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火山災害

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資料來源:減災規劃科       

壹、火山成因
地球上的火山活動並非到處均有(圖一)。事實上地球的火山僅存在於非常特殊的地方,並常與地球板塊活動有密切關係(圖二)。火山的形成主要發生在板塊擴張帶、交接帶與地殼裂縫帶,會造成火山島弧、海底火山、陸地火山等各類型火山。詳細區分如下:
1. 板塊擴張帶:
   許多火山常存在於板塊生成的地方,即所謂『中洋脊』附近。當海底板塊擴張時,地幔(Mantle)中的物質會由中洋脊底下往上湧升,可產生明顯的火山活動。但因為這類火山主要活動於大洋之中,故通常較不會對人類造成災害。
2. 板塊隱沒帶:
   火山更常發生於板塊隱沒帶的上方,並形成火山島弧(如琉球及菲律賓群島)。這些火山生成原因是與板塊隱沒過程中所釋放的水或其他液態物質有關,上升的水或液態物質會幫助其附近地幔物質產生岩漿,進而匯聚於地殼中的岩漿庫,最後噴發形成地表的火山。這類的火山活動規模通常會最大,常造成很大的災害。例如太平洋的四周地區,俗稱火環(Ring of Fire)上的火山即屬於此類。
3. 熱點:
   由幾千公里下的深部地幔物質直接上湧到地表所形成的火山,這類火山活動通稱為熱點(Hot-spots)。例如太平洋中的夏威夷群島即為其中最典型代表。
   除了上述三種比較大規模的火山活動外,其他有少部份的火山發生是由於局部性地殼張裂所產生,其規模一般而言均較小。

圖:全球火山分佈(紅色三角)

圖:全球火山分佈(紅色三角)

圖:地球上三種主要火山生成原因與板塊活動的關係

圖:地球上三種主要火山生成原因與板塊活動的關係

貳、火山威脅
    從古至今,地球上曾經發生過許多不同規模的火山噴發,並且對人類造成了不同程度之災害。例如歷史上最為慘烈的龐貝古城遺址,就是大約兩千多年前義大利維蘇威(Vesuvius)火山噴發,火山熱溶岩及火山灰將當時繁華的龐貝城完全掩埋。希臘桑托林(Santorini)島的火山噴發,也曾觸發一次駭人聽聞的大海嘯,導致公元前1470年間米諾斯文明突然消失。一兩百年前印度尼西的亞坦博拉(Tambora)火山猛烈大噴發,直接造成約一萬人死亡,隨後火山灰所造成之全球氣候異常,更導致有數萬人死於飢荒和疫病。中國長白山天池火山的大噴發,摧毀了方圓數十公里半徑內的森林生態,火山灰甚至還飄到朝鮮及日本北部。西元1982年墨西哥的埃爾奇瓊(El Chichön)及1991年菲律賓的皮那土波(Pinatupo)火山噴發,進入大氣圈的火山灰雲和硫酸氣溶膠組成的高空雲層,阻擋到達地面的陽光總量,導致全球平均氣溫下降,十餘萬人受這些火山災害所影響。
    即使21世紀的今天,地球上仍有許多蠢蠢欲動的活火山,隨時會再對人類文明造成威脅。例如2010年四月冰島之艾亞法拉(Eyjafjallajokull)火山噴發,大量的火山灰散佈在歐洲上空,迫使許多機場關閉,航空班次大亂,許多觀光及商務旅客大量滯留機場,航空貨運也大受影響。根據歐洲航空安全組織表示,短短幾天內歐洲國家航空公司取消近上萬航次的航班,其停飛規模已經超過911恐怖攻擊,這也是自第二次世界大戰以來最大規模航空業停飛,估計經濟損失達到數十億歐元。小規模的火山噴發也許僅會對其附近城市與村莊造成破壞。相對地較大規模的火山活動,例如所謂『超級火山』可能會影響整個地區人類社會之安危,或甚至全球的生態,造成全面性的生物滅絕,其主要原因是大量火山灰會遮蔽了陽光,讓地球上生物無法獲取所需的太陽能,造成嚴重的生態浩劫。所以,如何利用現代化的科技,對這些具有威脅性的活火山進行持續性的監測與研究,是人類一項重要的防災工作,以期降低未來可能火山災害。

參、火山資源
    火山作用具有毀滅性的破壞力,不僅造成人類生命財產的損失,更會危害自然動植物的生存,但火山也帶給人類很大的益處,如岩漿形成後可以聚集有用的金屬成為礦床,台灣北部金瓜石的金銅礦就是火山作用後的產物。火山作用也造就優美的地形景觀,如夏威夷的基勞威火山國家公園。此外,火山活動後岩漿只要能留在地表下,所產生的地熱,可開發成無汙染的能源,最為人熟知的就是溫泉,不但可治療疾病和養生也提供休憩娛樂的價值。

肆、火山氣體監測
一、概述
(一)傳統上利用火山噴氣與溫泉水氣之地球化學組成分析來監測火山活動,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不可能靠近採集樣品,且不易設置長期連續監測站;最近對於活火山的監測,除了傳統的定期人工採集火山流體分析監測以外,世界上主要的火山監測站也同時採用較為安全又能夠連續監測的土壤氣體分析方法,來同步監測可能的地下岩漿活動和火山活動。
(二)本站將定期直接採集火山氣體,分析其氣體成份(見表一);由於火山溫泉中的溫度和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量(TDS)、酸鹼值(pH;現地量測)、電導度(現地量測)等,及其他離子(見表一)進行監測研究。

表一火山氣體與溫泉水體的主要的成分分析

表一火山氣體與溫泉水體的主要的成分分析

二、方法原理
(一)監測站設置的原理為近年來最常被使用的密閉式氣罩法 (Chiodini et al., 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,其流速為1 L min-1。密閉容器的總體積為11245立方公分,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連接孔,為了避免內部壓力過大而影響氣體通量的變化,於是我們加裝毛細管以維持內外壓力平衡,免除壓力造成的影響。土壤氣體藉由擴散作用向上擴散至地表,利用鐵桿提供一順暢的逸氣通道使氣體可以在短時間內逸散至地表以利進行分析,除此之外還可以定期採集土壤氣體回實驗室進行成份分析。監測站內部預留2支PVC管,以供氡氣分析儀使用。此外,由於二氧化碳密度較空氣大,易沈降於低處而造成濃度不均勻,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,容器管線連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路(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逸氣通量的影響,因此加裝土壤溫度計;本研究使用Testo 175-T2的數位式溫度記錄器,本機型除了主機內部有溫度感應器之外還可以再外加一支探棒20公分以測量土壤溫度,溫度測量範圍主機部分為-35℃至70℃;探棒部分為-40℃至120℃。

圖一小油坑火山土壤氣體監測站配置圖。

圖一小油坑火山土壤氣體監測站配置圖。

(二)本監測站之分析系統中設定分析時間為每5分鐘一筆資料,可24小時連續分析。而每經過1小時,開啟容器另外兩接口的抽氣泵浦,將容器內部的氣體排出觀測站。經過11分鐘,泵浦便停止動作不再抽氣,使得容器內部的氣體可繼續累積。我們利用回歸線得到二氧化碳每分鐘的平均增加量之方法以計算其通量變化。以圖二的分析數據為例,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錄到的數據是呈現下降的;從第十五分鐘開始累積二氧化碳、直到六十分鐘止為一循環。我們利用線性迴歸方式,求得此段時間內二氧化碳增加的回歸方程式,該方程式中的斜率即代表此段時間內二氧化碳的通量。再經過單位換算,我們可以得到國際間常用的通量單位數值(如mole m-2 day-1或g m-2 day-1)。

鐘間的10筆數據,計算其增加速率再經換算得出每小時的逸氣通量。

我們取第15分鐘至60分鐘間的10筆數據,計算其增加速率再經換算得出每小時的逸氣通量。

(三)不論火山處於活動或休眠狀態,只要有岩漿活動,大量的二氧化碳就會由火山地區釋放到大氣中。因此利用觀測二氧化碳的釋放,來監測火山活動,是相當重要的火山預報機制。以往量測二氧化碳的方法有:由火山口的CO2/SO2比例和correlation spectrometer (COSPEC) 測量SO2通量,求出CO2通量。或是利用裝置有CO2分析器的飛機,飛過火山口上方進行分析。然而不僅在火山口及火山噴氣口的氣體中含有大量的二氧化碳,在火山的側邊也可以量測到火山氣體,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量較高,同時也是岩漿上升過程中,首先脫離的氣體之一,因此藉由土壤氣中二氧化碳通量的測量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離內監測火山活動,這樣的優點,在火山噴發前和噴發期間更顯重要。並藉由分析土壤氣體中二氧化碳含量變化,配合其它觀測結果來監測大屯山地區可能之岩漿活動。

三、溫泉水質監測:
陽明山國家公園區域內有相當多的溫泉,而目前大屯火山觀測站挑選其中兩處具有代表性的溫泉進行每周一次的監測。這裡呈現的是溫泉中的溫度、總固容量(TDS)、酸鹼值(pH)、電導度等變化,而這些參數皆可以作為反映火山的活動性的指標之一。這兩處溫泉監測中的一些微小變化可能為侷限性地區事件引起。而整體看來,目前兩處溫泉監測結果都沒有明顯的改變,顯示目前火山活動相對穩定。

四、七股溫泉(CG):
位置:位於陽金公路馬槽橋下游馬槽溪溪谷中,採樣地點位於日月農莊內,泉溫為30~50℃,pH 為2~4 之間,水質清澈,有硫磺味主要以硫酸根離子(SO42-,~900 ppm)和氯離子(Cl-,~450 ppm),為酸性硫酸鹽氯化物泉。

七股溫泉(CG

五、八煙溫泉(BY)
位置:位於陽金公路天籟溫泉館與磺溪頭之間,溫泉泉源出露於崩塌的谷地中泉溫為60~85℃pH 為2~3 之間,水質成灰白色半透明,有硫磺味主要以硫酸根離子( SO42- ,~400 ppm)成分居多,為酸性硫酸鹽泉。

八煙溫泉(BY)

六、八煙二氧化碳監測站:
火山地區的二氧化碳除了經由噴氣口釋放到大氣之外,亦會經由鄰近地區的土壤逸散至大氣之中。一般來說,火山活動越活躍,二氧化碳的濃度也會增加,因此我們可以利用觀測二氧化碳的通量變化,來監測火山活動。土壤氣監測的詳細原理請參考網站中有關火山氣體監測的解說。而目前建立在八煙地區的土壤氣監測站結果和溫泉水監測結果一致,並沒有明顯的增加現象;一些小變化(有些微日夜週期變化)可能係由地潮引起。

八煙二氧化碳監測站:

以上資訊由大屯火山觀測站提供,相關連結:https://tvo.earth.sinica.edu.tw/TVO/index.php

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