利用紅外線熱像儀釐定利氏海底熱流探針之熱容量及偵測沉積物中之天然氣水合物的探討

國立臺灣大學理學院海洋研究所 碩士論文

Institute of Oceanography College of Science National Taiwan University

Master Thesis

利用紅外線熱像儀釐定利氏海底熱流探針之熱容量及偵 測沉積物中之天然氣水合物的探討

Using the Infrared Thermal Camera to Determine the Heat Capacity of Lister-type Marine Heat Probe and Detect the

Gas Hydrate in Coring Sediments

廖可鈞 Ko-Chun Liao

指導教授：徐春田 博士 Advisor: Chuen-Tien Shyu, Ph.D.

中華民國99年1月 January, 2010

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 國立臺灣大學海洋研究所 利用紅外線熱像儀釐定利氏海底熱流探針之熱容量及偵測沉積物中之天然氣水合物的探討 碩士論文廖可鈞撰

99 1

I

國立臺灣大學碩士學位論文口試委員會審定書

II

謝誌

兩年的研究所學習歷程對我而言意義非凡，在完成這本論文時也劃下不捨的 句點，衷心感謝兩年多來許多人對我的支持、關懷與幫助。首先深摯感謝我最尊 敬、最敬愛的指導老師徐春田教授，老師總是耐性十足的對我指導，不厭其煩的 聆聽並解答我的問題，老師豐富的知識及嚴謹的態度不斷地導引我往正確的方向 邁進。同時非常感謝口試委員劉家瑄教授、喬凌雲教授、李昭興教授與許樹坤教 授的悉心指導，本研究才能順利完成。接下來感謝實驗室的夥伴，協堂學長與宏 毅學長總是熱心地為我解惑，在信宏學長與季達學長的教導下，讓我剛進這個實 驗室時感受到的陌生即迅速消失。特別感謝地調所陳柏淳的幫忙，使我的實驗得 以完成。另外還要感謝智睿學長、佳瑜學長、傑閔、佩怡、宛芬、玲雯、映仲、

詹肥、佑聰、苾芬、偉綸、川哲、鈺婷、小愛、小倫、琪鈺、千惠、筱雨、智軒、

飯桶、小威、聖峰、鳳儀、武、怡芳、力剛、咪、綠、魔、鍵盤、Pinky、育玲、

佳翎及「海研一號」上非常辛苦的邱協棟及其他作業員，無論是在課業或是生活 中都給我非常大的幫助。最後我要感謝至始至終都支持著我的家人及女朋友，你 們是我求學最大的動力，謝謝你們，我愛你們。

III

摘要

利用地熱的方法探測天然氣水合物，主要是根據海床之溫度梯度與天然氣水 合物的穩定曲線的交點推估天然氣水合物的穩定帶底部（Base of Gas Hydrate Stability Zone；BGHS）的深度，以及天然氣水合物在減壓及升溫的情況下解離，

產生急速吸熱之異常現象而偵測它的存在。一般學界廣泛地採用了利氏海底熱流 探針（Lister-type marine heat probe）測量海床原位（in situ）之溫度梯度及熱導係 數，然而從探針所取得之資料做迴歸計算求取海床之溫度梯度及熱導係數時，必 須假定探針之熱容量為已知，但是目前並無一有效的方法來釐定探針的熱容量，

僅能根據組成的材料來推估熱容量，因此估算出來的熱容量可大可小，範圍高達

±20 %以上，實際上我們發現熱容量對求解上述參數的結果影響極大，尤其是溫 度梯度，當然也就影響了BGHS深度的推估。因此我們提出了兩種方法，其一是 將漆包線纏繞在探針表面，並觀察漆包線隨溫度而改變的電阻；其二是使用紅外 線熱像儀（Infrared thermal camera）直接掃描探針表面溫度的變化。經實驗測試 的結果就準確度及方便性而言，紅外線掃描法遠優於漆包線纏繞法，所測出來熱 容量的標準偏差僅在±2 %以內，較一般估計值的偏差範圍縮小了十倍。

另外，將天然氣水合物從海床下取出至海面時，由於升溫及減壓的結果會使 天然氣水合物解離而快速吸熱，產生熱導係數及低溫異常的情形，此時如使用紅 外線熱像儀進行掃描即可快速研判有無天然氣水合物，估計從海床表面採集沉積 物至船上的時間約需兩個小時，實驗結果顯示，顆粒狀的天然氣水合物與沉積物 的比例即使非常少，經過兩個小時後仍然能發現與周圍沉積物的溫度尚有1 ℃左 右的溫差。

在預定鑽井採取天然氣水合物的各測站中，四個測站顯示出熱導係數相當高 並會隨時間而快速下降的異常，其中之三站在紅外線熱像中有低溫異常的出現，

而且兩種異常現象出現的位置極為接近，尤其是在測站KP-7-1，出現了沉積物中 含有天然氣水合物的所有前述的熱異常現象，應該是最有可能含有天然氣水合物 的地點。

IV

關鍵詞：紅外線熱像儀掃描、釐定利氏海底熱流探針之熱容量、天然氣水合物、

天然氣水合物的穩定帶底部、熱異常。

V

Abstract

From the study of gas hydrate related thermal phenomena; it is possible to

estimate the base of gas hydrate stability zone (BGHS) based on the intersection of the temperature gradient and the gas hydrate stability boundary curve and detect the gas hydrate within the sediment via negative temperature anomaly induced from the dissociation of gas hydrate during temperature raising and depressurizing. The Lister-type marine heat probe has been extensively utilized to measure in situ temperature, temperature gradient and thermal conductivity.

However, the difficulty is we can only assume the thermal capacity of the probe when the data are regressed to calculate the temperature, temperature gradient and thermal conductivity of the seabed sediments, as there are currently no methods to precisely determine the probe’s heat capacity. We can only make very rough estimates of the heat capacity based on the building materials of the probes. In general, the estimated range could vary up to ±20 %. Yet we have come to understand that the heat capacity affects the calculated results greatly, especially the temperature gradient, which would further influence the estimated depth of BGHS. Here we have developed two alternative methods. One is to wrap the probe with enameled wire and observe its resistance corresponding to the temperature change. The other is to use infrared camera to scan the temperature change on the probe. After experimenting with both methods, we have found the infrared scanning method to be far better than the enameled wire method in both accuracy and convenience. Furthermore, the standard deviation of heat capacity measured by the infrared scanning method is within ±2 % which is about one order better than conventional estimate.

Due to temperature raising and depressurizing as we transport the gas hydrate from the seabed toward the sea surface, it will dissociate and rapidly absorb the

surrounding heat, which would produce anomalies in thermal conductivity and negative temperature. According to our experiments, even when the sediment is

VI

bearing very little granulated gas hydrate, we can still detect the negative temperature anomaly of about 1 °C after two hours which is normally the time it takes to carry the sediment from seabed to the coring vessel.

In the planed drilling sites for gas hydrate investigation, four of the sites have show anomalies in thermal conductivity. Amongst them, three of the sites have also shown negative temperature anomalies in infrared thermal images. The locations of these two related anomalies were in very close proximity. Particularly at site KP-7-1, we have detected every thermal anomaly indicating the presence of gas hydrate within the sediment.

Keyword: Infrared thermal scan, Heat capacity determination of Lister-type marine heat probe, Gas hydrate, Base of gas hydrate stability zone, Thermal anomaly.

VII

目錄

口試委員會審定書 ... I 謝誌 ... ... II

摘要 ... ... III

Abstract ... V

第1章 緒論 ... 1

1.1 研究動機與目的 ... 1

1.2 實驗測試地點 ... 2

1.3 本文內容簡介 ... 2

第2章 地熱探測 ... 5

2.1 熱流值的量測 ... 5

2.2 測量儀器 ... 6

2.3 儀器配置與施測流程 ... 10

2.4 資料處理 ... 13

2.4.1 溫度校正... 13

2.4.2 溫度梯度... 16

2.4.3 熱導係數... 18

2.5 902B航次地熱資料 ... 20

2.6 熱容量對利氏海底熱流探針量測溫度、溫度梯度及熱導係數的影響 ... 22

2.6.1 熱容量對求解溫度的影響... 23

VIII

2.6.2 熱容量對推估BGHS的影響... 24

第3章 紅外線測溫原理及儀器介紹 ... 26

3.1 紅外線測溫原理 ... 26

3.2 紅外線的基本理論 ... 26

3.3 儀器介紹 ... 31

3.4 溫度校正 ... 34

第4章 釐定利氏海底熱流探針之熱容量 ... 36

4.1 將探針針管纏繞漆包線並觀察其電阻之變化 ... 37

4.2 使用紅外線熱像儀直接掃描探針表面所得之溫度 ... 41

4.3 資料處理 ... 45

4.4 兩種釐定利氏海底熱流探針之熱容量方法的比較 ... 48

4.4.1 放出熱脈衝後利氏海底熱流探針的溫度分佈... 51

4.5 紅外線掃描法釐定利氏海底熱流探針的結果與討論 ... 53

第5章 紅外線熱像儀偵測沉積物之天然氣水合物 ... 57

5.1 偵測實驗室中合成之天然氣水合物的解離時間及溫差 ... 57

5.2 以紅外線熱像儀偵測台灣西南海域之天然氣水合物 ... 66

5.2.1 儀器配置及施測流程... 66

5.2.2 資料處理... 68

5.2.3 紅外線熱像儀偵測天然氣水合物的結果... 71

5.3 將紅外線熱像儀掃描而得的資料與地熱資料的比較 ... 80

第6章 結論 ... 84

參考文獻 ... 86

IX

圖目錄

圖 1-1：台灣西南海域BSR之分部及其在海床下之深度圖。（摘自 Liu et al., 2007）

... 3

圖 1-2：根據天然氣水合物穩定曲線(紅色)與溫度梯度線(藍色)之交叉點可推估 BGHS之深度。（摘自 Ruppel, 2007） ... 3

圖 1-3：紅外線熱像儀所掃描之沉積物岩心影像。（摘自Ford et al., 2003） ... 4

圖 1-4：利用「海研一號」902B航次在臺灣西南海域搜集了17個地熱測站的位置。 ... 4

圖 2-1：臺灣大學海洋研究所研發製作之利氏海底熱流探針。 ... 8

圖 2-2：各測站溫度隨海床深度變化情形。（摘自Kaul et al.,2000） ... 8

圖 2-3：附著式小型溫度探針。 ... 9

圖 2-4：熱傳導分析儀。 ... 9

圖 2-5：將剛取得之岩心放置在冰水中量測熱導係數。 ... 12

圖 2-6：利氏海底熱流探針溫度校正圖。 ... 14

圖 2-7：由利氏海底熱流探針的資料推求溫度梯度。 ... 17

圖 2-8：由利氏海底熱流探針的資料推求沉積物的熱導係數。 ... 19

圖 2-9：天然氣水合物穩定曲線及溫度梯度推求天然氣水合物穩定帶底部(BGHS) 之例。 ... 20

圖 2-10：所推求之溫度因熱容量的增減而產生之差值以百分比表示。 ... 23

圖 2-11：熱容量的錯估對推算BGHS深度的影響。 ... 25

圖 3-1：電磁波光譜圖。 ... 29

圖 3-2：Planck曲線圖。 ... 29

圖 3-3：美國FLIR公司所製造的紅外線熱像儀SC4000型及其規格。 ... 32

圖 3-4：紅外線熱像儀所施測的樣品。 ... 33 圖 3-5：在探針表面對應於針內之處熱敏電阻之處貼上一層薄薄的黑色膠帶以高

X

放射率。 ... 33

圖 3-6：紅外線熱像儀所接收到的輻射能量來自待測物本身、周遭環境的能量經 由待測物反射及大氣的輻射能量。(摘自：FLIR System說明書) ... 35

圖 4-1：漆包線纏繞法之連接方式。 ... 38

圖 4-2：量測漆包線電阻值隨時間之變化。 ... 38

圖 4-4：漆包線之電阻與溫度之關係圖。 ... 39

圖 4-3：漆包線電阻轉成溫度之方法。 ... 39

圖 4-5：比對探針管內的溫度(紅色線)與漆包線所反應的溫度(綠色線)關係。 ... 40

圖 4-6：紅外線熱像儀掃描熱流探針熱敏電阻處。 ... 41

圖 4-7：鍍鉻之探針表面過於光亮造成放射率低無法觀測到溫度上升的情形。 42 圖 4-8：在探針表面貼上一層黑色膠帶後便可看出溫度上升的情形。 ... 43

圖 4-9：比對探針管內之溫度(紅色線)與紅外線熱像儀所反應之溫度(綠色線)的關 係。 ... 44

圖 4-10：探針溫度資料及熱像儀溫度資料選取迴歸的部分。 ... 46

圖 4-11：根據當時空氣溫度的散熱情況求取T⁰。 ... 46

圖 4-12：比較漆包線纏繞法(上圖)與紅外線掃描法(下圖)的結果。 ... 50

圖 4-13：放熱脈衝後針管表面溫度隨時間之變化。 ... 52

圖 4-14：以紅外線掃描法觀測探針表面溫度分佈隨時間之變化。 ... 52

圖 4-15：使用紅外線掃描法釐定熱容量的誤差百分比及個數。 ... 56

圖 5-1：在一約50公分長的岩心膠管中置入海床取得之沉積物及粗顆粒和細顆粒 的人工合成之天然氣水合物。 ... 59

圖 5-2：以紅外線熱像儀對混入人工合成天然氣水合物之岩心管進行掃描攝影。 ... 59

圖 5-3：含有5公克及7公克天然氣水合物的沉積物岩心之熱像圖。 ... 60

圖 5-4：圖5-3中(a)到(e)中藍直線剖面的溫度分布圖。 ... 61

XI

圖 5-5：測試天然氣水合物解離時間的標本概念圖。 ... 64

圖 5-6：天然氣水合物的標本在反應釜(箭頭所指處)中經過至少兩個小時的緩慢升 溫及降壓。 ... 64

圖 5-7：測試天然氣水合物解離時間的熱像圖及其溫度分佈圖。 ... 65

圖 5-8：將測試後的天然氣水合物取出觀察。 ... 65

圖 5-9：紅外線熱像儀連接電腦及岩心放置於鐵架上。 ... 67

圖 5-10：紅外線熱像儀拍攝所得的最原始資料圖。 ... 68

圖 5-11：每段約20公分之紅外線影像。 ... 69

圖 5-12：整支岩心的紅外線影像(左)及其對應的溫度剖面圖(右)。 ... 70

圖 5-13：以活塞岩心器在902TEM27測站採得之岩心熱像圖。 ... 72

圖 5-14：902TEMKP-5-3測站之熱像圖(左圖)。 ... 73

圖 5-15：902TEM5測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 74

圖 5-16：902TEM8測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 74

圖 5-17：902TEM9測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 75

圖 5-18：902TEMKP-7-1測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 75

圖 5-19：902TEM2測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 76

圖 5-20：902TEMHSU1測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 76

圖 5-21：902TEMHSU2測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 77

圖 5-22：902TEMG14測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 77

圖 5-23：902TEMG3測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 78

圖 5-24：902TEMT6測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 78

圖 5-25：902TEMN2測站之熱像圖(左圖)及溫度剖面圖(右圖)。 ... 79

圖 5-26：海床表層沉積物有出現快速吸熱異常現象的測站位置(測站位置及相關資 料見表2-2)。 ... 81 圖 5-27：測站902TEMG14、902TEMHSU2、902TEMKP-7-1岩心沉積物之熱導係

XII

數偏高且有隨時間而快速下降的情況。 ... 82 圖 5-28：測站902HTKP-7-1及902TEMKP-7-1的利氏海底熱流探針(上圖)及附著式

小型溫度探針的溫度資料(下圖)。 ... 83

XIII

表目錄

表 2-1：附著式小型溫度探針與溫鹽深儀的溫度修正表。 ... 15

表 2-2：各地熱測站詳細資料表。 ... 21

表 2-3：調整熱容量後利氏海底熱流探針量測到的結果。 ... 22

表 2-4：兩個熱敏電阻之間的熱容量增減所可能產生的溫度梯度及與原測值之比 較以百分比示之。 ... 24

表 4-1：漆包線纏繞法及紅外線掃描法的比較。 ... 48

表 4-2：使用紅外線熱像儀釐定利氏海底熱流探針所獲得的各項參數。 ... 53

表 5-1：出現各種快速吸熱現象的測站。 ... 81

1

第1章 緒論

1.1 研究動機與目的

常用探測天然氣水合物的方法可分為（1）間接的遙測法：主要是指在震測

剖面上尋找震測仿擬反射（Bottom Simulation Reflector；BSR）及以地電阻法尋 找高電阻區等，（2）直接的現場採樣法：包括地溫(熱流)量測、井測及岩心的化 學性質分析等。

臺灣西南海域由反射震測剖面上所發現的海底仿擬反射面其分佈面積可達 11,000平方公里（Liu et al., 2007）（圖1-1），根據海底溫度梯度的推估其厚度約為 250 ~ 400公尺（Shyu et al., 2006），初步估計總體積應有五千億立方公尺以上，若 能全部開發可供國內使用五十年以上，此外該區常伴隨有泥貫入體及泥火山等構 造，也是適合於天然氣水合物的賦存（Chi et al., 1998；Shyu et al., 1998）。

目前以地熱方法來探測天然氣水合物時，利氏海底熱流探針（Lister-type marine heat probe）是國際間普遍使用的儀器，因為此方法能夠得到海床原時原位

（in situ）的溫度及熱導係數，然而從所得資料迴歸計算前述兩種參數均需假定 探針之熱容量為已知，實際測試後也發現熱容量的誤差會嚴重影響到溫度梯度，

進而誤判天然氣水合物穩定帶底部（Base of Gas Hydrate Stability Zone；BGHS）

的深度（圖1-2），但是前人所估計的熱容量皆不精確，Hartmann and Villinger (2002) 以±20 %的範圍之熱容量變化來討論對推求熱導係數的影響；Lee et al. (2003)的數 字模擬計算中，管徑8 mm的探針熱容量值從145至210 J/mK都有用到，凸顯出大 家對熱容量大小的估計還相當沒有把握。

另外，天然氣水合物原本適合存在於高壓及低溫的環境下，當含天然氣水合 物的沉積物從海床之下取至海面時，會因升溫及降壓破壞它存在的條件而產生解 離，從原來的固態轉變成液態或氣態，因解離作用是一種吸熱的反應，於是近年

2

來為達迅速研判海底沉積物的表層是否含有天然氣水合物，都會採取即時觀察岩 心樣品是否有溫度異常（Ford et al., 2003; Weinberger et al., 2005）及熱導係數異 常（Shyu et al., 2006; Poort et al., 2007）的現象發生。所以一般除了先前已廣泛使 用來量測海床溫度及熱導係數的利氏海底熱流探針、附著式小型溫度探針及熱傳 導分析儀（Thermal conductivity analyzer）之外，也同時採用了紅外線掃描法，當 岩心回收至船上時，利用紅外線熱像儀（Thermal infrared camera）迅速掃描出岩 心中因含有天然氣水合物的解離而大量吸熱所造成的低溫異常區（圖1-3）。

文中將探討熱容量對求解溫度、溫度梯度及熱導係數的影響，並提出漆包線 纏繞法及紅外線掃描法，同時比較兩種方法的優劣，最終之目的就是在前述兩種 方法中，尋找出一個較為準確及方便的方法，以有效釐定熱探針之熱容量，然後 將其應用於製作之探針上。另外，在利用紅外線掃描法偵測沉積物是否含有天然 氣水合物方面，我們將在實驗室內做實驗觀察此法的有效性，並將其應用於實際 在預定之鑽井區所取得的各測站岩心上。

1.2 實驗測試地點

本文實驗測試地點位於北緯22度至北緯22.4度、東經119.8度至東經120.1度之 間（圖1-4），海上數據為「海研一號」研究船於2009年6月9日至14日，為期5天的 902B航次所取得共17站的地熱資料，其中有13個站位是國內首次使用紅外線熱像 儀來偵測沉積物是否含有天然氣水合物。

1.3 本文內容簡介

本文共分六章，第一章闡明研究動機與目的；第二章介紹地熱探測所使用的 儀器、研究方法、資料處理及釐定熱容量的重要性；第三章說明紅外線熱像儀的 測溫原理、儀器介紹；第四章介紹釐定利氏海底熱流探針熱容量的方法及討論所 得到的結果；第五章介紹紅外線熱像儀於實驗室中測試的效果及實際應用在偵測 台灣西南海域之天然氣水合物的結果，並與其它地熱資料作比對；第六章為結論。

3

圖 1-1：台灣西南海域BSR之分部及其在海床下之深度圖。（摘自 Liu et al., 2007）

圖 1-2：根據天然氣水合物穩定曲線(紅色)與溫度梯度線(藍色)之交叉點可推估 BGHS之深度。 （摘自 Ruppel, 2007）

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圖 1-3：紅外線熱像儀所掃描之沉積物岩心影像。影像中呈深紫色之處即為低溫 異常區，也是天然氣水合物可能存在的地方，低溫異常區與周遭平均溫 度差約4 ℃左右。（摘自Ford et al., 2003）

圖 1-4：利用「海研一號」902B航次在臺灣西南海域搜集了17個地熱測站的位置。

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第2章 地熱探測

由圖1-2中的天然氣水合物穩定曲線，可預測當溫壓條件超出天然氣水合物的 相界時（即在穩定曲線右上方），不會有天然氣水合物的生成，即使是原已存在 的天然氣水合物也會解離成水及甲烷、乙烷等氣體。而天然氣水合物的相界曲線 隨溫度的變化十分陡峭，表示天然氣水合物對於溫度變化的敏感度遠高於壓力變 化的效應，因此，利用海床的溫度資料來研判天然氣水合物的生存條件，便成為 非常重要的方法之一。

2.1 熱流值的量測

地球在形成後即不斷向外散熱，在地表量測地球散熱的速率便成為瞭解地球 內部熱構造及熱源性質的重要方法。熱流為一向量，表示每秒通過單位面積的熱 量，若熱量的流通是以傳導方式進行，則熱流（Q）的定義為：

( / 2) T

Q W m K

z

= − ⋅∂

∂ (2-1) 各參數定義如下：

K：熱傳導係數，表示物質傳遞熱的能力。

T：溫度。

z：深度，對地球而言向下為正值。

T z

∂

∂ 即為溫度隨深度的變化，稱之為溫度梯度( temperature gradient )。

海底的熱流值是藉由測得垂直的溫度梯度及當地的熱傳導係數相乘而得。

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2.2 測量儀器

目前國際間對海洋天然氣水合物賦存區之溫度調查較普遍的是採用可穿透 海床4~5公尺的利氏( Lister )海底熱流探針以及能附著於長岩心管之小型溫度探 針（可達岩心取樣器穿透之深度，例如30公尺以上），以下將對量測熱流值所使 用的儀器做一簡單介紹：

(一) 利氏海底熱流探針 (圖2-1)

要測量海底沉積物的熱導係數，以往都是將沉積物岩心取回至船上時才給予 測量，但是這時的沉積物已受到岩心取樣時的干擾，且在船上測量時周圍的環境 參數如壓力、溫度等，已與取樣之海底原位的條件不同，量測而得的熱導係數與 其在海床原時原位的值差異甚大。為了能更準確量測海底熱流值，Sclater et al.

( 1969 )設計了能在海床原位量測較淺層沉積物熱導係數的儀器；Jemsek et al.

( 1985 )發展出利用線性加熱器加熱來提供穩定熱源，然後記錄沉積物中熱消散的 時間（大約10分鐘）以求得熱導係數的方法；Lister ( 1979 )又更進一步利用在圓 柱狀的探針中產生熱脈衝（大約10秒鐘），並將其發熱後之衰減曲線與理論解求 取吻合之熱導係數 ( Lister, 1979：Hyndman et al., 1979 )。

臺灣大學海洋研究所將利氏型海底熱流探針加以研發改良後已使用多年，效 果良好，溫度解析度(resolution)高達0.1 m℃，連接電腦時以19200 bps之速度下載 資料，此類型探針的優點是能夠同時取得海床原時原位的溫度、溫度梯度及熱導 係數，缺點是穿透深度較淺，所得資料易受海床表面的海流溫度及沉積物所影 響，雖然探針插入海床沉積物的深度越深越好，不過通常只要超過海床以下超過 2~3公尺便逐漸有參考的價值（Kaul et al., 2000）(圖2-2)。

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(二) 附著式小型溫度探針 (圖2-3)

由臺灣大學海洋研究所研製成功，溫度解析度(resolution)高達0.1 m℃、取樣 率最快可達1秒、連接電腦時以57600 bps之速度下載資料，此型探針體積小（長 24 ㎝，直徑2.2 ㎝）攜帶方便可輕易繫附於其他儀器上，其外殼為圓柱型鈦合金 所製造，硬度極高可承受撞擊，其前端針頭內部有溫度感應元件，為主要量測溫 度的部分，同時具有耐酸鹼的特性不易腐蝕，適合繫綁於岩心管上隨同岩心採樣 器插入海床作業，因可穿入較深之深度，所得之溫度梯度較不受海水及沉積物堆 積的影響，缺點是需以熱傳導分析儀另行在船上量測採樣沉積物之熱導係數，所 測得之值並非原時原位之熱導係數值。

(三) 熱傳導分析儀 (圖2-4)

利用細熱導探針測量沉積物熱導係數，精度(accuracy)為讀值的10 ％，施測 過程約15分鐘，但必須等岩心管內沉積物取得後，於船上實驗室測量而得。

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圖 2-1：臺灣大學海洋研究所研發製作之利氏海底熱流探針。

針管內之熱敏電阻間距為60~100公分（隨針管長度調整）。

圖 2-2：各測站溫度隨海床深度變化情形。在海床表面1.5公尺以下之溫度梯度趨 勢相當一致。（摘自Kaul et al.,2000）

Lister-type Marine Heat Probe

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圖 2-3：附著式小型溫度探針。左圖為溫度探針繫掛於岩心管，右圖為溫度探針 經由電腦下指令不需打開探針便可下載資料。

圖 2-4：熱傳導分析儀。下方為與主機連接之細熱導探針，將其插入岩心沉積物 便可測量熱導係數。

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2.3 儀器配置與施測流程

（一）利氏海底熱流探針：

針管中依長度等間隔（0.6~1 m）佈放熱敏電阻，下插至海床後分兩階段的過 程施測：

第一階段利用下插時因摩擦導致溫度上升，然後逐漸下降之溫度紀錄推估沉 積物不受干擾前之溫度及溫度梯度。

第二階段以放電方式產生熱脈衝，視其溫度衰減之速度求取海床沉積物的熱 導係數，如此便能準確得到原時原位的溫度梯度與熱導係數，理論上整個過程約 需15分鐘，不過為保險起見本研究均採用較長的紀錄時間，因此均需半小時始可 完成。施測流程如下：

（1） 下放探針至離海床30公尺左右，船位穩定一段時間（約5分鐘）使探針達 穩定平衡，並可藉此校正各熱敏電阻之溫度差值（offset校正）。

（2） 將探針以最大速度下放（約每秒下放2公尺），垂直下衝進入沉積物中。

（3） 探針插入後，船位保持不動，以每秒0.2公尺放出鋼纜，避免船位漂移將探 針拔出。

（4） 約12分鐘後，探針內部電池放電形成熱脈衝波。

（5） 約18分鐘後，拔出探針回收至船上。

（6） 將探針與電腦連接並下載探針所紀錄的資料，處理之後便能得知溫度梯度 與熱導係數。

11

（二）附著式小型溫度探針：

在地溫測量時主要是將其繫附於重力或活塞岩心上，依岩心管長度決定探針 放置間隔（1~1.5 m），以支架固定於岩心管上。

（1）在距離岩心管頂部（插入沉積物之尖端）約30公分處開始架設探針，然後 每間隔一公尺擺置一具探針（以6公尺長之岩心管為例）。

（2） 將支架以螺絲及不繡鋼束環固定於岩心管上。

（3） 當岩心管下放至離海床30公尺左右停約5分鐘並固定船位，待岩心管穩定 垂直於測站上方及各探針溫度平衡後全速下衝。

（4） 岩心管插入海床後，須等待約15~20分鐘後才回收，期間避免船位飄移導 致拔出岩心管。

（5） 處理各探針所紀錄之溫度以推求溫度梯度。

（三）熱傳導分析儀：

量測熱導係數時應盡量將岩心周圍的溫度保持與岩心沉積物的溫度相同，因 此在岩心剛回收至船上時，即迅速放置冰水中(圖2-5)，為的是使其存在環境不致 相差太多，避免熱導係數的誤判，否則就得經長時間後，待岩心與室溫平衡相等 後再測。

（1） 當取樣岩心回收至甲板後，迅速取出岩心並以30-50公分為單位切成若干等 分。

（2） 將切好的岩心迅速拿至實驗室，隨即放至於冰水當中，以細熱導探針插入 沉積物中測量熱導係數，過程約15分鐘。

（3） 測量完後約半小時再次測量，重複二至三次，觀察熱導係數是否隨時間而 變化。

12

圖 2-5：將剛取得之岩心放置在冰水中量測熱導係數。

13

2.4 資料處理

2.4.1 溫度校正 (一) 利氏海底熱流探針

在施放流程的第一步驟時下放探針至離海床30公尺左右，要求船位停住一段 時間，其目的有三：一是為了取得在該溫度時各熱敏電阻之相對電阻值差，做為 將來修正資料用(圖2-6)；二是為了讓鋼纜及探針有較為垂直之平衡位置以利探針 下插海床；三是因我們要測量的是「垂直」的溫度梯度，因此當探針插入時應盡 量垂直於海床，以取得品質較佳之資料，不過即便有傾斜亦可以角度修正梯度值。

(二) 附著式小型溫度探針

將附著式小型溫度探針繫於溫鹽深儀（CTD）的溫度感應器旁同步下水施 測，溫鹽深儀上的溫度感應器非常靈敏，每秒可紀錄24筆溫度資料，溫度準確度 (accuracy)可達1 m℃，解析度(resolution)達0.1 m℃。

對海洋底層水溫而言，同深度時側向溫度變化很小，因此可將海洋深水層視 為天然且極為穩定的恆溫槽，校正過程選在水深大於1000公尺的測站下放溫鹽深 儀，過程中於各預定深度（本次是選擇在海平面以下1800公尺、1600公尺、1400 公尺、1200公尺、1000公尺、800公尺、600公尺等七個深度）停留10分鐘，停留 期間的溫度便是溫度校正的主要依據，經過修正後，附著式小型溫度探針的準確 度便與溫鹽深儀的溫度準確度幾乎相同(表2-1)。

14

圖 2-6：利氏海底熱流探針溫度校正圖。

利氏海底熱流探針在海床上方30公尺處停留約5分鐘（上圖，圓圈處）以利於溫 度校正；下圖為校正後的溫度圖。

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表 2-1：附著式小型溫度探針與溫鹽深儀的溫度修正表。

SN#1 SN#2 SN#3 SN#4 CTD

1800m T(℃) 3.06823505 3.11297288 3.05479124 3.09461076 2.484223 SN-CTD(℃) 0.584012071 0.6287499 0.57056826 0.61038779

1600m T(℃) 3.259810515 3.30487591 3.2467469 3.2777324 2.6763011 SN-CTD(℃) 0.58350938 0.62857478 0.57044576 0.60143126

1400m T(℃) 3.562934249 3.60826398 3.55033595 3.58844643 2.9792244 SN-CTD(℃) 0.583709872 0.62903961 0.57111157 0.60922206

1200m T(℃) 3.956883734 4.002257 3.94465395 3.98752812 3.3748732 SN-CTD(℃) 0.582010548 0.62738381 0.56978076 0.61265493

1000m T(℃) 4.909028934 4.95451515 4.89743496 4.93595175 4.3299963 SN-CTD(℃) 0.579032588 0.62451881 0.56743862 0.60595541

800m T(℃) 5.984927216 6.03038036 5.97364987 6.00672385 5.4075774 SN-CTD(℃) 0.577349835 0.62280298 0.56607249 0.59914647

600m T(℃) 7.8793609 7.92486232 7.86973136 7.90233503 7.3027648 SN-CTD(℃) 0.576596102 0.62209752 0.56696656 0.59957023

註：SN#1~4分別代表有4個附著式小型溫度探針的溫度；CTD(溫鹽深儀)的溫度 為其本身兩個溫度感應器的平均；SN-CTD即為探針與CTD的溫度差距，藉 此溫差即可用來校正探針的溫度。

16

2.4.2 溫度梯度

當探針下衝進入沉積物中時，因探針管壁與沉積物摩擦而造成溫度上升，會 對量測海底沉積物的原始溫度有很大的影響，必須使探針長時間停於海底沉積物 中俟溫度穩定平衡的狀態下，此時的溫度才能反應出真正的溫度梯度，例如欲使 摩擦引起的上升溫度恢復到沉積物未受干擾前的溫度相差至0.1m℃以下時約需 三天的時間，然而這不僅所耗不貲(船資及人力)而且目前國內幾乎沒有船期可用 的情況下，實務上是不可行的，因此必須要藉由短時間的溫度記錄推算穩定平衡 時的背景溫度( Davis,1984; Pfender and Villinger,2002; Shyu and Chang,2005)。

為了在短時間內獲得穩定的背景溫度，可依據Bullard(1954)、Jaeger(1956)、

Carslaw and Jaeger(1959)所提出的圓柱體溫度衰減函數外插而得。即假設一溫度 為T⁰之圓柱體插入沉積物時，圓柱體在t時間的溫度T(t)為：

0 ( , ) T =TB +T F

α τ

2

2 0

4 exp( )

( , )

( )

F u du

u u

α τ

α τ π

∞ −

= ⋅

∫

( ) ( )

( ) ( )

0 0 1 0 1

u u J u

α

α

Δ =⎡⎣ − ⎤⎦ +⎡⎣ − ⎤⎦ (2-1)

各項參數定義如下：

T

TB：沉積物未受探針插入干擾前之原始溫度 T0：探針下插沉積物後受摩擦升高的溫度

n( )

J u 和Y u_n( )是第n階段的第一及第二類的Bessel函數

/

τ κ = t a

κ = K / ρ c

κ

K

ρ

α = 2 a c S π ρ

17

由利氏海底熱流探針的資料求取沉積物之原始平衡溫度的步驟是：將探針插 入海床因探針與周圍沉積物摩擦而使溫度上升繼而衰減的溫度資料，以迴歸法建 立摩擦熱之模型(資料處理程式由臺灣大學海洋研究所徐春田教授提供)，然後便 可外插推算沉積物未受干擾前之原始平衡溫度(T^B)及溫度梯度(G)(圖2-7) （Shyu, 2005）。

圖 2-7：由利氏海底熱流探針的資料推求溫度梯度。

擷取利氏海底熱流探針之溫度紀錄(藍色線)第一階段約5分鐘的資料 (3648-3948 sec)(紅色線)做回歸運算後，得出沉積物未受干擾前之原始平 衡溫度(TB)(綠色線)，亦即為綠色線之無限延伸值。

18

2.4.3 熱導係數

在利氏海底熱流探針施測流程的第四步驟中，探針內部電池放電產生脈衝使 探針溫度上升然後隨時間逐漸衰減，目的是為了利用此一溫度衰減的資料以2-1 式求得熱導係數，應用時與推求溫度梯度最大不同點是在此假設T^B(由第一階段 資料求得)、T0及S為已知，然後用不同的延遲時間(delay)逐次以公式2-1中的 K 及

ρc兩參數做迴歸，然後將所求得之模型與實測資料比對，當吻合度最佳時(相關 係數最大時)便可得到相對應之delay、 cρ 及 K (圖2-8)(資料處理程式由臺灣大學海 洋研究所徐春田教授提供)。

如利用熱傳導分析儀的細熱導探針量測沉積物熱導係數時，則是根據 Blackwell (1954)所提供的方程式：

1

T 1 C

τ

Δ = ⋅ ⋅ +

λ

1 slope λ =

各參數定義如下：

Δ T

λ：熱導係數。

2 1

2 4 C I R

π

= ⋅ ，I為放出之電流，R為電阻。

ln( )t

τ

將電流(I)、電阻(R)及時間(t)帶入便可求得C₁

τ

Δ T

τ

斜率的倒數便是沉積物的熱導係數。

19

圖 2-8：由利氏海底熱流探針的資料推求沉積物的熱導係數。

實際放熱衰減曲線(藍色線)與理論衰減曲線比對後，吻合度最佳(綠色線) 時便可求得相對應之熱導係數。

20

2.5 902B航次地熱資料

主要是參考林曉武教授(依據的重點除了化學成分外，尚兼顧地形是否適合於 岩心的取樣以及海床底質的軟硬度。)、許樹坤教授(依據的重點在 Sidescan 及 Chirp 聲納的影像資料)及林殿順教授(依據的重點在震測資料)所提供的資料，利 用「海研一號」在預定鑽取天然氣水合物的地區，採集了17個地熱測站的資料。

天然氣水合物穩定帶底部的深度(BGHS)，是使用英國INFOCHEM公司製作 之MULTIFLASH軟體，依據沉積物中氣體成分比例輸入(氣體成分由臺灣大學地 質科學所楊燦堯教授提供)求出天然氣水合物的穩定曲線與實測溫度梯度之交點 即BGHS(圖2-9)。

圖 2-9：天然氣水合物穩定曲線及溫度梯度推求天然氣水合物穩定帶底部(BGHS) 之例。

Phase boundary of gas hydrate

21

各測站之位置、水深、海床表面溫度、地溫梯度、熱導係數、BGHS及BSR(BSR 深度由台灣大學海洋研究所劉家瑄教授提供)等測量結果列於表2-2

表 2-2：各地熱測站詳細資料表。

Site Lon.

(deg)

Lat.

(deg)

Water depth (m)

Penet.

depth (m)

T0

(℃)

K

（W/mK）

G (℃

/m)

BGHS (mbsf)

BSR (mbsf)

Q

（mW/m²）

1 902TEM27 119.87133 22.27467 1127 4.39 3.63 1.09 0.067 183 322 73（N）

2 902TEMKP-5-3 119.87550 22.24300 1254 3.9 3.48 1.10 0.032 438 423 35（N）

3 902TEM5 119.91483 22.21417 1222 3.9 3.43 1.03 0.037 378 328 38（N）

4 902TEM8 119.93967 22.11917 817 2.89 4.92 1.19 0.1 75 312 119（N）

5 902TEM9 119.97067 22.19000 890 3.85 5.13 1.16 0.032 302 299 37（N）

6 902TEMKP-7-1 120.01033 22.26383 991 3.85 4.42 1.43 0.032 352 263 45（N）

7 902TEM2 119.93433 22.28233 1094 3.8 3.82 1.29 0.028 468 300 36（N）

8 902TEMHSU1 119.93850 22.29600 1147 3.8 3.65 1.33 0.047 263 269 62（N）

9 902TEMHSU2 119.93362 22.32483 1216 3.9 3.64 1.21 0.079 158 257 96（N）

10 902TEMG14 119.97933 22.31067 1041 2.85 4.07 1.43 0.076 138 213 109（N）

11 902TEMG3 120.02733 22.14083 1360 3.8 3.31 1.38 0.05 280 323 69（N）

12 902TEMT6 119.98483 22.11183 1008 3.85 4.31 1.32 0.022 582 340 29（N）

13 902TEMN2 119.98150 22.09350 1071 1.85 4.05 1.31 -0.006 302 (N) 14 902HT8 119.93933 22.11883 817 1.64 5.02 1.11 0.13 53 316 144（L）

15 902HTKP-7-1 120.01050 22.26400 994 2.31 4.41 1.145 0.048 216 268 102（L）

16 902HTHSU3 119.93160 22.30070 1171 1.69 4.12 1.14 0.036 350 251 41（L）

17 902HTKP-5-3 119.87533 22.24267 1257 4.12 3.49 1.104 0.035 398 318 39（L）

Average 290 300

Penet. depth：探針或岩心插入深度； T⁰：海床溫度； K：熱導係數; G：溫度 梯度；

BGHS：以靜水壓（hydrostatic）模式估算天然氣水合物之穩定曲線與地溫梯度線 之交點。

Q：熱流值，Q值中的（L）表示該測站使用利氏海底熱流探針測量，（N）為使用 附著式小型溫度探針與細熱導探針測量。

22

2.6 熱容量對利氏海底熱流探針量測溫度、溫度梯度及熱導係數的影響

BGHS深度與溫度梯度有很密切的關係，因此欲求得較準確之BGHS就必須要 有精確的溫度梯度資料，而且也會影響到溫度梯度與熱導係數之乘積所得的熱流 值。以下說明熱容量對從利氏海底熱流探針所收集的資料求取海床溫度、溫度梯 度及熱導係數的影響(至於熱容量的測量方法將於第四章詳細說明)。

以「海研一號」902B航次在902HTKP-5-3地熱站，使用利氏海底熱流探針所 量測的資料為例，探針中第二個及第三個熱敏電阻在已知測定的熱容量下，所求 得的海床溫度分別為3.5715 ℃及3.5449 ℃，兩熱敏電阻相隔0.67公尺，因此溫度 梯度為0.0398 ℃/m，熱導係數為1.12 W/mK。為了瞭解熱容量對求取溫度、溫度 梯度及熱導係數的影響，我們試將熱容量調整為原設定值的±5 %、±10 %及±20

%，並利用推求溫度及熱導係數之迴歸法處理資料，在不同的熱容量時，求得如 表2-3的結果。

表 2-3：調整熱容量後利氏海底熱流探針量測到的結果。

熱容量調整百分比 原測資料 +5 % +10 % +20 % 熱敏電阻#2 T^B (℃) 3.5715 3.5677 (-0.11 %) 3.5727 (+0.03 %) 3.5675 (-0.11 %) 熱敏電阻#3 T^B (℃) 3.5449 3.5459 (+0.03 %) 3.5445 (-0.01 %) 3.545 (+0.003 %) 溫度梯度 (℃/m) 0.0398 0.0325 (+18.21 %) 0.0421 (+5.89 %) 0.0336 (+15.5 %) 熱導係數 (W/mK) 1.12 1.14 (+1.8 %) 1.11 (-0.48 %) 1.22 (+8.49 %)

熱容量調整百分比 -5 % -10 % -20 %

熱敏電阻#2 TB (℃) 3.5712 (-0.01 %) 3.5719 (+0.01 %) 3.5746 (+0.09 %) 熱敏電阻#3 TB (℃) 3.5463 (+0.04 %) 3.546 (+0.03 %) 3.5453 (+0.01 %) 溫度梯度 (℃/m) 0.0372 (+6.31 %) 0.0386 (+2.87 %) 0.0438 (+10.09 %) 熱導係數 (W/mK) 1.15 (+2.33 %) 1.14 (+1.8 %) 1.13 (+0.96 %)

註：括號內之百分比係與原測值比較所增減之百分比。

23

2.6.1 熱容量對求解溫度的影響

將表2-3熱敏電阻#2及熱敏電阻#3調整熱容量後而解得的溫度與原來量測到 的溫度繪於圖2-10，熱敏電阻#2在熱容量調整成比原設定值逐漸減少的情況下，

所得的溫度與原測溫度的誤差會隨之變大，但是在將熱容量調整增加時卻沒有發 現相同的情形，當熱容量+10 %時的溫度反而比+5 %時接近原測的溫度；而熱敏 電阻#3反而是在熱容量調整越大或越小時，均越接近原測溫度。可見推求的溫度 雖然會受熱容量的影響，但受影響的程度並不一定按比例而增加，推測其原因是 因為做迴歸運算時的參數達四個（T^B、T⁰、 K 及 cρ ），彼此又呈非線性的關係；

而熱容量所引起的差值迴歸時可能會被溫度以外的參數所吸收，因此對最後所求 得之溫度值影響並不明顯（差值最多約為-0.0038 ℃(約-0.11 %)、最少約為+0.0001

℃(約+0.003 %)）。

圖 2-10：所推求之溫度因熱容量的增減而產生之差值以百分比表示。

24

2.6.2 熱容量對推估BGHS的影響

雖然熱容量的增減對推算溫度的影響非常小，但是在表2-3中當兩個熱敏電阻 的熱容量均+5 %時之溫度梯度卻與原測值有18.21 %的差距；除此之外再假設兩 個熱敏電阻的熱容量中其一比原設定值+5 %、+10 %及+20 %，另一個比原設定 值-5 %、-10 %及-20 %等總共36種情況來推求溫度梯度(表2-4)。與原測值相較溫 度梯度相差最小的為0.0397 ℃/m(僅比原測值小0.12 %)，推估而得的BGHS深度 幾與原測值相同；但在這36種情況中，溫度梯度最大的為0.045 ℃/m(比原測值大 13.02 %)、最小的為0.0316 ℃/m(比原測值小20.4 %)；當梯度最大時，推估而得 的BGHS深度為海面下1557公尺(比原測值淺42公尺)，當梯度最小時，推估而得的 BGHS深度為海面下1698公尺(比原測值深99公尺)，由此得知熱容量的錯估會嚴重 影響到BGHS深度的推算。

表 2-4：兩個熱敏電阻之間的熱容量增減所可能產生的溫度梯度(℃/m)及與原測 值之比較以百分比示之。

熱敏電阻#3 熱容量調整百分比

+20 % +10 % +5 % -5 % -10 % -20 % +20 % 0.0336

(-15.52 %)

0.0343 (-13.64 %)

0.0322 (-18.90 %)

0.0316 (-20.40 %)

0.0321 (-19.27 %)

0.0331 (-16.64 %) +10 % 0.0413

(+4.01 %)

0.0421 (+5.89 %)

0.04 (+0.63 %)

0.0394 (-0.87 %)

0.0399 (+0.25 %)

0.0409 (+2.88 %) +5 % 0.0339

(-14.77 %)

0.0346 (-12.89 %)

0.0325 (-18.15 %)

0.0319 (-19.65 %)

0.0323 (-18.52 %)

0.0334 (-15.89 %) -5 % 0.0391

(-1.62 %)

0.0399 (+0.25 %)

0.0378 (-5 %)

0.0371 (-6.51 %)

0.0376 (-5.38 %)

0.0387 (-2.75 %) -10 % 0.04

(+1.00 %)

0.0409 (+2.88 %)

0.0388 (-2.37 %)

0.0382 (-3.88 %)

0.0387 (-2.75 %)

0.0397 (-0.12 %) -20 % 0.0442

(+11.14 %)

0.045 (+13.02 %)

0.0428 (+7.76 %)

0.0422 (+6.26 %)

0.0427 (+7.39 %)

0.0437 (+10.02 %) 熱敏電阻#2 熱容量調整百分比

25

圖 2-11：熱容量的錯估對推算BGHS深度的影響。

熱容量增減時，溫度梯度與原測值相差最小的情況下，與原測值幾乎相 同(紅色實線與綠色實現幾乎重疊)；但溫度梯度最大的情況下(紫色實 線)，BGHS會變成在海面下1557公尺處(較原測值淺42公尺)；而溫度梯 度最小的情況下(藍色實線)，BGHS深度會變成在海面下1698公尺處(較 原測值深99公尺)。

BGHS

26

第3章 紅外線測溫原理及儀器介紹

3.1 紅外線測溫原理

任何物體只要溫度大於絕對零度(-273 ℃)，都會輻射出電磁波，其能量的分 佈主要是集中在熱紅外線( Thermal Infrared )，且大部分位於波長3~15 μm之間。

一般人可以看到的可見光波段在電磁波光譜中位於波段0.4~0.75 μm之間，而 0.75~1000 μm為紅外線波段。紅外線熱像儀就是為了彌補人眼的不足，利用待測 物放射紅外線而得到物體紅外線強弱分布，且獲得物體的影像，稱之為「熱像」。

紅外線熱像儀是一種非侵入式( non-intrusive )的測溫方式，其優點是：(1) 量 測過程迅速；(2) 待測物及其周圍溫度不會因為測溫的動作而干擾到原本的溫 度；(3) 目標可以從近距離至相當遠的距離，也可自由選擇測溫範圍。但缺點是：

(1) 必須知道待測物的放射率，否則量測到的僅是相對溫度分布，而不是真正的 溫度；(2) 周圍的環境必須保持穩定，紅外線熱像儀因為非常靈敏，但同時也較 容易受到干擾而造成誤差。

3.2 紅外線的基本理論

(一)電磁波光譜( Electromagnetic spectrum )

電磁波光譜由數個波段組合而成(圖3-1)，每一個波段都有其代表性的特徵，

光譜範圍在10 nm~1 km以內，分別有X光、紫外線、可見光、紅外線及微波等。

紅外線熱像儀就是利用光譜中紅外線波段的其中一部分，位於可見光區與微波區 之間，波段約為0.75~1000 μm，紅外線波段中依特性又可大致分為幾種不同類型：

(1) 波段在0.75~3 μm為近紅外線( Near infrared ) (2) 波段在3~6 μm為中紅外線( Middle infrared ) (3) 波段在6~15 μm為遠紅外線( Far infrared )

(4) 波段在15~1000 μm為超遠紅外線( Extreme infrared ) 本研究中所使用的紅外線熱像儀是採用3~5 μm的中波段紅外線。

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(二)黑體輻射

黑體( Blackbody )為一種理想的輻射體，零透視率，零反射，它會將輻射進入 於它的電磁波完全吸收，然後又完全輻射出來。根據Kirchhoff’s Law，黑體的放 射率為1，但是實體的放射率會隨著波長變動。紅外線熱像儀感應一個波段的紅 外線輻射能，即感應溫度時，熱像儀將結果和使用黑體產生的校準表作比較。

黑體的相關理論有以下幾點：

(1)普朗克的分佈律( Planck’s law )

透過普朗克的分佈律可以解釋輻射強度、溫度及波長之間的關係：

2

6

5 /

2 10

( 1)

b hc kT

W hc

λ e λ

π λ

= × −

− (3-1 ) 各參數定義如下：

W

T：絕對溫度(K)。

λ：波長(μm)。

c：光速，3 10× ⁸ m/sec。

h：普朗克常數 ( Planck’s constant )，6.625 10× ⁻³⁴ Jsec。

k：波茲曼常數 (Boltzmann’s constant )，1.38 10× ⁻²³ J/K。

3-1式說明了黑體輻射能量的分佈只是波長與溫度兩個因數的函數而已；據此可畫 出普朗克曲線圖( 圖3-2 )，可以看到不同溫度的黑體之輻射能量隨著波長分佈的 情形。

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(2)韋恩位移定律( Wien’s displacement law )

韋恩在1894年發現絕對溫度與黑體幅射強度最大的波長之積為一定值。此定 律正確描述了波峰和溫度關係，能夠決定所有輻射中具有大能量的波長：

_max 2898

λ

λ

μ

T：絕對溫度 ( K )。

由3-2式中可以得知

λ

(3)史蒂芬–波茲曼定律 ( Stefan-Boltzmann’s law )

此定律決定了物體表面每平方公尺每秒所產生的輻射能量與溫度之間的關 係。在普朗克曲線圖中，每條曲線下的面積即代表該溫度下的總輻射能量，此面 積隨著溫度增加而迅速增加；

W_b =

σ

Wb：黑體在溫度T時的輻射總能量(Watt/m²)。

T：絕對溫度 ( K )。

σ：史蒂芬–波茲曼常數，5.67 10× ⁻⁸W cm K/ ^{2 4}

由3-3式可知，能量與溫度之四次方成正比，當溫度稍有變化時，總能量就會 有很大的改變。

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圖 3-1：電磁波光譜圖。紅外光波段中3~5、8~12 μm為可以被紅外線熱像儀掃描 到的波段，而本研究所使用的是可以掃描到波段3~5 μm的紅外光。

(摘自：FLIR System說明書)

圖 3-2：Planck曲線圖。每條不同的曲線代表不同的溫度，在各曲線之下的面積 即輻射能量。

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(三) 非黑體輻射

(1)放射率 ( emissivity )

黑體為一理想的熱輻射體，設其為M；實際物體的熱輻射量永遠小於同一溫 度的黑體，設其為M’。兩者之比值(M’/M)定義為 ε，稱為該物體的放射率。ε 從 不具輻射能力物體的0到黑體的1，可分為三類：

(a) ε = 1時，為理想黑體。ε = 0時，為完全穿透體或完全反射體。

(b) ε 為一常數且0 < ε <1時，稱為灰體( gray body )，大部分的固體可用灰 體來描述。

(c) ε 因波長、溫度不同而改變者，稱為選擇性輻射體或非灰體，大部分的 氣體屬於此類。

放射與物體的材料、表面幾何形狀、表面加工處理、物體溫度及輻射方向均 有關係，在有光澤的金屬表面放射率很小，但表面氧化或汙染時，放射率會隨之 增大。通常絕緣體的放射率很大，例如砂土、樹木、衣服及皮膚等放射率都接近 1，紅外線熱像儀之所以能量測溫度便是從輻射能量反推表面溫度的估算值。

(2)反射率與穿透率

輻射能入射於物體表面時，一部分反射、一部分被吸收、其餘則穿透過物體。

根據能量不滅定律，必須符合：

入射輻射量( I ) = 被吸收輻射量( αI ) + 穿透輻射量( τI ) + 被反射輻射量( ρI ) 同除 I => 1 = α + τ + ρ (3-4) 當待測物為一不透明物體時，τ = 0，則3-4式可簡化成：

α + ρ = 1 (3-5)

根據Kirchhoff’s Law，任何物體在任何溫度及波長狀況下，其放射率會等於吸 收率，即ε = α，將其代入3-5式：

ε + ρ = 1 當ε趨近於零時：

ρ = 1

由此式可再度證明放射率越小的物體，其反射率越高，反之亦然。

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3.3 儀器介紹

本研究所使用的紅外線熱像儀為美國FLIR公司所製造，型號為ThermoVision SC4000(圖3-3)，為了能使溫度量得更準確，本研究主要將其設定在-10 – 55 ℃；

準確度為±2 ℃，但如果能確定物體的放射率，誤差將遠小於±2 ℃，攝影(取樣) 速度為每秒一張（最快可達120 張/秒）。

影響紅外線熱像儀掃描目標物所輻射出來的能量參數有：放射率、環境周圍 的溫度、空氣的相對溼度及目標物與鏡頭之間的距離等，簡述如下：

(1) 放射率

紅外線熱像儀在掃描物體的溫度時，最重要的是放射率的設定。金屬的放射 率很低，因為會受到反射率的影響，造成本身溫度的輻射量無法被紅外線熱像儀 所接收。本研究所施測的樣品有含沉積物的岩心膠管及海底熱探針之針管兩種(圖 3-4)，對於岩心膠管放射率的設定方法是將岩心管放在室溫約27 ℃下，經過約一 天的時間待其與室溫平衡，然後用紅外線熱像儀掃描其中一參考點的溫度，並將 所得的溫度在紅外線熱像儀分析軟體中與27 ℃的黑體比較，便可計算出此溫度 參考點的正確放射率，結果顯示岩心管的放射率為0.82。

至於探針針管的表面，因設計成抗氧化、生鏽的特性，電鍍上一層薄薄的金

屬鉻，為掩蓋反射能量的干擾使其能充分反應出針管的溫度，將其貼上黑色膠帶 (圖3-5)，然後依照上述的釐訂步驟，經紅外線熱像儀的軟體計算比對後，此貼上 黑色膠帶之放射率為0.91，幾乎接近黑體。

(2) 環境周圍的溫度

環境周圍的溫度會影響到目標物的溫度，因為周圍的溫度會經由目標物反射 而使紅外線熱像儀接收到周圍的溫度，因此在掃描目標物之前必須先設定環境的 溫度；在海研一號室內，對岩心膠管施測時，周圍的溫度大約是22 – 24 ℃；在 實驗室中，對探針針管施測時，周圍的環境大約是27 – 28 ℃。根據紅外線熱像 儀的使用手冊裡告知，當待測物的輻射率低且其溫度與周圍溫度接近時，此參數 的設定即非常重要。

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(3) 空氣的相對溼度

本參數主要是會影響到熱像儀與待測物之間的穿透率，如果空氣的相對溼度 很高，紅外線熱像儀與待測物的距離很遠，且溫度與周圍環境的溫度接近時，此 參數的設定即非常重要( FLIR System說明書 )，一般我們將相對溼度設定在50 – 60 %之間。

(4) 目標物與鏡頭之間的距離

當紅外線熱像儀掃描目標物的溫度時，掃描距離的遠近也會影響到所得的溫 度數據，距離太遠所掃描到的溫度數據是包括物體本身溫度以及環境周圍的溫 度，誤差也因此較大；距離太近會使鏡頭無法對焦，另外還會反射紅外線熱像儀 本身的溫度，造成所得的溫度數據不正確，本研究所使用的鏡頭視角為21.7×17.5°

FoV( field of view，視野範圍 )，當鏡頭距離岩心膠管30公分處時，所攝影到的長 度約10公分，鏡頭距離岩心膠管60公分處時，所攝影到的長度約20公分，以此類 推；為求最佳的效果經不斷的測試後，得到的經驗是在一般的情況下將鏡頭與岩 心膠管之間的距離調至60公分為最理想。

廠牌 FLIR SYSTEMS 型號 InSb Detecor

ThermoVision SC4000 波段範圍 3~5 μm

準確度 ±2 ℃

靈敏度 0.018 ℃

測溫範圍 -10 ℃~1500 ℃ 畫面大小 320×256 (pixels) 取像頻率 125 Hz

搭配鏡頭 25 mm (21.7×17.5° FoV) 圖 3-3：美國FLIR公司所製造的紅外線熱像儀SC4000型及其規格。

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圖 3-4：紅外線熱像儀所施測的樣品。左圖為熱探針之針管，右圖為含有沉積物 的岩心膠管。

圖 3-5：在探針表面對應於針內之處熱敏電阻之處貼上一層薄薄的黑色膠帶以高 放射率。

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3.4 溫度校正

紅外線熱像儀接收到的輻射能量不僅是從待測物本身發出，同時也會接收 到周圍輻射能量經由待測物反射至熱像儀及大氣本身也會有輻射能量直接讓紅 外線熱像儀所接收(圖3-6)。而最難以控制的是周遭環境的干擾，尤其是待測物本 身的放射率很低時，容易反射周遭的輻射，因此在利用紅外線熱像儀掃描待測物 的溫度時，除了想辦法提高其放射率，也要減少周圍環境的影響，另外鏡頭的位 置必須保持一定；也可在鏡頭至待測物周圍包覆上放射率高的隔絕物，例如紙、

布等，在國外的文獻中可以見到以錫箔紙來隔絕周遭的干擾，但實際上實驗後發 現隔絕的效果並不好，因為錫箔紙的放射率也很低；另外也可以如前所說，想辦 法在待測物體表面加工，以提高其本身的放射率。

由圖3-6可得知紅外線熱像儀所接收到非黑體的輻射能量為以下三種輻射能 量之和：

(1)物體本身的輻射能量為：ετW_obj

(2)周遭物體經由待測物反射的輻射能量為： (1−ε τ) W_refl (3)大氣的輻射能量為： (1−τ)W_atm

因此可寫成下式：

W_tot =ετW_obj + −(1 ε τ) W_refl + −(1 τ)W_atm (3-6) 假設U為輻射能量W轉換成顯示在螢幕上的能量，則3-6式可改寫成：

U

= ετ U

+ − (1 ε τ ) U

+ − (1 τ ) U

1 1 1

obj tot refl atm

U U ε U τ U

ετ ε ετ

− −

= − −

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圖 3-6：紅外線熱像儀所接收到的輻射能量來自待測物本身、周遭環境的能量經 由待測物反射及大氣的輻射能量。(摘自：FLIR System說明書)

ε：待測物本身的放射率 τ：大氣的穿透率

1-ε：代測物的反射率 1−τ ：大氣的放射率 Tobj：待測物的溫度

Trefl：周遭的溫度，在這裡假設周遭的環境為一定值

T

Wobj：物體本身輻射出的能量 Wrefl：周遭的輻射能量

Watm：大氣的輻射能量

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第4章 釐定利氏海底熱流探針之熱容量

利用利氏海底熱流探針所測得之溫度資料無論求取溫度或熱導係數時，均需 先假設熱探針針管之熱容量( S )及電阻絲所產生熱脈衝之熱能( Q )為已知，然後 對沉積物之背景溫度( T^B )、使探針上升之溫度( T⁰ )、沉積物之熱容量( ρc )及熱導 係數( K )做迴歸計算，理論上 S=Q/T0，不過實際上要在實驗室中求取S卻是相當 的困難，因此迄至目前為止僅有少數文章( Hyndman et al., 1979；Nagihara & Lister, 1993)係根據探針針管之構成材料如電線、油、塑膠、鋼管等來推估，相當不可靠；

Lee et al. ( 2003 )也認為探針的熱容量是不容易估計的，在他的數字模擬計算中，

將管徑8 mm探針之熱容量值從145至210 J/mK都有用到，可見估計探針之熱容量 可大可小，難以掌握，總括其困難處是在於：

(1) 能量(Q)使探針上升的溫度(T0)並非丁字型(spike)的波，從針管中間將熱能平均 分佈於整支針管，需要花一段時間，所以一開始在針管中心量到的最高溫度並 無法代表整支探針平均上升的溫度(T0)，需待熱能傳遞至整支針管(針管直徑為 10 mm)平衡後所得之溫度必定低於一開始量到的最高溫，因此何時在針管中所 量測到的溫度才是真正能代表探針的平均上升溫度( T0 )便異常困難。

(2) 如欲在針管外量其最高溫，則由於針管直徑極小，無適當之溫度感應元件可使 用，接觸也無法完全密合，更何況在量測期間有熱能流失的問題，所量到的溫 度也無法代表真正的T⁰；

(3) 針管相當長(如6公尺)，要在一絕緣艙內進行測量其T0，也幾乎不可能。

為改進前人的推估法，以下介紹兩種我們在實驗室所採取量測探針熱容量的方法：

1. 將極細的漆包線纏繞在探針針管之外徑並觀察其電阻隨溫度之變化(以下簡稱 為「漆包線纏繞法」)。

2. 使用紅外線熱像儀，直接掃描探針針管表面，並觀察其溫度之變化(以下簡稱 為「紅外線掃描法」)。

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4.1 將探針針管纏繞漆包線並觀察其電阻之變化

在1995年時，台大海洋研究所正處於發展製作利氏海底熱流探針的初期，由 於當時在市面上能購買得到的紅外線熱像儀所能掃描的影像解析度低也無數位 的展示，因此就曾採用了漆包線纏繞法( 黃耀昇, 1996 )，在此次的研究中為了與 紅外線熱像儀所掃描到的結果做比對，因此利氏海底熱流探針針管直徑大小、放 熱脈衝波的能量、漆包線的長度等在兩種方法的測試中必須相同，所以類似前面 的漆包線纏繞法的實驗必需再做一次，方法是在探針針管內部擺放熱敏電阻的位 置，將其管外對應之表面位置纏上一層薄薄的漆包線，為能達到較大之電阻值，

漆包線之間互不相重疊，且越密越好，並往兩端延伸一段距離後與量測電阻的電 線接頭互相連接(圖4-1)，接頭與熱敏電阻的位置保持一段距離是為了避免用來固 定接頭的膠帶會吸走些許熱脈衝所發出的能量。

本次量測漆包線之電阻時，因為無法自動把量測到的數據記錄下來，所以放 置一個電子鐘在電阻儀的旁邊並以攝影機拍攝電阻隨著時間的變化情形(圖4-2)。

為了將電阻值轉換成溫度數據，將本次所用的漆包線完全浸在水中（目的是 為了保持周圍環境的穩定），並將石英溫度計的感應器放在漆包線旁邊(圖4-3)，

就可以得知不同的溫度所對應到的電阻值。經過實驗後可將電阻( R )與溫度( T ) 以直線方程式做迴歸運算得到之關係式為R = 11.031+0.0575T(圖4-4)，判定係數 ( R² )為1，代表漆包線的電阻值隨溫度的增加呈非常良好的線性關係，因此我們 便可利用此一關係式從量測到之電阻值推算對應之溫度值。