九游会（J9）

　　台灣雖然也位於環太平洋的『火環帶』上,但台灣本島的火山活動並,活躍,除,台灣,部的大屯火山群仍有明顯的火山活動之外,台灣島上並無其他任何現生的火山存在。大屯火山群,僅在人,,史上並沒有任何噴發的紀,,而且根據過去的地質調查顯示,最近的一次噴發大約是一、二十萬,前,所以大屯火山群過去常被認為是一個休火山或甚至是死火山,看待。然而,最近之火山灰研究指出,大屯山之最後一次噴發可能在五至,千,前。大屯火山群正處於台,盆地的正,方,為台灣唯一具有火山自然景觀之國家公園,距,大台,的,會區之市中心(台,101大,)也僅一、二十公,遠。故大屯火山群是否,活的可能性,,僅是一個值得研究的科學問題,,關係大台,附近民眾的生命財產安全。

　　針對大屯火山活動性之問題,過去台灣相關之政府機關與大學研究機構均已有多項火山監測之研究工作持續正在進,,但是其觀測資,與結果常分散於各單位,較難達到整合之效果。同時,目前所有基本觀測資,尚未能達成即時監測之功能。計畫之主要目標為建,一個大屯火山觀測站,希望將所有觀測資,與成果彙整於觀測站,以,於同時判斷任何可能之火山活動。此外並將目前多項監測(地震、GPS、地溫及部分火山氣体)重新改善為即時傳輸之系統,以期達到真正即時監測火山活動之目標。

　　傳統上,用火山噴氣與溫泉水氣之地球化學組成分析,監測火山活動,唯採集樣品時經常要靠近火山噴發口位置,有較大的危險性,在火山噴發前與同時幾乎,可能靠近採集樣品,且,,設置長期,續監測站,最近對於活火山的監測,除,傳統的定期人工採集火山,體分析監測以外,世界上主要的火山監測站也同時採用較為安全又能夠,續監測的土壤氣體分析方法,,同步監測可能的地下岩漿活動和火山活動。

　　本站將定期直接採集火山氣體,分析其氣體成份,,表一,,由於火山溫泉中的溫,和pH值受控於火山氣體溶於水中的結果,對火山的活動性有所反映,因此本站也將定期採集大屯火山群全區十個地點的溫泉水樣,對其水體中的總固容,(TDS)、酸鹼值(pH)現地,測,、電導,,現地,測,等,及其他,子,,表一,進,監測研究。

　　監測站設置的原,為近,,最常被使用的密閉式氣罩法(Chiodinietal.,1998),主要由三部分組成,(1)二氧化碳分析儀、(2)密閉氣罩、(3)定時抽氣泵浦。主要使用的儀器為EDINBURGH所製造的二氧化碳分析儀,使用NDIR紅外線感測器,偵測範圍為0-30%,內建抽氣泵浦,其,速為1Lmin-1。密閉容器的總體積為11245,方公分,高21.5公分、底面積為523平方公分,容器上有四個可供氣體進出的,接孔,為,避免內部壓,過大而影響氣體通,的變化,於是我們加裝毛細管以維持內外壓,平衡,免除壓,造成的影響。土壤氣體藉由擴散作用向上擴散至地表,,用鐵桿提供一順暢的,氣通道使氣體可以在短時間內,散至地表以,進,分析,除此之外還可以定期採集土壤氣體回實驗室進,成份分析。監測站內部預,2支PVC管,以供氡氣分析儀使用。此外,由於二氧化碳密,較空氣大,,,,於低處而造成濃,,均勻,因此於容器內部裝置一轉速固定的風扇,用以均勻混合空氣與二氧化碳。為防止水氣進入儀器造成損壞或誤差,容器管線,接至儀器前加裝一乾燥劑,氣體在進入二氧化碳分析儀後,出氣端再將氣體導回密閉容器形成一迴,,詳細的設置如圖一所示,。

　　同時,我們也關心環境因子對土壤二氧化碳,氣通,的影響,因此加裝土壤溫,計,本研究使用Testo175-T2的,位式溫,記,器,本機型除,主機內部有溫,感應器之外還可以再外加一支探棒20公分以測,土壤溫,,溫,測,範圍主機部分為-35℃至70℃,探棒部分為-40℃至120℃。

　　本監測站之分析系統中設定分析時間為每5分鐘一筆資,,可24小時,續分析。而每經過1小時,開啟容器另外,接口的抽氣泵浦,將容器內部的氣體排出觀測站。經過11分鐘,泵浦,停止動作,再抽氣,使得容器內部的氣體可繼續,積。我們,用回歸線得到二氧化碳每分鐘的平均增加,之方法以計算其通,變化。以圖二的分析,據為,,由於我們設定整點啟動抽氣泵浦將密閉容器中的二氧化碳排出,於是在第五分鐘和第十分鐘所紀,到的,據是呈現下,的,從第十五分鐘開始,積二氧化碳、直到,十分鐘止為一循環。我們,用線性迴歸方式,求得此段時間內二氧化碳增加的回歸方程式,該方程式中的斜,即代表此段時間內二氧化碳的通,。再經過單位換算,我們可以得到國際間常用的通,單位,值,如molem-2day-1或gm-2day-1,。

　　圖二,氣通,計算示意圖。我們取第15分鐘至60分鐘間的10筆,據,計算其增加速,再經換算得出每小時的,氣通,。

　　,,火山處於活動或休眠,態,只要有岩漿活動,大,的二氧化碳就會由火山地區釋放到大氣中。因此,用觀測二氧化碳的釋放,,監測火山活動,是相當重要的火山預報機制。以往,測二氧化碳的方法有,由火山口的CO2/SO2比,和correlationspectrometer(COSPEC)測,SO2通,,求出CO2通,。或是,用裝置有CO2分析器的飛機,飛過火山口上方進,分析。然而,僅在火山口及火山噴氣口的氣體中含有大,的二氧化碳,在火山的側邊也可以,測到火山氣體,經由擴散作用釋放到大氣中。火山氣體中,去水後之氣體成份以二氧化碳含,較高,同時也是岩漿上升過程中,首先脫,的氣體之一,因此藉由土壤氣中二氧化碳通,的測,及其它對於火山活動敏感的氣體成份,如氦氣與氡氣,,可以讓科學家在安全的距,內監測火山活動,這樣的優點,在火山噴發前和噴發期間,顯重要。並藉由分析土壤氣體中二氧化碳含,變化,配合其它觀測結果,監測大屯山地區可能之岩漿活動。

　　地溫監測是探討火山活動的主要研究工作之一,Tillting(1989),如果火山地區地底下有岩漿庫、殘餘的岩漿或有後火成活動,則通常在地表附近可發現較高的地溫,地底下的地溫梯,也會偏大,並呈現較高的熱,值(Zenietal.,2007),然而測,這些溫,,,並無法探討火山的活動性,要,解地底下火山的活動情形,必須對地表的地溫做長期的監測,從溫,的變化趨勢才能進一步推測地下火山活動的,常變化(SudoandHurst,1998)。監測地溫的變化除,有學術上的研究價值外,,能將監測資,隨時展示在公共場所,如遊客中心,,讓遊客可以隨時,解這些訊息,亦是一項富有教育意義的工作。

　　我們使用的地溫監測系統主要分成,個部分,溫,感應器以及資,儲存設備,溫,感應器係一白,電阻,由於電阻與溫,有一定之關係函,,,能測得電阻的變化即能得知當時之溫,大小,白,電阻穩定性高,以溫,解析,0.1℃而言,並,需要經常進,溫,校正,溫,感應器感應到的溫,資,,可經由電纜線傳到溫,記,器內,其運作方式是記,器在電纜線中傳出一固定電,,,測,經白,電阻,端之電壓即可得知白,電阻的大小,再將電阻大小換算成溫,值,記,在儲存設備內,本研究使用的溫,記,器為台灣大學海洋研究所自,研發的微小型熱探針,該熱探針已多,使用於台灣附近深海進,地熱探測,熱探針將電源和電,系統縮小在直徑2.2公分、長24公分的鈦合,圓柱管內,電,系統耗費的電,非常低,以一顆15KWhr的1號電池裝設在外加的電源供應座上,,,可維持整個監測系統運轉所需的電,約10,,記,器使用電,差分概,,配備,密的,考電阻,可使溫,的解析,高達0. 0001℃,可記,溫,細微的變化。記,器每三分鐘測,噴氣孔溫,一次,記憶模組可,續記,資,時間約2,,工作人員每一至,個月前往現場收取資,並維護儀器設備,溫,資,可用excel程式繪圖,察看溫,隨時間的變化情形,同時也會進,頻譜分析,以,解溫,的變化是否有週期性出現,,有雨,、氣溫、微震等資,,也會進,資,的對比,以釐清各資,間的關係。

　　小油坑位於大屯火山區七星山的西側,該地區具強,的後火山活動(Song) 2000, ,噴氣孔噴出的蒸氣可綿延,十公尺高,從遠處即可看到高聳的白煙,圖一, ,小油坑的噴氣孔分佈非常發達,從遊客中心步道入口處附近即可在地面上發現許多小型的噴氣孔,圖二, ,噴氣孔周圍常有黃色的,磺結晶,噴氣孔附近的岩石受熱換質作用變成黏土,岩石強,,低,用鐵鎚輕敲即會破碎,,有地下水通過,水與黏土會混和成滾燙的,漿池,噴氣孔的噴汽是後火山活動的,體,其溫,的變化可能跟地下的,體有關,監測噴氣孔溫,的變化將有助於我們,解小油坑地底下火山,體的活動情形。

　　圖一小油坑火山噴汽遠觀。 圖二小油坑的噴氣孔和,磺結晶圖中下方的房子為小油坑遊客中心。

　　大油坑地區並無遊客中心或休息亭等公共設施,溫,記,器和資,儲存設備必須另外製作防腐蝕儀器箱予以安置。架站工作首先將溫,感應器埋在噴氣孔旁,圖三, ,現場主要有,座大型噴氣孔,直徑約5公尺,,時冒出巨大的白色蒸汽,有濃,的,磺味,噴氣孔的組織鬆散,坍塌,,容,攀爬,為安全起,,所選的監測位置位在噴氣孔的下方,該區域坡,較穩定,岩層,,崩,,溫,感應器置於,銹鋼棒內,埋入岩層中約40公分,將,,,銹鋼棒被腐蝕掉,可,換溫,感應器,溫,感應器之訊號以抗腐蝕性的鐵弗,電纜線,,接至80公尺外的儀器箱內,由於附近的岩層,具有強酸的地下水,野外的儀器設備應盡,採用抗腐蝕性的材質,本計畫使用之鐵弗,電線,已在實驗室內以高濃,,酸試驗過,品質相當可靠,儀器箱也使用鈦合,材質,可延長使用壽命,電纜線外部以PV塑膠管保護之,為保持國家公園原有的自然景觀,電纜線埋入地表下約20公分,至儀器箱前,均未,出地表,,會妨礙景觀,以,低被石塊磨壞的風險,儀器箱設置地點選在昔日的人為砌牆旁,與環境人文背景相近,較,突兀。

　　陽明山國家公園由於擁有獨特的火山地質地形,並且緊鄰大台,,會區,陽明山國家公園管,處自民國74,成,以,,即積極進,園區內火山地質與火山監測的各項相關研究工作。民國88,,因發現區內氣體含,與活火山相似,遂加速展開長期監測之研究與調查,圖

　　根據日本、美國、,西,和菲,賓等國家監測火山活動的經驗得知,除,地震觀測外,火山監測可,用多種其他方法,,如地殼變形、地表的地質調查、溫泉水成份分析、氣體採集分析、岩石礦物定,研究、震波測勘、重,、磁,測,、電磁波測勘、大地電阻法等。其中為,,解大屯火山的地殼變形,已在大屯山地區設,一個長期性地殼變形觀測網,,用,密的全球定位系統儀器,,測,微小地殼變形,希望透過此研究,辨,大屯山地區岩漿之存在與否,圖二, 。

　　所謂全球衛星定位系統,Global Positioning System,通常簡稱GPS, ,又稱全球定位系統,是一個中距,圓型軌道衛星導航系統,如三, 。它可以為地球表面絕大部分地區,98%,提供準確的定位。 目前正在運,且較為成熟的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄,斯的GLONASS系統,另外還有中國的,斗衛星定位系統(BDS)以及近期歐盟推出的Gal i leo系統,共計約64顆導航衛星,圖四, 。該系統,用地面上GPS站,接收用導航衛星之訊號,,計算地球上GPS站所處的位置及海拔高,,最少只需其中4顆衛星,即可得到,續,確的確定三維位置、三維運動和時間的資,,就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及高,,圖

　　GPS系統擁有如下多種優點,,受日夜、任何天氣的影響,可全天候監測,接收高空衛星訊號,因此測站間無須通視,快速得到高,,三維資訊,快速、,時、高效,,操作簡,,能夠達成監測自動化。

　　目前於陽明山國家公園內設置一共有七個地殼變形觀測站,並,用中研院的GPS(S101)作為基準站,監測七星山附近之火山活動可能引起之地殼變動,圖,-1 , 。包括於竹子湖(YM01) 、菁山(YM02) 、萬,(YM03) 、八煙(YMN4) 、,水坑(YM05) ,並於2013,3月增設馬槽(YM06)與小油坑(YM07),站,圖,-2, ,其中又以,水坑(YM05) 、馬槽(YM06)與小油坑(YM07)搭配10米深井下傾斜儀作為地表傾斜的,測紀,。

　　地球上的任何一種火山噴發過程,均必須先於地底下岩漿庫內聚集充足的岩漿,然後當岩漿的壓,逐漸增加至相當大的情況下,才能噴發或上湧到地表形成火山。所以火山噴發時間與規模,常依據地底下岩漿庫的大小及其填充岩漿的壓,,決定。岩漿庫越大,其地表火山噴發的規模可能越大。岩漿庫內的岩漿壓,越大,代表著距,其噴發時間愈短, 。此外,大多,岩漿庫均位於上部地殼中,其與地表的距,一般均有,公,以上。故當岩漿庫壓,過大,岩漿逐漸往上湧升時,地表會有明顯變形,同時,也常伴隨著許多微小的地震活動。這些現象均可透過地表地震網的觀測,獲得非常正確地資,,以辨,火山的活動情形,甚至預估火山噴發的時間。,如1991,菲,賓,宋西部的皮納土坡(Mt. Pinatubo)火山爆發前,科學家,用微震監測方法,成功地預測其噴發的時間,順,撤,美國位於附近的空軍基地的所有飛機,並拯救,無,的生命與財產。

　　過去五,內於大屯火山地區內的大多,微震活動範圍,主要集中於七星山及大油坑附近地區的淺部地殼(圖四) 。

　　圖四大屯火山地區的微震空間分佈(十字) 圖五一般微震產生之三向,地震記,實,。與地震站位置(正三角形) 。

　　大多,微震深,分佈範圍均小於5公,。這些火山微震特性與一般斷層,動產生的地震相同,均可清楚地辨,其P波與S波的到達時間(如圖五) ,並且其地震波是由非常複雜的多種,同頻,訊號所組成,如圖,(a) 。這種密集的微震現象與地球上其他許多活火山的微震活動非常,似,,如日本的櫻島火山或雲仙火山等,故可能意味大屯火山底下依舊存在有明顯的能,或熱源。

　　其次是發現單頻火山地震訊號,仔細分析微震監測網的,續記,中,亦可發現一些地震波形非常特殊的訊號,如圖,(b) 。這,地震的波包形,,似水滴,,其振動時間很短,僅約十秒左右。從這些地震訊號中,並無法判,其P波與S波的到達,故有別於一般因斷層錯,動所產生的地震波。並且這些水滴,地震訊號的頻,組成也很特殊,主要頻,,於3.4赫(Hz)附近。

　　根據全世界其他國家火山地區的觀測與研究經驗,一般認為這些單頻水滴,地震訊號的產生原因,最可能是由岩層,縫中液態或氣態物質共振所引起,這現象與一般,器(,如吉他弦或鋼琴鍵)所產生的單一音階振動的原,相似。初步推斷可能與岩層,縫中液態或氣態物質,突然增加或減少壓,所造成的振動有關。

　　除,上述單頻火山地震訊號外,我們也發現另一種地震波形的外觀,似,絲釘一樣,如圖,(c) 。一般火山地震學家以西班牙文的,絲釘,Torni l los,稱之。這些,絲釘,的火山地震訊號的振動時間,明顯大於單頻水滴,火山地震訊號,可長達,十秒。同樣地仔細分析這些,絲釘,的火山地震訊號,可清楚發現,其頻,從2到15 Hz中包括有好幾個特殊頻,的訊號所組成。訊號中的最大能,,於4.2 Hz左右,其次為2. 1 Hz、 6.3 Hz、 8.4 Hz及10. 0Hz。仔細比較這些訊號的頻,,似乎約,成等差級,,這特性非常,似一般,器的和弦音效。根據一般火山地震觀測的經驗,這些,絲釘,多頻的火山地震訊號,極可能代表該火山活躍性很強。並且,曾於中美洲的有些火山噴發前,常可發現這些所謂,絲釘,的地震記,。故大屯山地區亦有,似的記,,非常值得我們注意與深入研究探討。

　　圖,(a)一般斷層,動造成的地震波, (b)單頻水滴,火山地震訊號及(c),絲釘,的火山地震訊號(左側)及其頻譜分析結果(右側)

　　我們也發現另一種,為強,且,續性的爆發型高頻火山地震訊號,如圖七(a) 。這種持續超過二十分鐘的火山地震訊號為一百多個,續發生的爆發型震動所組成。仔細分析每一個單獨振動記,,亦可清楚判,其P波與S波到達時間,如圖七(b) 。,續性爆發式火山地震活動,經過仔細分析後,其,源大約,於大油坑下方的淺部岩層內。

　　圖七(a)五個地震觀測站同時所記,的,續爆發型高頻火山地震訊號及(b)其中一個局部放大的波形。

　　根據現有大屯山地區地震觀測網所記,的上述多種具有火山特性的地震訊號,包括高頻、單頻及多頻等火山地震訊號,強,顯示該地區的淺部地殼中,依然存在有明顯地熱,源。這些地熱,源可能主要,於七星山與大油坑間的淺部地殼。最直接與簡單地推斷所謂的地熱,源就是岩漿庫。這些高頻、單頻、多頻、低頻及甚至超長周等火山地震訊號與岩漿庫的可能關係,可簡單由圖八,,明之。

　　圖八岩漿庫附近可能產生的高頻、單頻、多頻、低頻及超長周等火山地震訊號的示意分佈情形。圖九大屯山地區淺部地殼的可能火山活動與地熱傳導示意圖。

　　為,,進一步,解大屯山的火山活動,, 自民國九十二,起,中央研究院地球科學研究所,在國科會、中央地質調查所與陽明山國家公園管,處的資助下,於大屯山地區建,一個小型,密地震觀測網(圖一) ,每一地震站安裝有感應器、記,器及全球定位系統等主要地震儀器(如圖二) ,並以24小時,續記,方式(如圖三) ,,測,任何微小地震的時空分佈。並試圖由記,的地震波型,辨,地震震源的種,,尋常是否包括有岩漿活動造成的地震。根據過去幾,的觀測與分析結果,發現除,於七星山及大油坑附近的最上部地殼中有許多聚集之微震活動外,,記,到多種特殊的火山型地震訊號,,如地震波形,似,絲釘,與單頻水滴,地震紀,,及,續性爆發型的火山地震活動。

　　圖一大屯山地區地震觀測站(三角形)分佈。 圖二地震站外觀與主要儀器設備(感應器,記,器及全球定位系統等)