利用地球化學觀測快速探勘海底火山活動

本系溫心怡博士候選人在科技部『補助博士生赴國外研究』計畫支持下，參與以首席科學家東京大學大氣海洋研究所佐野有司教授（Prof. Yuji Sano；2015-2016年任本系客座教授）所帶領的航次，搭乘日本最新的海洋學術研究船『新青丸號』至日本九州西南方，從吐噶喇列島至鹿兒島灣Wakamiko Crater進行海底火山活動調查。與日本東京大學、名古屋大學、九州大學和熊本大學等研究團隊合作，透過聲納探測器產生的水柱反射影像圖（water column image）協助判定海底熱液噴出位置，隨即進行海底熱水樣本採集，同時針對海水溫度、濁度與酸鹼值等物理化學特性進行量測，在底部顯示低酸鹼度和高濁度等異常特性，可作為海底熱液存在的佐證。此方法可大幅提昇探勘效率，更是首次報導該研究區域的地球化學調查結果。

海底火山活動所釋放出來的熱液流體會對海洋環境造成影響，而透過研究熱液的組成可以提供我們了解地球內部的相關資料。但另一方面，淺海海底火山活動將會對民眾帶來災害：噴出的熱液伴隨著大量的氣泡，造成水層不穩定，一旦船隻航行經過該區域時，將可能造成翻覆等災難性的船難。因此，透過流體地球化學的研究探討物質循環與海底熱液活動的關係性是很重要的課題，並且可協助評估火山活動的可能性。

在採集樣本帶回東京大學大氣海洋研究所分析化學實驗室以及名古屋大學生物地球化學實驗室分別分析熱液噴氣之氦氣和甲烷的同位素與濃度，根據氦同位素比值（³He/⁴He）、甲烷碳同位素比值（¹³C/¹²C）和甲烷與氦氣的濃度比值（CH₄/³He）探討其氣體來源。在吐噶喇列島地區的甲烷主要是受到熱分解而產生，而在鹿兒島灣Wakamiko Crater主要是以非生物來源的甲烷受到微生物氧化消耗較輕的甲烷。氦同位素指出鹿兒島灣Wakamiko Crater是以隱沒型的地函氦氣為主，而在吐噶喇列島顯示出受到較多的地殼訊號。整合地球化學資料，推測吐噶喇列島海底火山為島弧系統由火山前緣轉換成弧後張列盆地的關鍵證據。

該論文『Helium and methane sources and fluxes of shallow submarine hydrothermal plumes near the Tokara Islands, Southern Japan』刊登於2016年9月27日Scientific Reports雜誌。

文章全文請參見http://www.nature.com/articles/srep34126

圖一：2014年停泊於港灣的學術研究船－新青丸號

圖二：本研究區域地圖。鹿兒島灣內Wakamiko Crater和吐噶喇列島（Tokara Islands），圖中藍色圓點為採樣點。

圖三： 水柱反射影像圖（water column image）清楚顯示熱液噴氣（gas plume），拍攝地點：左圖為Daiichi-Amami Knoll，右圖是Kotakara Shima。

圖四：熱水樣本中甲烷碳同位素與甲烷與氦氣的濃度比值（CH4/3He）關係圖。在吐噶喇列島地區的甲烷主要是受到熱分解而產生，而在鹿兒島灣Wakamiko Crater主要是以非生物來源的甲烷受到微生物氧化消耗較輕的甲烷，故具有較重的碳同位素。