火山作用是最令人印象深刻的地球內部能量的表現之一。大規模的火山噴發 無疑是一個最強大的自然現象，能夠短時間之內摧毀一個地區，並且在幾個小時 之內，注入數十億噸的火山灰進入大氣層，引起世界各地在氣候上突然改變達到 數年甚至數十年之久。然而除了噴發事件之外，即使是休眠時期火山的火山活動 也不斷地釋放各種揮發氣體至大氣圈中，因此近幾年除了觀察火山氣體與火山活 動的對應關係外，在環保與全暖化議題沸沸揚揚的今日，火山氣體噴出的總量與 其對環境、氣候的衝擊也相當受到重視。
隨著分析技術的進步，目前我們已經能夠分析火山氣體中微量的有機成分。
在火山氣體中可以發現相當多種類的非甲烷的有機氣體，包括烯烃類和芳香烃類 等等。這些有機物質在不同的火山當中往往亦呈現不同的特性，一般來說，在高 溫活動火山地區會有較多的烯烃類存在，而熱液作用為主的地區則是以芳香烃和 輕烷烃類為主(Capaccioni and Mangani, 2001)。近幾年來，科學家更發現火山氣 體中的有機氣體中，烷烃類在除氫作用過程(dehydrogenation processes)產生同源 烯烴的反應式特別適合調查在熱液-岩漿系統(hydrothermal-magmatic system)中 的熱以及氧化還原環境的變化(Seewald, 1994; Capaccioni and Mangani, 2001;
Tassi et al., 2005)。由於這樣的反應式幾乎不受到次級反應的影響，是量測火山區 域底下物理化學溫壓環境最佳的工具之一。因此，分析這些火山氣體中的有機成 分，除了可以更進一步了解火山的供氣系統，並且可能可以藉由有機氣體的變化 來達到監測火山活動的目的。
5-2：分析結果與討論
5-2-1：氣體成分與碳氫同位素
採樣地點為台灣的大屯火山地區，採樣地點及地質背景見第二章所描述。表 5- 1-表 5- 2 分別為各採樣點的主要氣成分組成以及有機成分組成。表 5- 4 則是甲
烷的同位素分析結果。由氣體組成結果可以看出跟過去幾年的監測結果相較之下 並沒有太大的不同，顯示這地區的逸氣仍是相對穩定。
有機物的分析結果，在除去甲烷後比較之下，大屯火山地區的氣體組成中有 相當多的輕的烷烃類(C2~C5)，其次為芳香烃(苯類)。但是和其他火山或熱液地 區相比之下，大屯火山地區則明顯缺少烯烃類。由於在火山地區烯烃類主要來源 為烷烃類經由脫氫作用而產生，在氫氣含量最高的小油坑地區，其烯烃類含量和 其他採樣點相比並沒有不同。
表5- 1: 大屯火山地區氣體組成成分表。
Sample Name
Sample
Type ℃ Ar N2 CO CH4 C2H6 C3H8 He H2 O2 Total S HCl CO2 H2O GTP fumarole 97.6 4.03 446 - 84.5 0.19 0.02 0.36 0.49 3.47 3478 34.7 35472 960476 LFK fumarole 98.5 6.15 553 - 150 0.00 0.02 0.27 0.74 32.0 3268 - 37299 958690 LHK fumarole - 10.3 510 - 134 0.31 0.00 0.20 0.61 8.46 2852 32.4 49920 946531 SYK fumarole - 7.97 701 - 253 1.12 0.06 0.26 17.1 24.3 3193 39.6 92730 903033 BY fumarole 96.0 49.5 4687 - 679 4.14 0.33 0.96 0.33 1095 645 - 70397 922442 DYK fumarole 116.5 8.30 759 - 7.63 0.09 - 0.31 0.45 109 1708 280 61643 935484 GTP-B Bubble 70.7 92.9 14420 - 2222 4.91 - 12.7 6.58 821 59109 229 449506 473576 LFK-B Bubble 32.8 511 38662 - 7274 17.6 1.22 10.3 454 920 1281 - 124051 826817 LHK-B Bubble 66.8 116 10372 - 3104 5.64 0.25 5.12 4.18 253 10228 378 548234 427301 DP Bubble 48.1 249 36953 - 23639 76.3 7.22 23.5 5.49 2587 244 255 106146 829814 MS-B Bubble - 124 9924 - 6461 84.6 8.75 5.92 36.7 1049 10719 - 833812 137774 SHP-B Bubble 46.2 105 9503 - 375 0.65 0.00 7.07 42.6 495 31432 - 525591 432448 TRK Bubble 75.0 364 21993 - 497 5.45 0.74 0.98 3.53 4443 1171 - 663427 308095 SYK-B Bubble 91.0 78.3 9222 - 8518 35.4 2.42 5.34 585 74.4 31563 403 743605 205909
*吉氏瓶標本先使用已事先抽真空的玻璃瓶將氣體轉出後再進行成分分析，玻璃瓶中氣體進行固相微萃取用來分析有機氣體。
單位：(mol/mol); -: not analyzed or not detected.
表5- 2: 2008 年大屯火山標本有機物分析結果。
MT(B) LHK(F) LHK(B) DYK(B) DYK(F) DP(B) SYK(F)
ethane 209446 19234 10425 717.6 228.0 3717 14820
propane 26222 1889 622 320 114 1267 2075
i-hexane 11871 2460 2690 261 1446 220 967
n-hexane 88295 20215 18918 2089 11297 1633 8959
Hexene 25 5.4 6.3 7.0 2.7 5.0 2.6
2Methylfuran 4.5 3.1 5.2
1,2-Dichloroethylene
Methylcyclopentane 54 12 13 10 7.2 10 15
2-Butanone 34 13
Trichloroethylene 71 46 60 6.4 23 36 210
3,4-Dimethyl-2-Hexene 59 11 14 8.8 6.6 1.3 7.4
3-Methylheptane 35 14 10 11 22 11 11
1,3-Dimethylcyclohexane 18 11 14 2.3 10 1.5 9.2
4-Trimethyl-2-Pentene 8.3 3.5 2.5 2.7 1.5 1.4 2.6
Toluene 2603 596 216 18 143 8 371
Butanoic Acid Ethyl Ester 11 7.1 5.2 4.3
n-Octane 10 12 12 6.0 18 1.1 12
3-Methylthiophene 110 12 15 18 22 10 23
表5- 2(續): 2008 年大屯火山標本有機物分析結果。
MT(B) LHK(F) LHK(B) DYK(B) DYK(F) DP(B) SYK(F)
4-Ethyl-3-Ethanol 1.5 2.5 1.8 0.8 0.8 1.5 2.2
4,5-Dimethylhexene 4.1 5.2 1.8 1.1 2.8 3.3 1.4
Octene 7.3 2.1 4.2 2.3 3.6 2.8 4.8
1,1,2-trichloro-2-methylpropane 43 40 13 0.8 10 8
1-Methyl-3-ethylbenzene 0.8 0.7 1.1 0.2
1,2,3-trichloro-2-methylpropane 3.1 2.1 0.8 3.8 6.3 1.3 0.5
3,3-Dimethyl Octane 2.1 1.8 1.2 0.4 0.6
*單位為：ppbs /dry gas，資料來源: Vaselli (2008) (未發表資料)
表5- 3: 2010 年大屯火山標本有機物分析結果。
SYK SYK-B LFK BY GTP LFK-B SHP-B DP GTP-B LHK-B MS-B
methane 2605524 10727110 3639354 8752012 2139130 42003070 660256 138902116 4220274 5419114 7493721
ethane 11505 44601 5548 53409 4771 101621 1142 448463 9332 9848 98071
propane 616 3052 470 4201 401 7068 95 42427 788 439 10148
Benzene 12123 57604 6584 64585 4702 127686 1334 482842 10332 10413 105629
Thiophene 29 18 21 32 6.5 47 0.3 331 28 15 34
3-Methylthiophene 6.3 24 36 66 10 87 0.4 472 52 22 41
1-methyl-2-Ethyl-cis-cyclohexane 0.7 1.5 0.4 14 1.8 3.1
o-Xylene 0.7 2.2 0.8 5.0 1.0 12 16 4.9 0.5 3.1
表5- 4: 甲烷的碳、氫同位素值。
sample
name d13C CH4 std dDCH4 std DP -28.3 0.10 -135 2.4 LFK -23.3 0.52 -131 1.6
DYK -24.4 0.68 n.d -
GTP -27.6 0.69 -131 3.6 BY -29.6 1.88 -129 3.1 DRK -31.4 0.16 -148 1.9 MT-1 -30.3 0.27 -131 1.0 MT-2 -32.5 0.35 -126 3.8 CSL -20.9 2.04 -120 0.6 SYK -25.3 1.07 -128 1.1 LHK -23.6 1.13 -131 1.8 SHP -27.0 1.14 -130 1.4
*碳同位素標準品為 PDB，單位為‰，氫同位素標準品為 SMOW，單位為‰。
nd: 沒有分析或無法分析。
5-2-2：有機物的種類分布
有機物在不同的環境下會有不同的表現特性。圖5- 1 顯示出有機物分別在活 火山噴氣(但噴氣口溫度並不高)，活火山的土壤氣中，以及在熱液系統和低溫逸 氣系統中的不同分布情況(Tassi et al; 2009)。其中的熱液系統包括了 Yellowstone、
Tendaho 以及 2008 年義大利學者在大屯火山取得的標本。照理來說，熱液地區 以芳香烃為主，其次是輕烷烃(C2-C5)和重烷烃(C6-C15)，而烯烃類含量比起活 火山地區要少得多。大屯火山地區然而如果把大屯山的標本拿出來跟這個熱液系 統相比較的話，會發現有一些突兀的地方。
5-2-3：甲烷的來源
大屯火山中和世界上的其他火山或熱液地區相較之下，明顯有較多的甲烷存 在(表 3- 4)。這些”過多”的甲烷並不是從岩漿源直接供應而來，如果考慮到 CO2-CH4的平衡式亦會發現有極度不平衡的狀態，顯示有其他來源的甲烷加入大 屯火山的火山系統之中。除了甲烷之外，在大屯火山地區的輕烷烃類(C2-C5)的 含量也比其他地區要多。
天然氣的形成機制可以分為兩種類型，一種是生物成因的微生物氣，一種則 是熱生成氣。微生物形成的氣體的特徵是以乾氣，也就是甲烷為主，而較濕的氣 體(乙烷、丙烷等以上的成分)含量較低。且微生物的作用溫度較低，發生深度也 較淺。相較之下，熱生成氣發生的溫度較高，深度也較深。熱生成氣一般會有相 當數量的溼氣存在，但是若是有機物高度成熟的情況下所形成，則表現出來的特 徵會跟微生物氣的特徵類似，亦即以甲烷為主。因此要判斷其生成，除了從組成 特性之外，更必須從碳、氫同位素來做判斷，才不至於誤判。根據Fuex (1977) 和Schoell (1983)等人的研究，如果是生物成因的氣體，其甲烷碳氫同位素值為 13C: <-60‰ 而 D 則是<-150 ‰。如果是和產油相關的氣體則是 13C: -60 to -40‰, D:<-125 ‰。而如果是深部的有機物高度成熟的氣體則為 13C: -40 to -25 ‰, D:-150 to -100 ‰。大屯火山的標本的甲烷碳氫同位素值分布為 13C:
-33 to -21 ‰, D:-148 to -120 ‰，因此可以初步判斷這裡的甲烷應該是深部的有 機物高度成熟而產生。
我們將大屯火山中的甲烷和台灣西部麓山帶油氣田以及高雄麓山帶的油氣苗 做一個比較(Lu and Lin, 1986; Sun et al., 2008)。利用甲烷碳同位素對 C1/(C2+C3) 作圖(圖 5- 5，修改自 Whiticar , 1999)，可看出大屯火山的標本落在熱生成氣的區 域範圍，而且比起其他兩個地區來說成熟度較高。如果再進一步利用甲烷碳同位 素對C2+作圖(圖 5-6)，以及甲烷的碳-氫同位素作圖(圖 5- 7)(Schoell , 1983), 可 以更清楚的看出大屯山的標本都落在高成熟度、深部氣體成因區。
區底下富含有機物的岩層，受到火成作用及熱水作用影響，造成有機物的過度成 熟，產生了過多的甲烷加入現有的火山系統中。
5-3：結論
分析結果顯示，和其他世界上的活火山及熱液地區相比較之下，大屯火山地 區內大多數的採樣點的有機物成份分布趨勢和世界上以熱液作用為主的地區相 較之下大致相同，顯示大屯火山地區主要以熱液作用為主；而在火山外圍的大埔 則和低溫逸氣系統相符。然而大油坑地區的有機物分布卻和其他地區都大不相同，
顯示其底下還有更為複雜未知的機制運行。
和其他地區相比，本區存在過量的甲烷，顯示甲烷可能有其他的來源。根據 甲烷中碳-氫同位素結果可以初步判斷甲烷為熱生成機制產生，並且為高度成熟 的深部有機物裂解而來。台灣北部的五指山層和木山層中富含煤質，是重要的生 油源岩，因此推斷大屯火山中過多的甲烷是地層中的有機質，經由火成或熱液作 用使其過度成熟，產生過多的甲烷加入大屯火山溢氣系統之中。