火山：量測火山體溫–地溫監測
98/05/07
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江協堂｜
臺灣大學海洋研究所
徐春田｜
臺灣大學海洋研究所
岩漿熱能
火山是由高溫岩漿冷卻而成，高溫岩漿的熱能到底從何而來？這是一個有趣的問題。地球內部熱能主要有兩種來源，一種是由放射性元素蛻變所產生；另一種是原始地球形成時，物質往地球中心移動，使重力位能改變成熱能。
供應地球熱量的主要放射性元素有鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）、鋁（Al）、鈽（Pu）等，依半衰期的長短，在地球形成過程中貢獻的熱量不一。例如鈾、釷、鉀等放射性元素具有和地球年齡相同數量級的半衰期，這些放射性元素從地球生成至今一直提供熱量。而半衰期短的放射性元素如鋁和鈽，只在地球形成的早期有較大的貢獻。
由於岩石的熱傳導能力很低，因此縱使地球形成已有 46 億年，僅地表冷卻至室溫。它的內部依然儲存著可觀的熱量，並保持高溫的環境，可使岩石融化成岩漿，在地表一些特定地方噴發出來形成火山。
地底下熔融的岩漿溫度到底有多高？我們很難用一個溫度計直接插在熔岩中去量它，畢竟製造這種溫度計不容易，而且直接去量岩漿溫度對工作人員來講實在很危險。但我們可以分析岩漿冷卻後的岩石成分，再在實驗室內測量這成分的熔點，就可推測岩漿大概的溫度。
岩漿的溫度和它的化學成分有關，依化學成分不同大致可分成 3 種：基性玄武岩岩漿、安山岩漿和流紋岩漿。由實驗室分析得知 3 種岩漿溫度分別是攝氏 1,000 ~ 1,200 度、800 ~ 1,000 度及 650 ~ 800 度。基性玄武岩漿熔點較高，大都來自深於 40 公里的上部地函；流紋岩和安山岩岩漿熔點較低，產生於板塊隱沒帶或大陸地殼的底部。
量測和監測火山的體溫
在人類活動地區無預警的火山爆發，往往產生很大的災害，例如西元 79 年義大利維蘇威火山爆發，造成龐貝和哈克雷紐兩城市毀滅。1985 年哥倫比亞 Nevado del Ruiz 火山爆發，火山泥流淹沒整個河谷，造成近 2 千 5 百人死亡。科學家希望有一天能成功預測某一特定火山的爆發時間，以降低這種大自然活動帶來的災害。
火山噴發前會有徵兆嗎？過去科學家已發現，在火山噴發前可以用地球物理或地球化學方法得到一些蛛絲馬跡。2007 年 6 月夏威夷 Kilauea 火山噴發，研究人員就發現噴發前有地震次數增高、地表大幅度位移、傾斜、地溫增高、地底氣體逸出量改變、熔岩化學性質改變等現象。2004 年冰島 Grimsvotn 火山噴發前，也發現各種頻率的地震波振幅都增加、火山熔岩的流量突然大增等現象。如此看來，似乎是有機會可以預測火山何時爆發。
地溫突增是火山爆發的前兆之一。要了解一個火山的地溫是否異常，應先清楚這個火山地區的背景地溫，就好像想知道人體是否發燒，必須先知道正常人的體溫一樣。當一個人的體溫超過這個溫度時，我們知道他發燒了。因此要了解火山的活動，首先應得知火山的體溫。
接著，透過持續監測火山的體溫，可以推測地底下的岩漿活動強度是否改變。假設地底下已達到熱平衡，則地下某一深度單位體積內的總流入熱量等於總流出熱量，地溫隨時間的變化會等於零，也就是說岩漿活動或其他影響地溫的行為並無異常。若地底下溫度隨時間越來越高，則表示有新熱源提供額外的熱能，這暗示著有岩漿或高溫物質接近，火山爆發的可能性因而增加。
如何監測火山區地溫
由地表往下地溫越來越高，到地球中心溫度可達攝氏 6,000 度，然而從地表到地心，溫度並非依深度呈等比例增加。地表附近熱量傳遞以傳導為主，溫度隨深度增加（稱為地溫梯度）約 30℃∕km；地球內部因有大規模的對流作用，地溫梯度較低。
地底下岩漿的溫度可以高達攝氏 1,000 度以上，若岩漿往地表移動，則地下岩層的溫度勢必升高。監測火山的活動通常是在火山區鑽一口深井，井底越靠近熱源越好。井內用一條纜線串連許多顆溫度感應器，每個溫度感應器所在的深度不同，如此就可呈現各個深度的溫度變化。溫度訊號經由纜線傳到地表的記錄器，以電腦儲存記錄器中的資料，工作人員每隔一段時間前往收取電腦中的資料。若電腦接上網路或其他通訊設備，也可以即時把資料傳回實驗室。
另外也有把溫度感應器、記錄器和資料儲存設備全部放在一起的小型溫度測錄器的設計。監測方法跟上述類似，用繩子把一顆一顆的測錄器垂放在井內，地表上不需再裝設記錄器和電腦。但每隔一段時間收取資料時，必須把繩子自井內拉出地表，才能獲得測錄器中的溫度資料。
影響地溫變化的因素
要得知一個測量值是否準確，必須先了解影響測量值的因子。影響地溫變化的因子，包括岩漿的活動、雨量、潮汐、氣壓、地表溫度的變化、地下水的流動、觀測井的直徑（井徑）等。對監測火山活動而言，上述因子中除了第１項外，其餘都是雜訊，必須予以排除或降低。
雨量、潮汐和氣壓都會引起地下水位的變化，進而影響地溫。降雨的影響跟地層的破碎程度有關，滲透率較佳的地層，雨水進入地層後引起地下水的移動較快，地溫反應也較快。地溫的變化隨深度常有延遲反應的現象，延遲的長短取決於地層滲透能力。氣壓通常和地下水位成負相關，也就是氣壓高時，地下水位會降低；氣壓低時，地下水位會升高。潮汐作用和氣壓類似，都會影響地溫。雨量引起的雜訊一般不易去除，但氣壓和潮汐有固定的周期，可分析它們和地溫變化的相關性以去除雜訊。
地表溫度的變化會往地下傳遞，但幅度（振幅）越來越小，振幅的衰減程度和岩層的熱傳導能力有關，並隨深度呈自然指數遞減。通常溫度日變化影響的深度約 17 公分，年變化影響的深度約 3.3 公尺。周期越長的變化影響深度越深，像數千年的冰河氣候周期，影響深度可達 1,000 公尺。
地下水流動常反應在地溫梯度的曲線上，地底下有裂隙、高滲透率的地層，地下水流動的速度較快，常會造成局部地溫梯度降低。若流體是深處來的熱水，則地溫梯度反而升高。不管流體的溫度如何，如果流速改變就會造成溫度的改變，影響地溫的監測。
井徑的大小會影響井內流體的對流作用。一般井內流體的對流包大約是井徑的數倍，因此一口直徑 20 公分的觀測井，它的對流包長度約 1 ~ 2 公尺，也就是在這範圍內的溫度幾乎是等溫，地溫梯度趨近於零。實際上由一口井的詳細地溫深度圖，可發現地溫曲線呈階梯狀，這就是反應對流現象。對流作用對大於數十公尺的深井監測影響並不大，可以忽略。
臺灣地區的地溫監測
臺灣地區後火成活動（溫泉、地熱、噴氣孔、地震等現象）較強烈的地方有兩處，分別是北部大屯火山區和東北部海域龜山島。雖然這兩處的火山目前已停止噴發，但地下的岩漿是否會再活動？地溫變化如何？值得進行基礎研究。畢竟這兩個火山離我們不遠，甚至很多人住在大屯火山上呢！這兩處是和平安詳的鄰居？還是有潛在暴力的惡鄰？我們可以透過地溫監測，調查一下它們潛在的傾向。
4 年前，中央地質調查所開始利用許多方法，旁敲側擊探查這兩位鄰居的「個性」。在地溫監測方面，目前在龜山島上設置 1 口 290 公尺深的監測井，並在大屯火山區竹子湖、菁山自然保育中心和擎天崗設置 3 口監測井，深度分別是 200、200 和 480 公尺，長期監測地溫的變化。目前各井都設置十餘支小型溫度測錄器進行自動監測。
地下的熱源藉由傳導方式或地下水的流通把熱傳到地表，因此地溫的變化通常緩慢。此外，地溫的變化通常很小，如要在短期間內察覺地溫的改變，就必須仰賴高解析的溫度測錄器。目前使用的溫度測錄器，解析度可達攝氏 0.0001 度，地底下的溫度若有變化，這種高解析測錄器應可觀測到。實際上，經兩年多的地溫監測，發現地底下的溫度變化真的很小，各溫度變化的標準差約為攝氏 0.005 度。若以一般解析度攝氏 0.01 度的溫度計來進行溫度監測，根本無法察覺地溫的變化。
儘管地溫的變化很微小，監測期間曾在龜山島觀測到溫度突然上升的熱脈衝事件，溫度變化幅度約攝氏 0.003 至 0.010 度。這種熱脈衝並非地底下熱源逐漸接近使溫度升高，而可能跟地底下的震動造成水位的震盪有關。目前尚無法確定地震動是否跟岩漿或熱液活動有關，然而這種顯著的訊號已足以挑動研究人員的神經。大家正拭目以待，期待觀測到下一個跳動的訊號。
火山甦醒前，它的體溫可能會逐漸升高，就像冬眠的動物嗅到春天的氣息後，體溫會慢慢上升一樣。科學家希望透過地溫的監測，獲得一些火山甦醒的訊息。但影響地溫的因素很多，為避免「誤診」火山，地溫監測資料須適當修正，使地溫能真正反應火山的行為。臺灣北部火山群的活動情形如何，已有許多科學家展開「會診」工作，未來累積更多資料後，將可讓我們更了解這些火山的「身體狀況」。
