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火山:量測火山體溫–地溫監測

火山噴發會有前兆嗎?地溫突增是火山爆發的前兆之一,監測火山附近地下的溫度變化,是科學家研究火山活動的重要方法。
 
 
 
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」。
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