火山氣體監測

概述

概述 | 方法原理

        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。


        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


方法原理

概述 | 方法原理

        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


圖一 小油坑火山土壤氣體監測站配置圖。

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℃。


        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)。


圖二 逸氣通量計算示意圖。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。


        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。