的問題,本書從山區、市區到原鄉,帶出不同的重建面向,包括重災區南投埔里、雲林草嶺村、大安溪沿岸原住民泰雅部落、台中集合式住宅太子吉第等。當時,許多宗教與社會組織在重建工作中擔任要角,本書特別以台灣基督長老教會為例,從二十年歷程回看九二一經驗是如何讓教會青年與年輕社工陪同災民一起摸索、操練能力,從此改變了這一代人,改變了他們未來要走的路,不論是社工或是災民,都成為台灣非常珍貴的資產。

九二一地震不僅將全球地震學研究推往新的里程碑,更促使台灣在社會重構、災害防治上進步,例如:地震參數本土化研究的防災應用、耐震設計標準法規化、建立常備緊急應變系統,以及建立大規模地震情境模擬機制等。當防災可以直接進入日常生活,面對注定再來的地震,我們將有更多的瞭解與準備,不再恐懼。

春山《地震:火環帶上的臺灣》立體書封
Photo Credit: 春山出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰