學術探奇

猛獸睡醒時

陳衍佐在深海探尋火山爆發的規律

從美國俄勒岡州海岸出發,西行五百公里,即至東北太平洋中心。極目四望,但見碧波萬頃,殊不知千米之下,乃一眾火山與地震學家奉為聖地、名曰軸海山(Axial Seamount)的海底火山。

古往今來,火山爆發和地震奪去無數性命,知悉大地何時動怒,成千上萬人或可得救。預測地震與火山爆發,因此成為陳衍佐教授等學者的首要任務,而環顧世上諸多海底火山,以軸海山倍受矚目。學界一直密切留意此山,歷年設置共值逾億美元的測量儀器、錄下超過十五萬場地震。陳教授認為,軸海山有趣在其地震頻率極其穩定,偶爾又會爆發。最近一次噴發,是六年前的事。

「我們的終極目標是預知各種地質活動。」陳教授說。「或許在我有生之年,我們尚未能預測地震,但預知火山活動卻是大有可能。」

大部分火山的熔岩會隨時間從位處地下數公里的儲存庫緩緩升至地面,引發小型地震。過程中,火山口會噴出各種氣體,土地則會變形,或起或伏。地震前壓力會沿板塊間的斷層累積,過程十分緩慢,無甚徵兆。引來各地學者窺探的軸海山位於胡安・德富卡板塊(Juan de Fuca Plate)上一條中洋脊,該板塊正沒入美國西岸地底。此區長、闊、深約四公里,熔岩庫在地下兩公里處,研究起來不算困難。

「這個區域定時定候就會受擠壓,頗有規律,堪比實驗室裏的模擬。」陳教授說,該區壓力的一大來源是太陽和月亮造成的潮汐力。有了這個天造地設的試驗場,學者便可更上層樓,深究各種問題。舉例說,如果換一個力度擠壓此區域,情況又會怎樣?

「難得大自然有這般理想的環境,讓我們探究這個系統的運作。」

軸海山有記錄以來首次噴發發生於1998年,此後火山再於2011和2015年迸發。觀乎種種跡象,學者一度認定火山即將再爆發。

「當時有實時數據顯示該區正隆起,我們由此推測火山會在2020年爆發。但來到2021年,火山仍未爆發,而上次噴發至今,已足足六年。」

軸海山的噴發是無法從海面上觀測,但學者可利用儀器偵測其活動。有見火山迅速隆起,陳教授本來打算於今年秋季重訪當地,詎料一場疫症打亂行程,火山的膨脹又忽然慢了下來,形態復見平緩,他要等到下年方能成行。

遙控深潛器Jason在軸海山火山2015年爆發後,探測海底新噴發的熔岩流,並採集樣本

除了備受地震學家注視,熱泉活躍、地震頻仍的軸海山也引起生物學家和化學家關注。火山於2015年爆發時,一班科學家組隊前赴現場。若對熔岩在海底的流向無十足把握,這樣一次遠航,就得花上天文數字的費用。最後團隊遠在火山北方三十公里處發現細菌物體,與最初預計的南方相去甚遠。

「大海茫茫,一片漆黑,預測熔岩流的位置,毫不容易。」陳教授說。「測繪工作,可是要逐米逐米來做。」

生命因火山爆發預報而得救的事例,早已有之。1991年,菲律賓皮納圖博火山(Mount Pinatubo)爆發,約八百人因屋頂塌下等原因喪生。不幸中的大幸是,逾八萬名鄰近火山的人得以提早撤離──這便要歸功一眾專家在這座滿布密林、一直不動聲色的火山十週前出現異樣後日夜監察,最終預測到這場爆發,讓大眾有幾日時間準備。

相比之下,1815年印尼坦博拉火山(Mount Tambora)爆發的災情慘重得多。這場一萬年來最大規模的火山爆發產生大量灰燼和毒氣並引發海嘯,直接導致約一萬一千人喪生。及後高達四十三公里的噴發柱遮蔽陽光,鄰近島嶼上的植物死亡,再多九萬二千人因饑荒逝世。爆發最後更導致全球氣溫驟降,1816年亦因而成為「無夏之年」。

殺人類一個措手不及的,還有1883年的印尼喀拉喀托(Krakatoa)火山爆發。這場在傷亡數字上僅次於坦博拉爆發的浩劫發生時,電報技術已面世多年,後人因而對災情有更深入了解。這次爆發一下子瓦解整個喀拉喀托島,三萬六千五百人死於挾帶熱氣、火山物質的高速碎屑流和高達三十米的海嘯。

雖有皮納圖博爆發這個成功案例,但2019年紐西蘭懷特島(White Island)爆發前,科學家卻未留意到任何徵兆。而震動出現後,遊人仍冒着二級火山活動增強警報在島上遊覽,最後四十七名遊客當中有廿二人喪生。

同樣猝不及防的有2014年日本御嶽山蒸氣噴發,六十三名山客在山上一條熱門遠足徑遇難。事發當日是個天朗氣清的星期日,火山在爆發前冒煙,引來部分人駐足拍照,未料山口旋即噴出石塊。傷亡者中,大多正是被落石擊中。此山曾於1979年爆發,一直有地震觀測站監察。

「現有的預報系統仍未臻完善,失手的時候還是有的。」現任中大地球系統科學課程助理教授的陳教授說。

學者多年前便發現,軸海山往往在潮退有較多地震,但一直不得其解。斷層上水量下降,理應紓緩火山承受的壓力,地震亦應減少。

陳教授及其博士生<em>(右起)</em>Adnan Barkat、宋子琳、劉慧

「這現象有悖常識,我們為此傷透腦筋。」陳教授憶述。幾經思索,團隊終於想通這個貌似不可能的異象。原來火山的熔岩庫質地柔軟,比周圍的岩石易於膨脹和收縮,潮汐漲退時,其所受的壓力也有別於四周。當海水高度隨潮退降低,庫內的岩漿會乘勢擴張,增加地震風險。為驗證此理論,團隊按他們的假設修正模型,再估算該區地震次數的變幅。

「結果顯示模型與實況吻合,可見我們的推斷正確。」

如今科學家對軸海山的運作有所掌握,預測該區斷層上的壓力變化時亦得心應手。壓力上升時,他們可進而量度該處地震頻率及強度的轉變。比起在實驗室推敲出來的預算,藉由研究軸海山所得的預測準確得多。須知只有百分之二十的火山爆發是在陸上發生,而藉着研究軸海山,我們或能偵測和理解其餘八成、藏在萬丈波濤下的火山活動。

「這些數據可謂獨一無二,彌足珍貴。」陳教授説。

中譯jasonyuen@cuhkcontents
圖/Eric Sin

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