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龜山島的火山活動監測
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文/圖:江協堂(國立宜蘭大學助理教授)
         位於宜蘭頭城外海10公里的龜山島是一座活火山,這座活火山雖然目前並沒有岩漿噴發,但根據岩石的定年資料,過去7000年來至少有4次的噴發記錄,噴發週期平均不到2000年,未來是否會再噴發?誰也無法預期,然而我們可以透過一些科學上的監測研究,來探討龜山島地底下的岩漿是否有異常活動,期望能達到火山
噴發的預警功能。一般地底下的岩漿如果有異常活動,通常會有一些徵兆,例如岩漿上湧使地殼隆起造成地表變形、岩漿流動造成地震發生頻率增加、岩漿帶來的高溫流體使地下的溫度升高,針對這些岩漿異常活動可能發生的徵兆,目前在龜山島上正進行全球衛星定位、微震觀測和地溫等監測等研究工作。
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全球衛星定位
(Global Position System, GPS)監測
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圖1 全球衛星定位之衛星運行示意圖。
(http://en.wikipedia.org/wiki/GPS)

         全球衛星定位是利用三角定位的原理求得地表上某一點的座標位置,根據幾何原理,如果想知道某一點在空間的位置,只需求得其與4個不共面已知點的距離即可,因此利用天空中24顆已知位置點的GPS衛星(圖1),只要能同時接收到4顆以上的衛星無線電訊號,得知與這些衛星的距離,則經由幾何運算,便可得到地表上該點的座標,由於眾多衛星在天空繞行不停,地表上任一地點幾乎隨時都可接收到4顆衛星以上的訊號,因此利用連續性衛星定位,便可測得地表上某一點位置隨時間的移動情形,進而計算出地殼的變動速率和方向,推測地底下岩漿活動的情形。
 
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圖2 位於龜山島龜尾湖的GPS測站。
 
         龜山島上目前有經濟部地質調查所設置的GPS測站(圖2),測站位於龜尾湖畔,海拔高度約25公尺(北緯24.84251,東經121.93997,http://gps.earth.sinica.edu.tw
/main.jsp),過去3年多(2007年1月至2010年2月)的紀錄顯示,測站並非靜止不動,其移動的方向朝東南方(圖3),剛開始時,方向比較不穩定,每天角度可達20°以上,2008年以後方向漸漸穩定,日變化角度大多小於5°,平均方向為東偏南48°(圖4),3年多總水平位移量約10.2公分,平均每年位移3.3公分(圖5),垂直方面總位移量6.0公分,平均每年下降1.9公分(圖6)。
         龜山島目前的移動情形被認為是跟板塊運動有關,龜山島在地質構造上位於沖繩海槽的最西南端,沖繩海槽是由地殼張裂所形成,其張裂活動一般相信已從日本的琉球進入蘭陽平原,地殼的張裂活動不但在海域形成凹陷的海槽,水深多在2000公尺以上,在陸地上也使地表呈現下陷的現象,蘭陽平原的宜蘭、羅東一帶每年下陷量約2公分,應該就跟這個張裂有關。龜山島水平和垂直的位移量在台灣地區並非特別高,目前的位移量仍在板塊運動量範圍內,因此其位移量尚不能說明地下的岩漿有異常的活動情形。
 
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圖3 2007年1月至2010年2月,龜山島GPS站座標位移的情形。
(原始資料取自中研院地球科學研究所GPS研究室,http://gps.earth.sinica.edu.tw /main.jsp)
 
 
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圖4 2007年1月至2010年2月,龜山島GPS站的座標位移角度情形。
 
 
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圖5 2007年1月至2010年2月,龜山島GPS站的座標位移距離情形。(原點為初始記錄點)
 
 
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圖6 2007年1月至2010年2月,龜山島GPS站的座標垂直向位移情形。(原點為初始記錄點)
 
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微震(micro seismic)監測
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         微震是利用高敏感的儀器測量地表的振動,台灣地區每天都有上百個地震發生,但大部分地震的規模都很小,小到我們人體無法感覺這些地震的存在,但是利用微震儀,卻可以清楚記錄這些地震的振動訊號。然而自然界哪些現象會引起地表的振動呢?一般依振動的發生機制可將地震分為構造性地震、火山地震和衝擊性地震。

         構造性地震是岩層持續受擠壓而累積應力,當累積應力大過岩石的承受強度,岩層突然斷裂而將累積的應變能釋放出來,產生地震,921地震和一般氣象局報導板塊運動造成的地震都屬於這種地層,構造型地震的規
模可以從很小到非常大,例如造成2004年南亞大海嘯、2010年智利大地震和今年(2011年)3月11日日本大海嘯的地震都是規模大約9的大地震。

         火山地震是岩漿在地底下流動時與岩層摩擦所產生的振動,這種地震的規模比較小,很少超過5以上。

         衝擊性地震是指重物(例如隕石、山崩、地滑、土石流等)掉落到地面所引起的地震動,這種地震的規模更小(大隕石的碰撞除外),除此之外,對產生微震動而言,震源尚包括地下水流動以及人為的活動(例如車輛行駛、人員或動物的走路、運動等)。
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圖7 構造性地震通常有清楚的P波和S波到達的時間差,頻率複雜,約數赫茲至數十赫茲。
 
         地震的種類這麼多,我們怎麼辨別哪些振動訊號是來自火山地震呢?通常衝擊性的地震發生後在地表會產生地形的變化,容易辨識,而微震儀設置在野外無人活動區,即可避免人為活動的干擾,構造性的地震則可利用其震波波形與頻率來區分,構造性地震通常會有清楚的P波和S波到達時間差(震源越遠,時間差越大),振
動衰減很快,頻率分佈較廣,約數赫茲至數十赫茲(圖7)等特性,P波是一種縱波,振動方向與波的行進方向平行,速度較快,是地震發生後最早到達的震波,而S波是一種橫波,振動方向與波的行進方向垂直,速度較慢,尾隨在P波後面到達的震波。
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圖8 火山地震的振動型態-水滴狀振動。
本圖之振動頻率以5赫茲為主頻。
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圖9 火山地震的振動型態-螺絲釘狀振動。
本圖之振動頻率以4赫茲為主頻。
         火山地震的振動波形則呈水滴狀(圖8)、螺絲釘狀(圖9),頻率以單頻為主,火山地震通常是跟岩漿
或熱液流體的流動有關,因此其振動的波形較特別,水滴狀和螺絲釘狀都是很典型的波形。
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圖10 龜山島的微震站。微震記錄器放置在圖中的綠色儀器屋中,外面直立的平面板為太陽能板。
 
         龜山島的微震站架設在北岸步道旁(圖10),北岸步道並不開放給遊客通行,因此無人為干擾,很適合設置微震站,微震站從2007年6月23日至2009年3月23日總共記錄10562個規模1.0以上的微震,平均每天約有17個
微震發生,從微震的分佈可發現大部分的地震都位於龜山島附近(圖11),龜山島下方確實較其他區域活躍,地震學家正密切注意這些微震未來的發展是否會更頻繁,以釐清地底下的岩漿是否有異常活動。
 
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圖11 2007/06/23至2009/03/23龜山島微震站所測得的微震分佈。
(微震資料由中央研究院地球科學研究所林正洪研究員提供)
 
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地溫(subsurface temperature)監測
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圖12 龜山島上的地溫監測站。
 
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圖13 受氣溫年變化影響,不同月份測量井內之溫度情形。圖中可見越靠近地表,溫度變化越大,10公尺以下受影響程度就非常小了。

         地底下岩漿流體上湧時,地層的溫度會隨之升高,熱流值變大,持續監測地底下溫度的變化可用來推測地底下岩漿的活動是否異常變化,由於地溫的變化緩慢、幅度也很小,因此必須使用非常高解析度的溫度記錄器才能測得地溫的變化。

         地溫監測計畫在龜山島的龜頸部位鑽探一口深290公尺的監測井(圖12),井內不同深度每隔10-40公尺共裝設15根溫度記錄器,溫度記錄器以鈦纜線懸吊,研究人員每隔一至兩個月前往監測井取出溫度記錄器,下載溫度資料後再放回井內繼續監測,溫度記錄器的解析度達0.0001℃,可量到微小的溫度變化。

         地底下的溫度變化除了跟岩漿活動有關外,也有可能會受到地下水流動、降雨、地表溫度變化的影響,例如氣溫的日變化、年變化、冰河期等訊號,都會由地表傳到地底下,其傳遞的深度與岩層的熱擴散係數有關,振幅隨深度呈指數型態衰減(圖13),週期越長的氣溫變化往地底下傳遞的訊號越深,一般日變化可傳入地下約數10公分,年變化約數公尺,冰河期則可達1公里以上。
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圖14 龜山島地溫垂直剖面圖。0-100公尺溫度差異不大,100-250公尺溫度隨深度增加很快,平均每百公尺增加9.6℃,此溫度梯度約全球平均值的3倍。


         龜山島地溫的監測結果發現,井內最低溫度約22℃,最高溫度約34℃,0-100公尺的地溫梯度(溫度隨深度增加的大小)為-1.4℃/100公尺(圖14),地溫梯度負值表示該段地溫的分佈是越深溫度越低,顯示地下某地段熱量被帶走,通常這種現象都跟地下水的流動有關,但在龜山島地下水並不豐沛,因此負地溫梯度可能是跟海水入滲地層有關。

         100-250公尺的地溫梯度為9.6℃/100公尺,比全球平均地溫梯度3℃/100公尺高約3倍,顯示龜山島有較高的熱流值,為典型火山地區特徵。

         地溫監測期間發現有數次的熱脈衝現象(圖15),溫度變化約0.01-0.02℃,這些熱脈衝都跟微震的發生無關,其發生時間都恰逢颱風侵襲台灣,顯然是颱風造成地底下溫度場的改變,然而颱風如何改變地底下溫度?這個機制目前尚不十分清楚,有待未來進一步釐清。
 
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圖15 龜山島地溫有熱脈衝訊號,該訊號係受到颱風侵襲台灣的影響。
 
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