臺大柯彥廷教授大屯火山區的岩漿及地熱庫地震波研究

圖1. 北臺灣地震與觀測站分佈圖。黃點：地震位置；藍色方形：測站位置；網格為建立三維模型的範圍。

撰稿 / 陳睿純 (科學推展中心特約編輯)

速度構造對地震波訊號衰減的影響

地震發生時，震波會從震源以最短的路徑傳遞到不同地震儀所在的地方。因震波在不同的地質構造會有不同的傳遞速度，地震學家可以藉由震波抵達地震儀的時間（到時，arrival time）來推測出震波所途經的地方的速度構造。然而震波的能量會在傳播的過程中逐漸衰減。此能量耗散行為可概分彈性與非彈性衰減。前者描述之能量衰減與波傳距離成正比，後者則和震波途徑之構造有關。在溫度較高或水含量較多的地方，震波的能量會衰減得較快。例如在隱沒帶，海洋板塊向地函俯衝時與大陸板塊的交界處（mantel wedge）熱岩漿或熔融物質存在的地方。反之在溫度較低的區域，震波能量則會衰減得較慢，通常見於易穩定的地塊中。此震波隨不同構造的衰減特徵值（Ｑ值），便提供了地震學家除了震波的到時以外更進一步推測波傳構造的物理性質。其中，能量衰減慢的地區有較高的Ｑ值，衰減快則反之。

震波在頻率域內的衰減

地震波是由多個頻率成分所組成，其能量在傳播過程中會因地下構造的物理性質差異而產生衰減，因此在單一震波中，衰減特徵值（Q值）也會隨頻率而改變。雖然傳統上常假設Q值與頻率無關，但實際上Q值呈現明顯的頻率依賴性。然而，準確推估頻率域內的衰減行為仍具挑戰，特別是受震源特性與路徑效應的交互作用影響，傳統測量方法往往仰賴密集且接近的地震事件，對於震源或是測站稀疏的區域難以適用。

為克服上述限制，國立臺灣大學海洋研究所柯彥廷助理教授團隊與林侑頻博士合作，將林博士近年發展出的P波與S波頻率依賴性衰減估算方法，應用於台灣北部火山區域之研究中。該方法能準確反映衰減隨頻率變化的行為，即使在震源或測站分布不密集的區域亦能進行Q值的頻率性分析，並有效改善以往方法在資料不足時的偏差問題。過去該方法已成功應用於南加州地區，描述其衰減結構在不同深度與頻率下的變化。

臺灣大屯火山區的岩漿及地熱庫

臺灣位於菲律賓海板塊與歐亞板塊的聚合邊界，不僅地震活動頻繁，亦發展出多樣且活躍的火山與熱液系統。為監測北臺灣潛在的火山活動，自2017年起，研究團隊於大屯火山區部署了密集的地震觀測網──福爾摩沙陣列（Formosa Array），該陣列至2019年底已包含146個測站，涵蓋平原與山區，提供前所未有的高密度地震觀測資料。

本研究結合此觀測陣列與頻率依賴性震波衰減反演方法，建構出臺灣北部大屯火山區與鄰近海域的高解析三維衰減模型。研究結果顯示，北臺灣火山帶（NTVZ）以及外海海底火山下方存在明顯的高衰減異常區（低Q值），對應潛在的岩漿庫與熱液活動系統，並於不同深度呈現分布特性；其中，大屯火山群（TVG）下方約1至10公里深處具最顯著的低Q異常，反映出淺層活躍的熱液循環或部分飽和的高溫區域。

此外，研究亦在宜蘭外海琉球俯衝帶前弧區域觀察到高Q值異常，推測可能與地函部分蛇紋岩化相關，該過程可能由海水滲透作用或弧前地函的水合作用所致，產生局部飽和的特徵。此區域的低衰減與高波速結構相互對應，亦可能與變質岩體出露有關。

這些結果揭示了北臺灣地殼與上地函複雜且具深度變化的構造與岩漿特徵，並強化了大屯火山區仍具火山與地熱活動潛能的認識，對於理解板塊邊界處的岩漿演化與潛在火山風險評估具有重要意義。