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天然氣水合物:臺灣西南海域的泥火山

96/04/04 瀏覽次數 15212
泥火山

民國93年10月15日凌晨,位在屏東縣萬丹鄉鯉魚山的泥火山再度爆發,泥漿噴發的高度大約有一層樓高,巨大的噴發力把道路炸出一個大洞。圍觀的農民一時興起,趨前點火,泥火山因而冒出熊熊烈焰,把兩旁紅豆田的種苗燒成焦黑。萬丹鄉的泥火山每年會不定時地噴發二至三次,但每次噴發的地點都不盡相同。

不過,比起同年4月14日的噴發事件,這一次噴發的規模與威力都比較小,時間也比較短。然而,引起民眾議論紛紛的是,在泥火山噴發以後的當天中午12點8分,宜蘭外海也恰巧發生了芮氏規模7的大地震,陸地上的最大震度達到5級,臺北、宜蘭、花蓮都感受到4級的震度(中央氣象局地震報告編號93094號)。

地質、地理學家從事泥火山研究已經有約兩百年的歷史。它獨特的地表形貌,在早期被當作深部地層蘊含石油的證據。近年來,學者認為它可能是甲烷氣從岩石圈逸散至水圈和大氣圈的重要通道,間接影響全球氣候變遷。泥火山活動周期的異常及噴發流體成分的改變,也可以用來監測地震活動。由此可見,泥火山的活動對於人類的生活有相當重要的影響。

泥火山是火山嗎?為什麼會形成泥火山呢?應該是許多人在看到泥火山以後,第一個湧上心頭的疑問。泥火山,主要是因為泥混合了足夠的水和氣體,經由狹窄的通道或裂隙噴出地表後堆積而成,其中的氣體成分以甲烷為主。泥火山的外形差異極大,主要由泥質噴發物的黏滯性,以及泥火山的活動強度和頻率所決定。由於甲烷氣體具可燃性,有些泥火山甚至可以燃燒數日至數月之久,外貌像極了正在活動的火山,因此兩者經常被混淆。

臺灣陸上的泥火山

臺灣陸上的泥火山主要分布在臺南、高雄、屏東及臺東縣境內,多半位在背斜(地層隆起的構造)軸部及斷層附近。

學者根據泥火山的分布,把臺灣的陸上泥火山分成4個帶。第一是古亭坑背斜泥火山帶,包括鹽水坑、龍船窩、烏山頭、大滾水和小滾水5個泥火山區,大致沿古亭坑背斜呈等距離線狀排列。第二是旗山斷層泥火山帶,包括小份尾、南勢湖、千秋寮、烏山頂和深水5個泥火山區,大致沿著旗山斷層呈線狀分布,這一地帶的泥火山較密集,活動最劇烈。第三是高屏海岸平原泥火山帶,包括縲底山、滾水坪及鯉魚山3個泥火山區。第四是東部海岸山脈西南段泥火山帶,包括羅山和電光兩個泥火山區。

海底是否也有泥火山

陸上有泥火山,海底是否也有泥火山呢?泥火山的形成環境通常有3項特徵:第一是有泥或頁岩層的分布,供應泥火山泥;第二是有側向擠壓大地的應力,例如在板塊隱沒帶、造山帶等聚合型板塊邊界;第三是地層中有斷層或破碎面,提供泥火山噴發的管道。無論在陸域或海域,只要符合上述特徵,便有形成泥火山的可能。

據估計,目前世界上已知及推測的泥火山總數,陸上超過9百座,海底超過8百座。就數量與所占比率來說,海底泥火山研究的重要性是不容忽視的。

天然氣水合物

近年來發現,部分海底泥火山與天然氣水合物的分布有高度的關聯性,海底泥火山因而成為探勘海底下天然氣水合物的重要參考。

天然氣水合物是一種籠形結晶的包合物,由水分子所組成的籠形構造,把以甲烷為主的氣體分子包裹在構造中的空隙內,是一種存在於低溫、高壓下的結晶產物。受限於溫度及壓力條件、天然氣供應等因素,天然氣水合物在大自然中的分布,局限在極區與陸緣的海域。保守推估全球天然氣水合物中的有機碳含量,是目前已知傳統化石能源中有機碳總儲量的兩倍。因此,天然氣水合物被認為是21世紀最有潛力的新能源之一。

當溫度及壓力改變到標準溫度及壓力時,理論上1立方公尺的天然氣水合物可以解離產生0.8立方公尺的水與164立方公尺的天然氣。這些解離後所產生的大量流體,便可能沿地層中的斷層或破裂帶向上噴發,而形成海底泥火山。

研究海底泥火山的工具

如何穿透數百公尺,甚至數千公尺的海水層,去研究海底泥火山的形貌、分布位置與活動狀況呢?這是個有趣的問題,也是個困難的挑戰。

近年來,在聲納技術不斷精進之下,應用水中聲學原理設計的高解析度探測儀器,使人們得以深入研究不易直接觀察的海洋世界。我國運用在海底泥火山研究的聲學儀器主要有4種,分別是高頻聲納剖面儀、連續變頻聲納、反射震測系統及側掃聲納,探測資料都由國科會的海研一號研究船蒐集而來。由於每種儀器的解析能力及探測目的不盡相同,在海底泥火山的研究中能夠發揮互補的功用。以下分別對各項儀器的工作原理做簡單的介紹。

高頻聲納剖面儀 這一套儀器主要利用聲納拍發頻率38千赫的聲波,可以用來觀察海底火山、氣體噴柱等細微氣體活動的跡象,也可以計算氣體噴柱的高度,來推估海底泥火山活動的強度。由於其高頻聲波的特性,主要用來觀測水體中物質及海底的形貌變化。除了地質調查外,更常用來探測水體中的魚群動態及數量,使用者可以藉由聲波回訊,分析魚群豐度及分布狀況,進而協助漁業撈捕。

連續變頻聲納 這是一種高解析度的海底地層剖面儀,可觀察淺部地層的細微變化,近年來廣泛運用在海洋環境調查、海洋考古、海底管線鋪設、海底崩移等調查。裝設在海研一號研究船上的連續變頻聲納BATHY-2000P,具有8公分的高解析度,穿透力最大至海床下2百公尺,2千瓦的功率放大器可以在1萬1千公尺深的海域進行探測。這個系統向海底發出頻率介於1至11千赫的聲波,主要頻率是3.5千赫,聲波束寬在25至50度之間。

連續變頻聲納剖面圖可以用來辨識海底泥火山的泥質物和流體所造成的聲學特徵,也可用來估算海底泥火山的高度與直徑。藉由整齊規劃的測線,可以獲得海底泥火山大致的分布狀況。

反射震測系統 反射震測系統主要利用空氣壓縮機把高壓空氣(每平方英寸約2,000磅的壓力)輸送至高壓空氣槍,經系統擊發後,藉由槍瞬間釋放空氣而產生聲波。聲波傳遞至海底地層後反射回來的訊號,則由拖曳在船尾的受波器電纜陣列接收。由於高壓空氣槍的聲波頻率較低,一般在150 Hz以下,因此具有較強的穿透力,對於深部地層的研究有極大的幫助,在石油探勘方面是不可或缺的工具。

反射震測資料提供海底泥火山下方數百公尺的地層資訊,主要用來研究深部地層的構造,並探討海底泥火山噴發流體的可能來源。

側掃聲納 側掃聲納也是研究海底泥火山重要儀器中的一種,但不同於上述儀器的聲學剖面,它提供了海床平面的聲學資訊,較能獲得泥火山在一個區域內完整的分布狀況。

側掃聲納發展於1970年代,最初以搜尋海底物件為目的。它主要是利用拖曳在船後、俗稱拖魚(tow-fish)的流線型載具上的音鼓,從拖魚兩側向海底釋放高頻但窄幅的聲波,同時接收經由海床散射回來的訊號,類似光學攝影般記錄成測音圖。除了運用在目標物,例如沉船、失事飛機殘骸等的找尋之外,也可以提供海床形貌與底質判斷的相關訊息。

海底泥火山的泥質噴發物有別於周遭海床的泥質或砂質沉積,有較高的反射能量,在側掃聲納測音圖上會呈現較深的顏色,藉此可估計海底泥火山的分布、規模及泥質物溢流的範圍。

臺灣西南海域的海底泥火山

臺灣陸上泥火山的研究,經過學者多年來的投入,在各方面已有相當的成果。至於海底泥火山,則礙於探測技術,至今才能對它們的形貌、分布位置及活動狀況做系統性與全面性的研究。

目前除了發現在枋寮外海及琉球嶼周圍有泥火山群聚外,也發現高雄外海的泥火山分布與附近陸地上的泥火山有連貫性,初步估計臺灣西南海域可能擁有超過94座的海底泥火山。

至於泥火山的噴發原因為何?推測在水深小於1千公尺的海底泥火山,可能是由於深部受擠壓的泥岩層上方產生了斷層或破碎面,導致泥質物和流體沿著這些管道向上噴發而形成的。水深大於1千公尺的海底泥火山,則可能是由於天然氣水合物解離產生了大量甲烷氣和水,經由斷層或破碎面向上噴發而形成的。

海底泥火山的研究目前尚處在起步的階段。由於透過聲學儀器探測是間接的方法,不能確定所見是否真的是海底泥火山,證據愈多僅代表可能性愈高,因此仍需要依賴直接觀測的儀器來加以確認,例如海底攝影機、小型無人潛艇等。除此之外,未來也希望輔以直接鑽鉆取得樣本,進一步研究泥火山噴發流體的成分與來源。
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