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猛兽睡醒时
陈衍佐在深海探寻火山爆发的规律

2021年10月

从美国俄勒冈州海岸出发,西行五百公里,即至东北太平洋中心。极目四望,但见碧波万顷,殊不知千米之下,乃一众火山与地震学家奉为圣地、名曰轴海山(Axial Seamount)的海底火山。

古往今来,火山爆发和地震夺去无数性命,知悉大地何时动怒,成千上万人或可得救。预测地震与火山爆发,因此成为陈衍佐教授等学者的首要任务,而环顾世上诸多海底火山,以轴海山倍受瞩目。学界一直密切留意此山,历年设置共值逾亿美元的测量仪器、录下超过十五万场地震。陈教授认为,轴海山有趣在其地震频率极其稳定,偶尔又会爆发。最近一次喷发,是六年前的事。

「我们的终极目标是预知各种地质活动。」陈教授说。「或许在我有生之年,我们尚未能预测地震,但预知火山活动却是大有可能。」

大部分火山的熔岩会随时间从位处地下数公里的储存库缓缓升至地面,引发小型地震。过程中,火山口会喷出各种气体,土地则会变形,或起或伏。地震前压力会沿板块间的断层累积,过程十分缓慢,无甚征兆。引来各地学者窥探的轴海山位于胡安・德富卡板块(Juan de Fuca Plate)上一条中洋脊,该板块正没入美国西岸地底。此区长、阔、深约四公里,熔岩库在地下两公里处,研究起来不算困难。

「这个区域定时定候就会受挤压,颇有规律,堪比实验室里的模拟。」陈教授说,该区压力的一大来源是太阳和月亮造成的潮汐力。有了这个天造地设的试验场,学者便可更上层楼,深究各种问题。举例说,如果换一个力度挤压此区域,情况又会怎样?

「难得大自然有这般理想的环境,让我们探究这个系统的运作。」

轴海山有记录以来首次喷发发生于1998年,此后火山再于2011和2015年迸发。观乎种种迹象,学者一度认定火山即将再爆发。

「当时有实时数据显示该区正隆起,我们由此推测火山会在2020年爆发。但来到2021年,火山仍未爆发,而上次喷发至今,已足足六年。」

轴海山的喷发是无法从海面上观测,但学者可利用仪器侦测其活动。有见火山迅速隆起,陈教授本来打算于今年秋季重访当地,讵料一场疫症打乱行程,火山的膨胀又忽然慢了下来,形态复见平缓,他要等到下年方能成行。

遥控深潜器Jason在轴海山火山2015年爆发后,探测海底新喷发的熔岩流,并采集样本

除了备受地震学家注视,热泉活跃、地震频仍的轴海山也引起生物学家和化学家关注。火山于2015年爆发时,一班科学家组队前赴现场。若对熔岩在海底的流向无十足把握,这样一次远航,就得花上天文数字的费用。最后团队远在火山北方三十公里处发现细菌物体,与最初预计的南方相去甚远。

「大海茫茫,一片漆黑,预测熔岩流的位置,毫不容易。」陈教授说。「测绘工作,可是要逐米逐米来做。」

生命因火山爆发预报而得救的事例,早已有之。1991年,菲律宾皮纳图博火山(Mount Pinatubo)爆发,约八百人因屋顶塌下等原因丧生。不幸中的大幸是,逾八万名邻近火山的人得以提早撤离──这便要归功一众专家在这座满布密林、一直不动声色的火山十周前出现异样后日夜监察,最终预测到这场爆发,让大众有几日时间准备。

相比之下,1815年印尼坦博拉火山(Mount Tambora)爆发的灾情惨重得多。这场一万年来最大规模的火山爆发产生大量灰烬和毒气并引发海啸,直接导致约一万一千人丧生。及后高达四十三公里的喷发柱遮蔽阳光,邻近岛屿上的植物死亡,再多九万二千人因饥荒逝世。爆发最后更导致全球气温骤降,1816年亦因而成为「无夏之年」。

杀人类一个措手不及的,还有1883年的印尼喀拉喀托(Krakatoa)火山爆发。这场在伤亡数字上仅次于坦博拉爆发的浩劫发生时,电报技术已面世多年,后人因而对灾情有更深入了解。这次爆发一下子瓦解整个喀拉喀托岛,三万六千五百人死于挟带热气、火山物质的高速碎屑流和高达三十米的海啸。

虽有皮纳图博爆发这个成功案例,但2019年纽西兰怀特岛(White Island)爆发前,科学家却未留意到任何征兆。而震动出现后,游人仍冒着二级火山活动增强警报在岛上游览,最后四十七名游客当中有廿二人丧生。

同样猝不及防的有2014年日本御岳山蒸气喷发,六十三名山客在山上一条热门远足径遇难。事发当日是个天朗气清的星期日,火山在爆发前冒烟,引来部分人驻足拍照,未料山口旋即喷出石块。伤亡者中,大多正是被落石击中。此山曾于1979年爆发,一直有地震观测站监察。

「现有的预报系统仍未臻完善,失手的时候还是有的。」现任中大地球系统科学课程助理教授的陈教授说。

学者多年前便发现,轴海山往往在潮退有较多地震,但一直不得其解。断层上水量下降,理应纾缓火山承受的压力,地震亦应减少。

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

「这现象有悖常识,我们为此伤透脑筋。」陈教授忆述。几经思索,团队终于想通这个貌似不可能的异象。原来火山的熔岩库质地柔软,比周围的岩石易于膨胀和收缩,潮汐涨退时,其所受的压力也有别于四周。当海水高度随潮退降低,库内的岩浆会乘势扩张,增加地震风险。为验证此理论,团队按他们的假设修正模型,再估算该区地震次数的变幅。

「结果显示模型与实况吻合,可见我们的推断正确。」

如今科学家对轴海山的运作有所掌握,预测该区断层上的压力变化时亦得心应手。压力上升时,他们可进而量度该处地震频率及强度的转变。比起在实验室推敲出来的预算,藉由研究轴海山所得的预测准确得多。须知只有百分之二十的火山爆发是在陆上发生,而藉着研究轴海山,我们或能侦测和理解其余八成、藏在万丈波涛下的火山活动。

「这些数据可谓独一无二,弥足珍贵。」陈教授説。

中译jasonyuen@cuhkcontents
图/Eric Sin