孕育中的 龜山海底火山

海底火山的由來

在人類一萬年的歷史洪流中曾經噴發 過，或底部仍然與岩漿庫有連通的火山，都 可歸類為活火山。許多科學證據都顯示，宜 蘭龜山島及其東方海域的海底火山兼具這兩 種特性，應可以把它們歸類為活火山。

台灣東北海域就是沖繩海槽，它使琉球 島弧後方張裂形成一個海盆。雖然面積不 大，但區內地震頻繁，地熱流很高，海底地 形複雜，火山林立，是一個難得的地球科學 天然實驗場。

龜山島周圍 60 海里內至少有 70 座火 山，其中十幾座屬於活躍型的火山，而龜山 島是唯一露出水面的。宜蘭平原地下也有潛 伏的火山岩體，提供陸上溫泉的熱源。透過 高音頻的水下聲納系統，可以探測出海底火 山的外貌。第 2 號的火山座落於水深 1 千 5

F

火山

■ 李昭興

龜山島熱液噴泉 是一個很特別的自然景觀，

它有熱液循環的地質現象，

有海水與火山岩交換離子 的化學作用，

更有生物共生的生態環境。

孕育中的

龜山海底火山

百公尺處，體積與龜山島相近：底座約 2 公 里，高度 400 公尺，火山口的噴煙有 400 公 尺高，景象壯觀。

至於位於南沖繩海槽中心地帶的第 4 號 火山，可能是區域內最活躍的。在大約 500

× 500 平方公尺的一區海床上，日本「深潛 6500」潛水艇觀測到約 100 根的柱狀「煙 囪」。在熱液循環的環境中，熱水把岩漿中 的重金屬和硫化物帶出海床的表層，堆積 成柱狀，熱液持續噴出，類似「煙囪」。透

台灣東北海域就是沖繩海槽，它使琉球島弧後方張裂形成一個海盆。

雖然面積不大，但區內地震頻繁，地熱流很高，海底地形複雜，火山林立，

是一個難得的地球科學天然實驗場。

延伸型的火山凸出 被斷層切割的迴曲

火山群

弧後擴張中心

-3000

垂直擴張率 2.5 倍

峽谷 迴曲

N

龜山島東方的海底火山立體地形

900 m

1200

1500

2 km

1050 m

1200

1350

4 km

41

-1500

25.00^oN

25.50^oN

26.50^oN 122.00

Eo

122.50 Eo

123.00 E o

123.50 E o

第 4 號海底火山的聲納影像

過潛水艇的圓形窗戶看出去，火山口到處 都是「煙囪」，高度介於 1 至 10 公尺。再把 鏡頭拉近一些，赫然發現每根柱子上都爬 滿了密密麻麻的深海螃蟹及深海蛤。這是 研究人員在龜山島以東 50 海里，水深一千 多公尺處的第 5 號海底火山所觀測到的奇異 現象。

經潛水艇的儀器測量，「煙囪」出口處 的海水溫度高達攝氏 170 度，熱液的 pH 值 是 4.5 ，屬酸性。深海螃蟹及蛤都依靠嗜熱

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火山

且具化學合成作用的細菌來分解硫化物，

並生成碳氫化合物以供食用，形成一個與 光合作用截然不同的生態系統。地球上最 早的生命是否在這樣的環境中起源，是近 年來科學家爭論的熱門話題。

龜山島的淺海熱泉

龜山島是海底火山群的延續。在龜首有 多處淺海熱泉，終年可見乳白的熱泉和氣 泡 從 海 底 湧 出 ， 在 海 上 形 成 一 大 片 白 紗

龜山島淺海熱泉的聲納影像

海底熱液「煙囪」爬滿了深海螃蟹。 「煙囪」附近深海蛤密集的情景。

50 m m

0

25

50

75

50 m

龜山島淺海熱泉的側掃聲納影像

狀，隨著海流漂移，還夾 帶著刺鼻的硫磺氣味。這 是龜山島周圍很特殊的火 山熱泉活動景象。

火山一般會有明顯的 噴口，龜山島的火山口卻 模糊不清。主要原因是台 灣附近的火山，不像日本 的富士山或南美洲的火山 有穩定岩漿庫及固定火山 口。龜山島的火山呈跳躍 式的噴發，因此火山口不 容易追蹤，體積也相對較 小。唯一具火山口形貌的 是 龜 頸 背 後 的 一 個 內 陸 湖 。 在 龜 甲 北 方 0 . 5 海 里，有一高處，最淺只有

15

龜山島的火山特性大 部分都顯示在水下，高頻 水下聲納資料能清楚地描 繪出海底地形和水中的異 狀。龜首東方海域有一密

集的熱液噴泉區域，熱泉口位在水下 30 公 尺的高處，硫磺熱泉、蒸氣和氣泡如萬馬奔 馳地往上噴出。根據海洋大學和中山大學以 高頻水下聲納探測器、側掃聲納和水肺潛水 的觀測結果顯示：龜首前方水深介於 10 至

80

由側掃聲納影像可看到龜山島東部海域 熱泉區兩側海床的構造，熱泉向上噴出的情 景在影像中呈現出閃亮的光團，如同夜間煙 火齊放。熱泉口的附近瀰漫著煙氣和氣泡，

噴泉聲響隆隆震耳，彷若是地球的心臟在 跳動。熱液的溫度介於攝氏 45 至 60 度之 間，愈往噴口內部溫度愈高，最高可達攝 氏 126 度。但因為海水的迅速稀釋，所以不 會對潛水人員造成傷害。

根據水下照相，這些熱泉噴口周圍有硫 磺集結的現象。研究人員曾採集水中的氣 泡進行氦氣同位素的分析，結果顯示：龜 山島下的岩漿庫位於地殼深部，熱液含有 大 量 的 還 原 氣 體 ， 如 甲 烷 、 氫 、 硫 化 氫 等，和濃度極高的金屬離子，如錳、鋅、

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龜山島淺海熱泉的水中攝影

圖片來源：朱永盛

「烏龜怪方蟹」是台灣特有 的新種螃蟹，屬於方蟹科，弓 蟹亞科，怪方蟹屬。被命名為

「怪方蟹」，是因牠的外形與日 本的怪方蟹相似，「烏龜」則 是取它的頭胸甲背面隆起，長 相類似烏龜外殼而得。巧合的 是被發現的地點又是在龜山島 海域，因此命名為「烏龜怪方 蟹」。

這裡的海水混濁且含高濃度具生物毒性 的硫化物，海水溫度又略高於周圍非湧泉 區，在如此惡劣的環境中，為何「烏龜怪方 蟹」可以高密度群集？可能是因為硫化物的 毒性或其他環境因素，造成大量漂流至這裡 的浮游生物死亡而沉降至底層，成為怪方蟹 豐富的食物來源。再加上怪方蟹的競爭物種 或捕食者無法在這裡生存，造就了怪方蟹獨 霸的棲地環境。至於怪方蟹體內是否有特殊 銅、鐵等 。根據這些來推論，龜山島的熱

液噴泉應該也具有這種特性。惟目前的研 究尚屬開始的階段，需要更多的資料加以 佐證。

在熱泉裡，常常觀測到許多濃煙伴隨氣 泡蜂湧而上。噴口大多位在高區，也就是

「煙囪」和硫磺堆的上方。但也發現有些熱 泉是在斷層線上或洞穴中，可能和活躍的 地殼運動有關。

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火山

深海熱泉的水中攝影

圖片來源：日本海洋科技中心

龜首海底熱泉的優勢生物——烏龜怪方蟹

45

海底熱液噴口周圍出現一個與只進行「光合作用」的生態系統完全不同的生態，

被科學家認為是地球最初生命的起源地。

的排硫或解硫機制？體 內是否含有硫化菌？對 溫度及酸度為何有較大 的耐受度？這些疑問都 有待進一步研究。

龜山島熱液噴泉處 是一種陽光能到達的淺 海「光合」作用系統，

有別於深海熱泉完全沒 有陽光的「化合」作用 系統，兩者間有極大的 差異，值得深入研究。

世界其他海底熱泉

自從 1977 年美國潛 水艇「Alvin」在東太平 洋海底山脊探測到在水 溫高達攝氏 350 度的熱 液噴泉中，仍有大批的

122^o00’ 122^o20’ 122^o40’ 123^o00’ 123^o20’ 123^o40’ 124^o00’

0 5 10 15 20 30 40 60 200 km

25^o20’

25^o00’

24^o40’

24^o20’

Yonaguni Island

Ishgaki Island 龜山島

Taiwan

地震群落 1

地震群落 2

地震群落 3

資料彙整：林靜怡，2006

台灣

地震群落

1

地殼 撕裂

縱波／橫波速度比

台灣

slab tear

地震群落

2

slab tear

0 10 20 30 40 50 60 70 80 km

24

（b)

24.4 25

（a)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 km

0 10 20 30 40 50 60 70 80 km 0 10 20 30 40 50 60 70 80 km

圖片來源：林靜宜

122 24

123

25 121

25

24 25

24

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o

122

o

123

o

123.7

o

121

o

122

o

121

122

-6 -4 -2 0 2 4 6 ％

以地震資料推論琉球島弧之下，板塊向北隱沒，岩漿湧升而造成沖繩海槽和龜山島火山的形成。

2003 年 11 月 19 日至 12 月 1 日，投置 15 顆法國製的海底地震儀於龜山島以東的外 海，共蒐集規模 0.9 至 4 的天然地震 3,253 次的資料。這些微震大部分在地殼淺層，

表現出海底火山的特性。

上的生命大約在 30 億年前誕生於海洋，因 為生物細胞的組成和海水非常相近；加上 4 億年前的古生物都是海洋生物，這些都印 證了生命起源於海洋的說法。

活動中的孕育過程

2003年經濟部中央地質調查所曾委託本

o cean b ottom s eis- mometer , OBS）觀測的研究，在短短的 13 天

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火山

生物群集在「煙囪」狀的噴水口，人類對 於深海環境的認識便完全改觀。接著，法 國潛水艇「Nautile」在大西洋的中洋脊上，

以及日本「深海 2000」／「深海 6500」潛水 艇在日本火山島弧、馬里亞納海溝、沖繩 海槽和印度洋中洋脊，也相繼發現熱液噴 泉。

海底熱液噴口周圍出現一個與只進行

「光合作用」的生態系統完全不同的生態，

被科學家認為是地球最初生命的起源地。

這可能是本世紀最受矚目的生命科學研究 之一。

「黑煙囪」湧出大量的鐵、

錳、銅、鋅等金屬離子，是海 水與火山岩交換離子的重要管 道。世界 80 ％以上的金屬礦 產，包括金和銀，都是經過這 種熱水作用產生的。日本人甚 至曾在沖繩海槽的一處熱液噴 口發現可觀的金。

到目前為止，全世界海底 熱液噴泉周圍發現的生物種 類，有些相同，也有很多不 同，不過這些生物都是依靠熱 液供給的硫化氫和碳氫化合物 為主要食物。科學家認為地球

高倍顯微鏡下的長桿形細菌，大小介於 5 ∼ 10 微米。

5cm

1 μ m

圖片來源：劉秀美

到的資料，經過反覆處理，才把震源定位 出來。因為地震多，手續繁雜，所以相當 費時，但所得結果可信度非常高。

這些微震的分布範圍與龜山島斜交的主 要構造帶下方，和台灣海洋大學應用地球 科學研究所發現的 12 座活動火山的位置頗 為吻合，顯示地震與火山的關係密切。

地震資料是探討海底火山成因很有效的 工具。分析的結果發現：來自隱沒帶大約

60

結論

熱泉深海蟹的第 1 隻是我國在龜山島東 方海域一處海底火山附近撈取上來的，從

文獻得知：牠體外多毛，可提供其他生物 寄棲。這些寄棲生物能分解火山噴口的硫 化氫變成碳氫化合物來供應深海蟹，這種

「共生」的生活型態真是奇妙。

熱液噴泉區有嗜熱、嗜壓和嗜鹼的細 菌，它的大小介於 1 ∼ 10 微米。科學家正 在研究這些細菌，預期它們會有廣泛的用 途，例如石油分解菌可以分解污染港口的 漏油；嗜熱菌可以處理熱分解的問題等。

龜山島熱液噴泉是一個很特別的自然 景觀，它有熱液循環的地質現象，有海水 與火山岩交換離子的化學作用，更有生物 共生的生態環境。對於龜山島及附近眾多 火山詳細生成過程及奇特生物的了解，需 要更多的地球物理，地球化學與生物學的 研究，值得大家關注。 □

李昭興

台灣海洋大學應用地球科學研究所

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高倍顯微鏡下的扁圓形細菌，大小約 1 微米。

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圖片來源：劉秀美