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。

科學發展 2009年5月，437期

火山Feature Report專題報導

■江協堂　徐春田

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。

地底下岩漿來源示意圖。

安山岩和流紋岩漿來自隱沒板塊或地函淺處的部分熔融，

玄武岩岩漿則來自較深的地函。

安山岩和流紋岩岩漿

火山

海水

海洋地殼

玄武岩岩漿

大陸地殼

科學發展 2009年5月，437期

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，

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

33

地溫監測設備示意圖。監測

井深度約數百公尺，溫度感

應器約數十公尺一顆，溫度

訊號由電纜線傳回地表記錄

器，再儲存於電腦中。

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。

電腦記錄器

電纜線

溫度感測器

監測井

岩層

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。

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

科學發展 2009年5月，437期

火山Feature Report專題報導

小型溫度測錄器，長 24公分，直徑 2.2公分，內含溫度感應、記錄和儲存功

能，放入井內可長期監測地層溫度。

岩石的熱傳導能力很低，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

地溫和潮汐的日平均變化，圖中很明顯可以看出潮汐高時，地溫下降，兩者有很好的相關性。

35

科學發展 2009年5月，437期

菁山（2005／2／1∼2005／07／28）

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。

2005/2/1 2005/3/6 2005/4/8 2005/5/12 2005/6/14 2005/7/17

雨量（公釐）

日期

22

21

20

19

18

17

60

50

40

30

20

10

0

125

110

80956545

25

5

溫度（℃）

潮 汐

大屯山菁山地溫監測站2005上半年的地溫變化和雨量統計圖，曲線上的數字表示溫度測錄器所在深度（公尺）。圖

中顯示雨量增加後，地溫開始下降；雨量減少後，地溫慢慢回升到原來的大小。地溫明顯受到降雨的影響。

溫度（℃）

日期

宜蘭縣壯圍國小水井地溫監測站

地 溫

24.40

24.35

24.30

24.25

24.20

1500

1000

500

0

-500

潮汐（公釐）

2004/1/1 2004/4/10 2004/7/19 2004/10/27

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

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地表的年溫度變化振幅（攝氏15度）影響地底下1公尺、3公尺及5公尺不同深度地溫的情形。圖中方程式中

的 Tθ：某深度地層溫度隨時間的變化； T0：地表溫度變化的振幅；ε：地表溫度變化周期和地層熱擴散的參

數； z：深度。方程式說明地表溫度的變化往下傳遞時，溫度的變化隨深度呈指數衰減。

Tθ

=T0×exp（－εz）sin（ω t－εz）

溫度（℃）

日期（1年）

1m

15

10

5

0

-5

-10

-15

3m

5m

岩層

對流包

監測井

地溫監測井內流體對流示意圖。

一般對流包的高度約為井徑的數倍，實際大小和流

體密度、黏滯性、溫差、井壁光滑度等參數有關。

20 30 40

地溫梯度=3℃/100公尺

0

100

200

300

400

500

600

深度（公尺）

溫度（℃）

地下水出水口

地下水流動造成地溫梯度異常示意圖。

圖中深度 300公尺附近（箭頭處）地溫梯度增高，

可能是來自較高溫的地下水通道。

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，

科學發展 2009年5月，437期

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121.30oE 121.36

oE 121.42

oE 121.48

oE 121.54

oE 122.00

oE

台灣地區火山活動的地溫監測，共有菁山、竹子湖、擎天崗和龜山島4個測站。

25.18oN

25.12oN

25.06oN

25.00oN

24.54oN

24.48oN

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

竹子湖

菁山

擎天崗

25.18oN

25.12oN

25.06oN

25.00oN

24.54oN

24.48oN

121.30oE 121.36

oE 121.42

oE 121.48

oE 121.54

oE 122.00

oE

龜山島

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

龜山島測站位於龜山島北岸步道龜頸附

近，從龜山島碼頭步行約 1小時，井深

290公尺，井內最高溫度約攝氏34度。

m

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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

火山

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

火山甦醒前，它的體溫可能會逐漸升高，

科學家希望透過地溫的監測，獲得一些火山甦醒的訊息。

菁山測站位於七星山菁山自然保育中心內，井深200公尺，井內最高溫度約攝氏21度。

竹子湖測站位於大屯山竹子湖路旁，井深 200公尺，井內最高溫度約攝氏

19度。

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。台灣北部火山群的

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」。 □

江協堂 徐春田

台灣大學海洋研究所

科學發展 2009年5月，437期

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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。

台灣地區的地溫監測

台灣地區後火成活動（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

擎天崗測站位於七星山擎天崗風景區內，井深 480公尺，井

內最高溫度約攝氏106度。