一億多年前，現香港糧船灣延伸至果洲群島一帶，一座直徑長達 18 公里的超級火山爆發，爆發的火山灰逾 1300 立方公里，「它的爆發規模不亞於多巴火山或者黃石公園曾有的那種超級爆發，這種規模是會引起全球氣候變化、甚至可能引發一些物種滅絕的。」香港中文大學地球與環境科學系助理教授詹彥博士，說起了香港糧船灣超級火山的活動歷史。

滄海桑田，火山物質冷卻形成的六角形石柱已完全露出了地表，成為了香港地質公園的標誌性地貌。「它保留了之前爆發的一系列的結構，包括從淺部的岩柱狀節理到深部的的那些岩漿通道，到再深部的一些岩漿貯存的區域。」

其中的柱子彎曲的形態和岩墻，在詹彥博士看來都是非常好的教材，能夠讓人們直接理解火山的結構。「我自己覺得，研究火山活動和地質過程就像做法醫一樣，憑一些線索去還原整個地質事件的原貌，而香港的火山，則是大自然早已解剖開來的線索。」

糧船灣破邊洲的六角形石柱，成份是岩漿及熱火山灰，這些溶融狀態的物質冷卻時會形成六角形結構（圖片來源：香港地質公園）

火山爆發前臨門一腳

「火山其實就是熔化的岩石（岩漿）出露到地表所形成的現象。所以，在火山學有一系列問題：首先，岩漿是怎麼形成的？岩漿是什麼成份、有多大的量、形成在地球的哪些地方等等。我們知道火山在地球上也不是隨機分佈的，它們主要分佈在板塊邊界，像環太平洋火山帶、（大西）洋中脊帶等。火山分佈的規律、岩漿形成的原因是全球研究熱點之一。」詹彥博士首先講起了火山學研究的背景知識。

岩漿形成後到出露至地表之間的運移過程同樣是火山學的重要課題。「岩漿在運移的過程中可能不會一直運動着，它有可能會在某一深度停留，形成一個岩漿囊，或者我們習慣稱之為『岩漿房』，我們現在對於岩漿的貯存狀態還有不同的認識。」詹彥博士對常見的「岩漿房」說法作出細論，「大家以前聽說過『岩漿房』，岩漿房好比我們有一瓶水，水壺是空心的，岩漿房裡面的水就是岩漿，『房』的意思是它裡面是均一的均質液體，這是我們一種傳統的認識。但是我們新的認識覺得並非如此，它（岩漿儲庫）更像是被一塊洗過的海綿。地下的話多數還是固體，只有少部分的是液體狀的岩漿，甚至有些氣泡，使得岩漿行為變得更為複雜。」

詹彥博士的研究方向是火山動力學，「就是研究火山爆發的機制，我主要做的就是火山爆發前最後的、那『臨門一腳』，是什麼讓這座火山爆發，有什麼蛛絲馬跡可以讓我們預測它的爆發？」

法國留尼旺島富爾奈斯火山在 1998 年和 2015 年的兩次火山爆發是詹彥博士近期的關注點之一。這兩次爆發都與地下岩漿順着裂縫上升、發生侵入作用有關，「我們就想研究它是如何產生這個縫，岩漿如何到達地表。由於這兩次爆發的行為不太一樣，我們還要對比一下是什麼原因控制了岩漿不同的上升過程。」

他指出，岩墻研究對火山防災十分重要，「因為岩漿順着縫上來，最後會形成類似 2018 年夏威夷基拉韋厄火山爆發那種熔岩流，雖然不會像聖海倫火山爆發那樣造成巨大傷亡，但對基礎設施有毀滅性的打擊。一些突如其來的熔岩流，例如剛果尼拉貢戈火山的熔岩流，就造成了很大的傷亡。」

富爾奈斯火山的「岩漿噴泉」順著地下的裂隙噴湧而出（圖片來源：Fabrice Wislez/AP）

預測火山災害是火山學研究裡最難的一個問題，詹彥博士和他的科研團隊希望「利用這些已知的、對火山爆發機制的理解，最終達到預測火山爆發的目的」。

預測的新篇章

火山研究的天然難點在於，它的活動過程多在於地下，無法直接觀測，這會導致它具有很強的多解性。此外，火山地區還往往較為偏僻 —— 島嶼、海底，或是其它人跡罕至之處，佈設間接觀測手段也並非易事。「最大的難點是火山本身。每一座火山都有自己獨特的結構，這是由它以往的爆發歷史決定的。不同的爆發歷史會導致它有不同的結構，這些結構最終又會影響到它最後的爆發行為。所以很難用一個簡單的模型來代替所有的火山，每一座火山都得具體地研究。當然，控制它的物理過程應該都是相似的，但因為結構不同，導致即使在相同的過程中，在不同的地方也有不同的體現。」詹彥博士總結：「火山最終的爆發規律就是沒有規律，它千姿百態。」

不過這些難點近年也被逐步攻克。詹彥博士笑言，這得益於遙感技術的大規模發展和應用，「有了各種遙感技術還有監測手段，就能對這些多解性和不確定的結構有更深入的了解。」但只通過一些觀測手段來直接預測火山爆發遠遠不夠，科研工作者們如今在追求如何更準確地預測。為達這一目的，詹彥博士的火山研究中用到了數值模擬，這亦是他研究中的特色方法。

通過耦合多個物理場的數值模擬技術研究地下岩漿的上升過程（圖片來源：受訪者提供）

「這像小學數學應用題，把一個問題簡化成簡單的數學形式，然後用各種工具把它解出來就行。」最關鍵的一步就在於把複雜的問題抽象成一個簡單的物理或者數學模型。詹彥博士和其他採集數據的專家合作，採集地表變形、地震、熱等盡可能多的不同形式的數據，以求從不同維度約束模型，「這樣的話各種數據之間是相對獨立的，對模型的約束就更準確一些。這也是為什麼我們有這些多維度數據之後也需要數值模擬。因為一些簡單的數學公式很難把這種多維度的數據都解釋清楚。利用數值模擬，可以將多個物理場合起來，同時解釋熱、變形還有岩石破裂等一系列行為，把這些行為預測出來後，再跟數據進行對比，約束模型準確性。」

如何客觀判斷建立出的模型好不好，或者說，模型和數據是否足夠吻合？詹彥博士由此引出了另一方法 ——「數據同化」。他讀博士時，在美國伊利諾伊大學厄巴納－香檳分校的導師 Patricia Gregg 教授發現，天氣預測中的一個常用的數據同化工具「卡爾曼濾波」，在預測颶風路徑和氣候溫度等方面都非常好用，她思索為什麼不能把它拿過來在火山預報中用一下呢？受此影響，詹彥博士從當時就開始研究這一方法。

美國伊利諾伊大學對於成功預報加拉帕戈斯群島 Sierra Negra 火山的新聞報道；圖左向右依次為詹彥博士、Patricia Gregg 教授、美國國家超級計算應用中心的 Seid Koric 教授
（圖片來源：https://news.illinois.edu/view/6367/913924091）

「它的好處是，當你知道觀測有不確定性的時候，你可以用它的不確定性來得出這些模型的參數到底有多大的不確定性。所以我們最終並不會得到一個所謂的最好的模型，而是會得到一系列的模型。這些模型的參數符合一種分佈，在這種分佈下我們就可以說，這一系列的模型是符合了觀測的。

「因為得到了參數分佈，你還能知道參數之間的關係，這意味你可以知道哪一些參數可以約束得比較好，哪一些不能。這其實增加了我們的認知，因為很多時候我們並不知道，比如說到底是岩漿成分對它影響大，或是岩漿溫度對它影響大。一旦你有新的數據，比如在某座火山被觀測到後，就可以繼續利用這個數值模擬和數據同化的方法，預測之後的參數分佈，預測火山行為。隨着觀測技術的應用、數值模擬的發展、人工智能突飛猛進，可能在不遠的將來火山爆發的預報會和天氣預報一樣普遍。」

火山的饋贈

2016 年，還是博士生的詹彥跟隨導師研究太平洋附近一個火山島鏈的形成。他憶述當時一共在亞特蘭蒂斯號考察船上待了一個多月，其中有一次坐深潛器潛下海底到火山底部觀測採樣。「下潛之前其實我們心裡還是有點害怕，因為畢竟是到兩千多米的水下，水下壓力如此巨大，而且在一個比較封閉孤立的系統，一共就三個人待在一個半徑大概一米的鈦合金艙裡。

「下潛的過程很漫長，大概要八、九個小時，但當時我感覺很快，一瞬間就過完了，所以可想而知，當時心情還是非常激動的，很興奮。因為第一次到了海底下兩千多米，什麼東西都是第一次看到的。」詹彥博士描述自己看到的海底火山先前爆發出來的熔岩的形態，表示海底火山和陸地火山有很大不同，「海底會有很多像枕頭一樣的溶液，我們叫枕狀溶液。它是由於岩漿爆發之後瞬間遇到水，然後冷卻形成。」即使之後也考察過很多火山，因經歷之特殊加景色之特別，那次海底火山之行仍是他印象最為深刻的。

火山的壯觀與奇特本身就是自然的得意之作，而不只是災害，它同時也為人類社會帶來了許多福利，例如地熱資源、礦產資源。火山是重要的成礦工廠，本質上就是穿透數十公里厚的地殼，把地幔深處的物質帶到地表，其中包括一些稀有元素，香港之前有的鎢礦也與火山活動密切相關。

火山與地下水、與地震之間的交互作用，是詹彥博士剛申請的一個香港研究資助局的研究課題。該課題是香港中文大學與英國埃克塞特大學合作，雲集了一批地球物理、火山學、地球化學、水環境、生物學的學者，希望探索天然的地熱系統和環境是如何進行交互作用。「地下水也很熱，這個溫度的水環境，生物上、化學上它怎麼交互作用，尤其是地熱資源的利用當中，是否會對環境產生變化，而這些變化是有益的還是有害的？像碳的封存，其實也與地下流體貯存有關。」這些均是未知的領域。詹彥博士期望在研究這些過程當中，能為解決環境問題找到鑰匙，規避一些潛在風險。

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