台湾花莲县海域7.3级地震及其触发火山活动的可能性分析

宋雨佳 盘晓东 康建红 顾国辉 关升 李萌萌

[摘要]  北京时间2024年4月3日07时58分在台湾花莲县海域（23.81°N，121.74°E）发生7.3级地震，地震灾害影响较大，引起国内外广泛关注。本文对此次地震的地质构造背景及其灾害影响，以及受地震作用导致山体崩塌的龟山岛火山活动等方面进行了介绍，重点针对此次地震是否会触发龟山岛火山活动的可能性进行了综合分析。通过地震及高光谱气体数据分析可知，龟山岛火山尚未出现明显的异常响应；随后通过引入地震对潜在火山触发的无维指数来定量判断触发的可能性，经测算触发指数TRIGI值为19.8（>10），短期内地震触发龟山岛火山喷发的可能性较低，从定性定量上分析龟山岛火山当前仍处于休眠状态。未来将继续收集完善火山喷发前的宏微观前兆异常资料，跟踪研判火山活动状态，得出更精准可靠的触发可能性结论。

[关键词] 台湾7.3级地震; 龟山岛火山; 火山活动

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-057

0  引言

北京时间2024年4月3日07时58分在台湾花莲县海域发生7.3级地震，震源深度12 km。震中位于（23.81°N，121.74°E），距台湾岛约14 km。本次地震震级大，影响范围广，目前已造成台湾花莲县多处房屋倾倒，上千人伤亡，居民住处大规模停电，同时引发了局地海啸，备受国内外关注。

1  地震地质背景

台湾东临太平洋，属于环太平洋地震带，位于欧亚板块和菲律宾板块的交界部位（图1a），板块碰撞所产生的巨大压力经常产生大量中强地震^[1]。此次地震震中位于菲律宾板块向北西斜向俯冲地带，由于菲律宾板块的斜向俯冲作用在台湾地区及其东部海域除了形成俯冲带外^[2]，还发育了左旋走滑断裂及其以西的近南北向逆断层系。震中所在区域历史上曾发生大量中强地震，原因是板块间俯冲碰撞导致地壳强烈缩短和斜向剪切变形，高震级地震频发。根据中国地震台网速报目录，震中周边200 km近5年来共发生4级以上地震256次，本次地震是最大的。

2  地震灾害影响

受特殊构造背景影响，此次台湾花莲县海域地震主震震级大，主余型地震序列十分丰富，发生了较多的5级以上强余震，最大余震6.5级。地震使得福建福州、厦门、泉州、宁德等多地震感强烈，上海、浙江、江苏、江西等地有震感，对当地造成大规模财产损失、地质灾害。如苏花公路路边发生大规模山体滑坡；苏花大清水隧道坍塌，道路中断；台北捷运宣布停止运行40～60 min；福建、江西、广东、上海等地的部分铁路运行受到影响。地震导致电力设施受到影响，岛内一度有30.8万户遭受停电，位于震中附近的花莲县停班停课，多栋大型建筑倾斜摇摇欲坠或倒塌成废墟。据台湾消防部门统计，截止4月3日23时，地震已造成9人死亡，1011人受伤。

自然资源部海啸预警中心4月3日8时左右发布海啸Ⅰ级警报（红色），监测数据显示，中国台湾花莲站等地都监测到超过20 cm的海啸波，地震已经在震源周围引发了局地海啸，此次海啸也是自2022年汤加火山爆发导致了环太平洋全域海啸后，又一次对我国沿海地区产生较大破坏性的海啸事件^[3]。据日本广播协会报道，日本气象厅3日面向宫古岛、冲绳本岛等地发布海啸警报；受地震及海啸影响，日本冲绳地区52架次航班取消。菲律宾也发出海啸警报，要求沿海地区进行疏散。

此外，此次地震还导致距离震中直线距离约117 km的宜兰县龟山岛龟首小部分岩石崩落，山体下方溅起大量粉尘，龟山岛形状并未发生重大变化（图1b）。由于此次台湾花莲县7.3级地震震中和该火山均具有相似的地质构造背景，二者相距较近，需要密切关注地震是否会触发龟山岛火山活动。

3  龟山岛火山概况

龟山岛火山（Kueishantao volcano）处于台湾宜兰县东约12 km的西太平洋上，属于琉球火山岛弧上的火山。地理位置是（24.841°N，121.953°E）。

龟山岛火山是全新世復合式活动火山，位于菲律宾海板块向欧亚板块俯冲造成陆壳断裂下陷、张开形成的台湾断层系和冲绳海槽南部裂谷系延伸交接部位，具有典型的西太平洋沟-弧-盆体系的特征。龟山岛火山主要由安山质火山岩组成。

龟山岛火山研究程度尚不深入，前人在龟山岛火山角砾岩中发现了被烘烤的石英砂岩，经过热释光测年，获得喷发时间为7 ka^[4-5]，属于全新世喷发活动。另外，在热释光定年的堆积层之上，还发育有熔岩流的堆积层位，说明7 ka之后仍存在大规模的溢流式喷发活动，1955年曾经出现过磺烟（硫磺烟雾）大喷发，较小规模的喷发也接连不断（表1），由此可见龟山岛火山是一座全新世喷发的活火山，尽管统计结果表明龟山岛火山目前并未到达临近喷发状态，但仍需对其加强火山监测研究，重点关注宏微观前兆异常活动。

现有监测资料显示，龟山岛火山及周边海域硫磺喷气孔和温泉大量发育。据统计，有超过30 处的热液喷泉分布在约10～30 m的水深范围内。这些热液喷泉温度高达116℃，pH值（25℃）低至1.52，流量高达158 t/h^[5]。喷出的气体成分主要为CO₂，其次为N₂，CH₄和H₂S，来源具有多样性，主要来自地幔、海洋岩石圈和海底沉积物。

4  地震触发龟山岛火山喷发的可能性分析

一些区域性大地震（大于6级）发生后被认为可能会触发附近火山的动荡或喷发。此次台湾花莲县海域7.3级地震震中位置与龟山岛火山距离较近（<200 km），这次地震事件是否有可能触发龟山岛火山活动，引起了科学界和社会各界的广泛关注。

4.1  火山活动监测结果分析

根据火山活动监测资料，台湾北部主要有大屯火山及龟山岛火山2个活动火山区，其中大屯火山监测手段丰富，监测方式包括微震、温泉水酸碱度、温泉水导电度、土壤气二氧化碳浓度、地温、地表变形（倾斜度）等。监测数据（资料来源于https：//tvo.ncree.narl.org.tw/decrypt/live）顯示，3月24日—4月2日期间火山区微震最大频次约为30个/天，平均频次小于10个/天，土壤气二氧化碳浓度接近于零，温泉水酸碱度、导电度无异常，地温仍处于平稳状态，同时并未监测到地表形变（图2）。

我们重点分析与此次地震具有相同地质构造背景的龟山岛火山的监测情况。相比于大屯火山活动监测网络相对完善，龟山岛火山活动监测数据资料较少，2000 年8 月12 日，在龟山岛附近海域水深20 m处曾发现了一个高达6 m的黄烟囱体，分析认为龟山岛附近的硫来自岩浆去气作用产生的H₂S和SO₂，微量和稀土元素组成反映出其主要来自龟山岛安山岩，并受到了海水组分的影响，是安山岩和酸性流体相互作用的结果。此后火山喷气活动频率较低。通过收集龟山岛火山120 km范围内的地震目录（2024年3月29日—4月4日）统计分析表明，此次大震前后火山附近并无地震发生，地震主要集中在花莲县周边海域，且越靠近火山区地震震级越小（图3）。综上认为，该火山并未表现出异常活动，目前仍处于休眠状态。

红色火山标志是龟山岛火山，黑色空心圆圈是以龟山岛火山为中心半径120 km范围内，实心圆圈为地震震中位置

The red volcano symbol is the Kueishantao volcano， the black hollow circle is within a radius of 120 km from the  Kueishantao volcano， and the solid circles are  the location of the epicenter of earthquakes

4.2  高光谱气体分析

为进一步分析此次地震对火山是否存在一定的触发作用，本文利用欧空局Sentinel-5P卫星气体观测数据对龟山岛火山气体浓度进行监测分析。Sentinel-5P卫星搭载的对流层观测仪（Tropospheric Monitoring Instrument，TROPOMI），其成像分辨率为7 km×3.5 km。本次选取与地震和火山活动密切相关的CO、SO₂开展解译，获取了2024年3月1日以来的各观测点40 km²范围内的浓度最大值、最小值、平均值等和经纬度等数据，最终以平均值代表区域内的气体浓度。震中位置、龟山岛火山和大屯火山对流层气体CO、SO₂浓度时间曲线见图4、图5。

从图4中可以看出，震中、龟山岛火山和大屯火山对流层气体CO浓度随时间变化具有一致性。在3月8日、3月26日各观测点出现了低值，部分观测点的数据都是0，总体上浓度变化才0.004 mol/m²，在3倍标准差以内，未发现明显异常信号。

从图5可以看出，震中区域3月14日和3月30日出现了一个突跳，可能对应此次地震的前兆信号，但是异常并不明显。龟山岛火山的SO₂浓度背景值明显高于震中位置和大屯火山，可能跟该火山常年释放含硫气体有关。大屯火山的浓度曲线虽然有一定的波动，但是总体都在3倍标准差以内，未发现明显异常信号。

虽然此次地震震级高、破坏强度大，但是震中位于海域，深部断裂活动释放的气体大多被海水吸收，地表和对流层未观测到明显的异常信号。大屯火山和龟山岛火山对流层气体监测也未发现明显异常，说明此次地震对两座火山触发作用并不明显，不排除有延迟触发扰动的可能。

4.3  地震触发火山活动定量计算

除此次地震外，本文还收集了取自史密森学会的火山爆发VEI目录（https：//volcano.si.edu/），美国地质调查局的地震目录（https：//earthquake.usgs.gov）及全球质心矩张量（GCMT）项目的震级目录（https：//www.globalcmt.org/），共测算筛选了7次地震，这些地震都在对应火山上引发了喷发，整体上TRIGI远小于10，而本次地震与龟山岛火山之间的TRIGI值为19.8，推测由此次地震触发潜在火山喷发的可能性较低（表2）。值得注意的是，TRIGI没有预测的目的，因为它不能解释火山岩浆系统的内部状态，指数值的大小仅表示触发火山活动的概率性。

5  讨论

地震和火山喷发都是十分复杂的地质作用过程，地震和火山相互作用的研究还处于起步阶段，到目前为止，地震触发火山喷发的物理机制仍存在争议，地震引发的扰动更为常见，尤其与热液系统有关。但统计结果说明地震波引起的动态应力变化可以加速火山动荡，地震波本身可能不足以唤醒静止的火山，但如果火山处于临界状态，它可能会被触发喷发。统计研究表明，只有在火山已经准备好喷发的情况下，附近的构造地震才能触发火山喷发。这通常需要满足两个条件：一是火山系统中有足够的“可喷发”岩浆；二是岩浆储存区内存在着巨大的压力。如果这些条件存在，大的构造地震就可能会导致溶解气体从岩浆中释出，压力增加，从而可能导致喷发。因此，每一次大地震后，需关注火山周边一定范围内的火山活动，特别是处在板块俯冲带的火山。

地震对火山活动的触发作用并不一定表现在直接导致火山喷发，也可能只是引起火山扰动，但最终并未发生火山喷发。这需要对所观测到的资料进行综合分析，尤其是捕捉关注岩浆活动的直接信号，如长周期地震和火山颤动信号、明显的火山气体释放加剧及山体膨胀等。本文基于火山监测数据、高光谱气体数据分析，认为龟山岛火山在此次地震前后并未发现有明显的异常响应，随后通过地震触发潜在火山喷发的无维指数计算来进行定量分析，初步研究结果表明，短期内2024年4月3日台湾花莲县海域7.3级地震触发龟山岛火山喷发的可能性较低。未来将继续收集完善火山喷发前的宏微观前兆异常资料，跟踪研判火山活动状态，得出更可靠的地震触发火山活动可能性的研究结论。

参考文献

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Analysis on M7.3 earthquake occurred in the sea area of Hualien County，Taiwan，China and the possibility of its triggering volcanic activity

Song Yujia^{1， 2}， Pan Xiaodong^{1， 2， *}， Kang Jianhong^{1， 2}， Gu Guohui^{1， 2}， Guan Sheng^{1， 2}， Li Mengmeng^{1， 2}

1. Jilin Changbaishan Volcano National Observation and Research Station， Jilin Earthquake Agency， Jilin Changchun 130117， China

2. Institute of Volcanology， China Earthquake Administration， Jilin Changchun 130117， China

[Abstract]  A magnitude 7.3 earthquake occurred at 7：58 a.m. （Beijing time） on April 3， 2024， in the sea area of Hualien County， Taiwan Province， China （23.81°N， 121.74°E）， which had a large seismic hazard impact and attracted widespread attention at home and abroad. This paper introduces the geological and tectonic background of the earthquake and its disaster influence， as well as the volcanic activity on Kueishantao volcano that partially collapsed as a result of the seismic effect， and focuses on a comprehensive analysis of the possibility of whether the earthquake will trigger the volcanic activity. Through the analysis of seismic and hyperspectral gas data， it can be seen that the Kueishantao volcano has not yet shown obvious anomalous responses. Then the probability of triggering is quantitatively judged by introducing the non-dimensional index of earthquake triggering potential volcanoes， and the TRIGI value is 19.8 （> 10）， which indicates that the probability of earthquake-triggered eruption of Kueishantao volcano is relatively low in the short term. At present， the volcano is still in the state of dormancy from the analysis of qualitative and quantitative aspects. In the future， we will continue to collect and improve macro and micro precursor anomaly data before volcanic eruption， track and judge the state of volcanic activity， and draw more accurate and reliable conclusions about the triggering possibility.

[Keywords] M7.3 earthquake in Taiwan; Kueishantao volcano; volcanic activity