龜山島的火山故事

國立台灣大學地質科學學系  宋聖榮

2005年5月高中地球科學教師野外考察

[回教學研究選單]

綱要:

龜山島的誕生
龜山島的火山作用
地形景觀
火山地質景觀
龜山島未來是否還會噴發

(本頁照片為輔導團野外考察活動照片,點選各縮圖可連結較大的圖檔)

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龜山島位於宜蘭東方約12公里的海面上,全島面積約2.7平方公里,東西長約3公里,南北寬約2公里,島的四周海岸線長約有10公里,行政區域劃分上龜宜蘭縣政府所管轄。

龜山島一直是宜蘭人心靈的歸宿和精神指標,同時也是火山學者研究火山的理想地點。由於多年來的管制,龜山島始終都蒙上一層神秘的面紗,令人充滿遐思。龜山島有豐富且保存完好的地形和地質景觀,及豐富的動、植物資源,現開放供一般人登島遊覽,一窺究竟。在此呼籲,在探訪龜山島神秘面紗的同時,也能愛護島上的一石一木等自然景觀,不要隨意破壞。

由南向北眺望龜山島

龜山島的誕生

龜山島在地體構造環境上是位於沖繩海槽和琉球火山島弧的交會點上。沖繩海槽位於亞洲大陸東緣,琉球島弧後方,為一狹長型的弧後盆地,為球島弧弧後裂作用在大陸岩石圈上所形成的弧後盆地。其分布範圍從臺灣東北部的宜蘭平原(東經121.5º)到日本州西南外海(東經130º)之間,在東經126度的宮古凹地附近,地形上有明顯的轉折,而將整個琉球海槽南部與其中、北部區分開來。

沖繩海槽是西太平洋地區唯一在大陸邊緣上正開始初期張裂之弧後盆地,其張裂活動同時也引發了旺盛的海底火山。西元一九九六年,我國與法國合作共同進行「台灣活動碰撞」的研究,發現從龜山島東方約五十到一百公里的海域內,最少分布有六、七十座的海底火山,坐落於一千三百公尺至二千公尺的深海海床上,而龜山島是唯一出露在海平面以上的一座火山。這些海底山,大的底部寬約兩、三公里,高約三、四百公尺,火山頂上普遍都蘊藏著豐富的熱泉和噴氣,有些噴泉可向上達三、四百公尺高,形成所謂的「黑煙囪」,和全世界深海中洋脊擴張中心附近的景象相似,顯示在此地區的地殼底下還有活躍的岩漿活動。不過根據最近的岩石學和地球化學研究顯示,龜山島火山是屬於琉球火山島弧的西延部份。琉球火山島弧是由菲律賓海板塊向北隱沒入歐亞大陸板塊後,由於脫水作用污染上部地函契,降低地函橄欖岩的熔點,引發上部地函部分熔融,產生岩漿所形成的火山島弧,其火山活動有從東北往西南年輕化的現象。

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龜山島的火山作用

         龜山島火山的產物,主要是火山碎屑物和熔岩流的互層,尤其在龜甲部分可見到兩層熔岩流中,夾著一層火山碎屑岩,顯示龜山島火山為一典型的複式山。在首地區,主要是由火山碎屑物所堆積而成的,層理發達且岩層向西傾斜,和龜甲地區的火山碎屑岩層的傾斜方向不同,顯示噴發形成龜首地區的火山碎屑岩的火山,和龜甲地區的火山是不同的。

        龜山島的火山噴發產物,從野外露頭來研判,火山碎屑岩的比例相當的多,遠多於熔岩流的組成,其火山噴發指數(火山碎屑岩的量/火山碎屑岩+熔流的量)相當高,顯示龜山島的火山噴發是以爆發性的噴發為主,展現典型的安山岩岩漿活動的特性。

火山碎屑物和熔岩流的互層

 龜山島是一個海島,因此,一般人會理所然地認為,它是岩漿在海底噴發,和現在位在其東方海域的海底火山一樣,然後再慢慢地堆積形成的。其實不然,雖然龜山島火山噴發時,無人見證它是在海底或是在陸上噴發的,但可從其噴發的產物,一窺究竟,探討其在何種環境下所形成的。

海底火山噴發產物最大的特徵,是當岩漿從底下上升到地表噴發時,會碰到厚層的海水,快速冷卻形成玻璃質的岩石。火山若在深海的環境,岩漿噴速度夠快且量大時,將形成厚層塊狀的熔岩流,如大部分海底中洋脊的噴發。若岩漿噴出的速度較慢,則形成枕狀熔岩。在淺海的環境中噴發,岩漿將會與海水作用,發生水成火山噴發,產生較劇烈的噴發作用,形成枕狀角礫岩和玻璃凝灰岩。

在陸上噴發的中性安山岩岩漿,若岩漿中含有較多的氣體,將發生劇烈的噴發,如1991年菲律賓皮納吐坡火山的噴發,火山噴發柱的高度可達到20公里的高空,產生大量的火山灰和火山碎屑流的堆積;若岩漿中所含的氣體較少時,將以較溫和的形式噴發。因中性岩漿的黏滯性較大,除了部分產生熔岩流流出火山口外,大部分會以熔岩丘的方式噴發出來,如1991年日本的雲仙火山,火山噴發當時,安山岩質的岩漿如擠膏的方式,在火山口附近,形成垂直高約200公尺的熔岩丘,因熔丘的角度過大而發生崩塌,形成火山碎屑岩的堆積。陸上噴發的岩漿在地表上流動時,容易與空氣中的氧氣起反應,發生熱氧化作用,在岩石表面形成紅棕色的特徵。

龜山島火山岩的產狀,主要是熔岩流與火山碎屑岩的互層為主,含有熔岩丘。熔岩流有阿ㄚ熔岩、塊狀熔岩和塊熔岩,並無枕狀熔岩的出露,且阿ㄚ熔岩的表面為紅棕色,這些證據顯示龜山島的熔岩流可能是陸上噴發的產物。火山碎屑岩的特徵雖無直接證據指示是在何種環境下噴發的,但碎屑岩塊並非以玻璃質岩性為主,而且也沒有玻璃凝灰岩的出露,顯示其是在海底噴發的。所以,龜山島的火山作用可能主要是在陸上噴發的。

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地形景觀

龜山島的外形像一隻浮出水面喘息的海龜,因而得名。它主要是由安山岩質的熔岩流和火山碎屑岩互層所構成的火山島,地形上可分為龜頭、龜甲和龜尾等三個部分,最高峰為於龜甲南緣的401公尺高地。全島除了顯著的地形地勢景觀外,還包括有龜卵、海蝕洞、岩礁、礫灘、湖泊等地形景觀。 

一、龜頭

龜頭位於島的東方,呈橢圓錐形,最高處為海拔239公尺。地形上東高西低,沿海岸岩壁陡峭,主要由火山碎屑岩所組成。因底部有硫氣孔和噴氣孔,岩壁容易受到強烈熱水換質作用的影響,呈土褐色至黃色,且強度減弱,又因地形陡峭,故常容易發生崩塌。歷史文獻記載,在民國四十年時龜頭部分的噴還相當強烈,現已不復見,可能是曾發生大規模的山崩,使得原有強烈的硫氣孔和噴氣孔陷入海中的緣故。

 

龜首

二、龜甲

龜甲為構成龜山島的主體,呈方形,最高峰401公尺高地位於龜甲南緣的中央,南邊為火山碎屑岩所構成的峭壁陡崖,坡度在45度以上;北邊及西北邊為熔岩流往下流動開展呈扇形的山,地形較平緩,坡度在30度左右,區域岩層向北傾斜;而東邊和西邊則是熔岩流所構成的嶺脊地形。

 

龜甲

三、龜尾

龜尾位於龜山島西邊,是由一長條形綿延約一公里的礫石灘「砂嘴」所構成。連接龜體的部分,是一標高約141公尺的獨立熔岩丘,中間夾有一淺水的龜尾潭。礫石灘砂嘴海拔標高最高約4公尺,主要是由侵蝕自龜山島上的安山岩岩礫所組成,其顆粒大小不一,但隨著遠離龜山島而慢慢變小。此一長條形砂嘴的延伸方向,會因冬、夏季風向和海流的變化而南北移動,形成傳說中的「靈龜擺尾」現象。礫石灘和獨立熔岩丘之間所圍成的龜尾潭,原為一峽灣,形成天然的港口,可惜在二十年前的一次颱風造成山崩,將此港口堵塞封死,而形成一湖泊,使島上的原有居民出入不方便,不得不遷移到台灣本島。

龜尾

四、龜卵

龜卵位於龜山島西南方約五公里處的暗礁,平常看不見,只有在退潮時才隱約可見兩個呈長方體的礁石。大的長六公尺,寬約五公尺,曾高於水面四公尺左右,但在民國三十二年六月的一個風平浪靜晚上,居民聽到一陣巨響,翌晨探視,大龜卵已消失在海平面,但基底仍留在原處一公尺深的地方,居民猜測可能是被魚雷打中,依筆者之見應是岩體崩塌的結果。

五、海蝕洞

海蝕洞為海浪侵蝕岸邊岩壁所形成的洞穴,以火山碎屑岩的岩層最容易形成,台灣大部分的海蝕洞,如海岸山脈和北海岸的石門等地,即是由火山碎屑岩所組成。在龜山島,海蝕洞主要分布在南邊及龜頭一帶,其岩層以火山碎屑岩為主,原本抗風化侵蝕能力就比不上火山熔岩,加上地勢陡峭,經長期的海浪侵蝕後,在海平面附近的岩壁就形成了一系列之海蝕洞,其中最有名的海蝕洞,當地漁民稱為「眼鏡洞」,因其從海上遠眺岸邊,狀似一付眼鏡而得名。 

 

海蝕洞

六、岩礁

一般在海島旁的岩礁,主要是由海浪侵蝕的海蝕平台,或是從島上崩落的大岩塊所形成的。龜山島雖然海浪的風化侵蝕很強烈,但海蝕平台及較大面積的岩礁卻很少見,僅局部在龜甲南邊,可見到由山崩產生崩落堆積的崖錐和大岩塊之岩礁,且大多無路可達,只能利用風浪較小時乘小船抵達。由於面積狹小又面臨深海,所以為釣客利用來磯釣。不過背面山勢陡峭,又常有落石,海上又常發生瘋狗浪,故並不是一個安全的地方。

七、礫灘

龜山島的礫灘主要可分為三個部分,即龜尾、東北岸的龜潭一帶和西北角的海灘。龜尾的礫灘是受海水匯流而形成的砂嘴地形,綿延約一公里左右,最尾端常因季節風向和海流轉變而改變延伸方向。東北岸龜潭一帶為第二大的礫灘,延長約有五百公尺左右。龜山島的海灘皆為礫灘,主要是由島上安山岩受風化侵崩落後,被海浪搬運磨圓而堆積,礫石直徑大小均在十公分至數十公分之間,最大可達一公尺以上。其缺少小顆粒的沉積物,主要是因為龜山島的平均海浪的能量較大,較小顆粒之沉積物都被海流帶走,留下較大顆粒的緣故。 

礫灘 

八、湖泊

龜山島有兩個半淡鹹水湖,較大者位於龜尾和龜甲交接的地方,呈長方形,東西長約四百公尺,南北寬約兩百餘公尺,是由礫灘堆積時所圍成的低地,原本為龜山漁港所在地,後因山崩堆積物阻隔漁港出口而成。較小者為位於島東北方的龜潭,呈三角形,最寬距離不超過一百公尺,是由礫灘發育封閉而成。此二湖目前與海水已無表水連通,再加上下雨地表淡水之長期混入,鹽度已較初始時低,不過其水位與海水面一致,推測地下可能仍與海水有一定的連通,故應不至於完全淡化成淡水湖。

龜尾潭 

 

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火山地質景觀

火山噴發作用所形成的地形、地質景觀和產物,以及可能的作用,可用火山噴發作用和產物的示意圖來說明。地形和地質景觀包括有火山口、硫氣口和噴氣口和溫泉等;噴發產物包括有火山熔岩流、火山碎屑流堆積、火山湧浪堆積、火山灰落堆積和火山泥流堆積等。可能的作用包括有噴發柱、熔岩流湧出、噴發柱崩蹋、火山穹窿產生及崩塌、山崩等作用。

一、    火山口

龜山島火山是一座由熔岩流和火山碎屑岩互層所形成的層狀火山(複式火山),其大部分都被海水所淹沒。現浮出水面部分,在地形上南側陡、北側平緩,北坡主要由熔岩流和火山碎屑岩互層所構成,且整體火山岩層的層面均向北傾斜,指示火山口的位置應位於龜山島的南面,而龜山島可能是火山口北側的殘餘。另外,在龜尾部分的小山頭,從安山岩產狀顯示,其應是由岩漿在火山口附近湧出所形成的熔岩丘。而龜頭的火山灰層面則是向西傾斜,顯示可能有另一個火山噴發中心是在島的東方,且噴發的年代可能年輕於主要火山體噴發的時間。龜卵為一獨立的海底突出地形,且是由火山岩所組成,故判斷其可能為龜山島主體火山的一個小寄生火山。

 

連結龜甲和龜尾的熔岩丘

二、    熔岩流

出露於龜山島的熔岩流依產狀和成因,可分為塊狀熔岩(massive lava)、阿ㄚ熔岩(Aa lava)和塊熔岩(blocky lava)等。塊狀熔岩由厚層熔岩流或熔岩丘(lava dome)噴出地表冷卻而成。出露於龜甲西北部,與火山碎屑岩互層的塊狀熔岩為厚層熔岩流冷卻的產物,厚度由數公尺至十幾公尺,節理較不發達。而出露於龜山漁港附近,則是熔岩丘冷卻所形成的,其表面具有板狀節理,且在熔岩丘底部有厚約一公尺、垂直柱狀節理的熔岩,為熔岩丘底部冷卻的結果。

當岩漿在流動冷卻過程中,會因減壓所釋放的氣體往上逃逸,而被捕捉集中於冷卻較快的岩流表面,表面下未凝固的岩漿則仍繼續流動,於是就會在凝固的岩漿上產生剪力作用,而把火山熔岩剪碎,形成像煤渣一塊一塊凝結在一起的阿ㄚ熔岩,常見於厚層塊狀熔岩流的表面。因阿ㄚ熔岩的表面富含氣孔,增加反應表面積,若此時熔岩還有餘溫,而且有豐富的氧氣供應,則將會快速發生熱氧化作用(thermal oxidation),將岩石中所含的二價鐵,氧化成三價鐵,使岩石由深灰色變成紅棕色。龜山島西北面至北面都可見到這種紅棕色的阿ㄚ熔岩。

熔岩流的前緣因冷卻較快,會先凝結成固態而不易再移動,而後面未凝固的熔岩流又不斷地往前推擠,或前緣凝固於較陡的斜坡上,致使岩體發生破裂,一塊一塊的堆積在斜坡底部,形成了塊熔岩。龜山島於401高地的斜坡上和龜甲西北較陡的斜坡上,都可發現塊熔岩的蹤跡。

板狀和柱狀節理 

龜山島西北面

三、    火山碎屑岩

火山噴發產物有兩大類,一種是熔岩流,另外一種是火山碎屑岩。岩漿在上升至地表的噴發過程中,原先所含的氣體,會因壓力減低而從岩漿中離溶出來,累積相當壓力產生劇烈的噴發,炸碎岩石形成火山碎屑岩;或是岩漿上升至地表時,遇到地下水或地表水,與之發生反應,產生劇烈的噴發,也可形成火山碎屑岩。火山碎屑岩依堆積的方式,可分為灰落堆積物、湧浪堆積物和火山碎屑流堆積物等三種。而依火山岩碎屑顆粒大小,則可分為火山角礫岩(>64 mm)、火山礫岩(64~2 mm)和凝灰岩(<2 mm)等。

火山碎屑岩是龜山島分布最廣的岩石,出露於龜頭,稍具層理的火山碎屑岩可能是灰落堆積物,而出露於龜頭、龜甲南邊、以及在西北面與熔岩流互層、較不具層理的火山碎屑岩,則可能是屬於火山碎屑岩流堆積物。

 

火山碎屑岩

四、    捕獲岩

捕獲岩是岩漿在上升噴發至地表的過程中,所捕獲岩漿庫周圍或管道兩邊的岩石。所以,鹼性玄武岩直接來自於上部地函,可捕獲相當多上部地函的岩石-橄欖石;而一般的中、酸性岩漿,其岩漿庫是存在於地殼內,所以其所捕獲的捕獲岩,主要是地殼的岩石。龜山島火山岩為中性的安山岩,故其所捕獲的捕獲岩主要是上部地殼的變質岩和沉積岩,且含有相當多的石英,提供我們利用熱螢光定年法來測定火山噴發的年代。龜山島西邊的火山碎屑岩中的安山岩塊,含有相當多的石英砂岩岩塊,利用熱螢光定年法測得的年代約為7000年,顯示本層火山岩是於約7000年前噴發而形成的。

 

捕獲岩

五、    再積性火山碎屑岩

再積性火山碎屑岩是火山噴發後的產物,再經風化侵蝕堆積而形成的。出露於龜甲西北部,具有塊狀層理至粒級層理的碎屑岩,是由紅棕色安山岩塊、白色換質安山岩塊、深色較新鮮的安山岩塊、以及沉積岩塊等異質岩性所組成,顆粒大小在3-5公分之間,是典型的再積性火山碎屑岩。

六、    熱水換質岩石

在火山噴發後,地底下的岩漿尚存有餘熱,流經其上的地下水會被加熱成熱水,易與岩石發生反應,使得岩石改變其原有的性質;或是岩漿所含的氣體,如硫化氫和二氧化硫等,從岩漿中溢出,當其上升至距地表兩、三百公尺的深度時,易與氧化地下水發生作用,形成硫酸,而能腐蝕鄰近的安山岩,使之換質脫色成白土,這就是所謂的熱水換質作用。此類白土以蛋白石化作用為主,安山岩中的各種金屬離子,除矽外,皆被酸性熱液溶蝕而淋失,殘餘之膠狀二氧化矽轉變成輕而鬆蛋白石質的岩石,然後再部分結晶成低溫方矽石。若硫化氫和二氧化硫等氣體直接上升至地表,則形成硫氣孔,並在噴氣周圍產生硫磺結晶;若有地下水下滲入地底深處被加熱,然後再循環回地表,則產生溫泉。

龜山島的熱水換質岩石-白土,在龜頸和龜甲西北部皆有出露。在龜頸的白土礦,還殘餘有早期住民開採過的痕跡。

七、噴氣孔和硫氣孔

在火山噴發之後,地底下的岩漿尚存餘熱,因此除了會有火山氣體從岩漿中溢出外,地底下的水也會被加熱成蒸氣,當氣體累積到一定程度後,會於適當的地點爆破地面而出,形成爆裂口。在爆裂口內常有噴氣孔、硫氣孔和溫泉的發生,這就是所謂的後火山作用。噴氣孔所噴出的氣體以水蒸氣佔絕大部分,此外也包含了少量的硫化氫、二氧化硫、二氧化碳、氮氣和稀有氣體等。

龜山島目前還活動的噴氣孔和硫氣孔,主要是沿著龜頭南岸和東岸一帶分布,活動有時強烈有時安靜。噴氣孔噴出的氣體主要以水蒸氣為主,含硫氣較少。而硫氣孔噴出的氣體則含大量的硫化氫和二氧化硫,遇冷則冷凝形成黃色的硫磺結晶,沉積於硫氣孔的周圍。所以區別兩者的方法,則視是否有黃色硫磺結晶沉積在洞口周圍為依據。

 

龜首硫磺沈積

八、海底湧泉

在龜山島東邊海域,常可見到白色的氣泡,從海底湧出,在海面上形成一片白紗,隨著海流飄移,這是海底湧泉所造成的現象。海底湧泉為後火山噴氣作用的一種,當噴氣孔和硫氣孔存在於海底,所噴出的氣體通過厚層的海水時,會形成大量的氣泡,因其密度較低,故會上湧至海平面,在風平浪靜的情況下,有些湧泉可高出海平面一、二十公分。

 

海底湧泉

九、火山岩和礦物種類

龜山島的火山岩種類主要為兩輝安山岩,並含少量的角閃石兩輝安山岩、橄欖石兩輝安山岩和菫青石兩輝安山岩等。而岩漿所捕獲的捕獲岩則包括有片岩、石英岩、角頁岩和砂岩等。

龜山島火山岩中的礦物種類有斜長石、普通輝石、紫蘇輝石、橄欖石、角閃石、菫青石和磁鐵礦等。其他的如硫磺、石膏、方矽石和黏土礦物等則存在於熱水換質的安山岩中。

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龜山島未來是否還會噴發

龜山島全島是由火山岩所組成,除了岩石受到由岩漿餘熱所形成的熱水,發生熱水換質的現象外,在龜首部分還可發現旺盛的硫氣孔和噴氣孔,以及大量由海底冒出的湧泉,不禁令人產生疑問,龜山島的火山是否為一座活火山?未來是否還可能再噴發?回答此一問題,可由兩方面著手,一是從目前世界上對活火山的定義,及其過去的噴發史來探討龜山島是否為一活火山;另一方面則是從龜山島現在的地體構造環境,來探討龜山島地底下所處的地質條件是否還會有岩漿的產生,因為一個地方是否會有火山活動的前題是其處的地底下要有岩漿的產生。

龜山島上的火山岩產狀,主要是熔岩流與火山碎屑岩的互層為主。在底部的安山岩質之火山碎屑岩塊中,含有從地殼淺處所捕獲的石英砂岩、片岩和石英岩等,可提供材料作為熱螢光定年的樣本。熱螢光定年法的簡單原理為:埋於岩層內的礦物,如石英,受到周遭放射性元素所釋放出的α、β、γ射線的輻射線影響,使電子產生游離被電子陷阱所捕捉,能階發生變化,之後再攜由實驗室加熱處理,使其回到低能量的狀態,同時會放出可見光,即為熱螢光現象。其所放出的熱螢光強度與在層內受放射性元素輻射線照射的時間長短有關,因此可作為測定岩漿冷卻形成火山岩的時間。由上述方法測得龜山島安山岩捕獲之石英砂岩中石英的熱螢光年代約為7,000年。也就是說,含有石英砂岩捕獲岩的火山碎屑岩的噴發年代為7,000年,其上還覆蓋有兩層熔岩流和兩層火山碎屑岩,表示七千年以來,龜山島火山最少還發生過四次的火山活動。依照國際火山學會目前對活火山的時間經驗定義,龜山島在一萬年以來還有火山活動,應屬於活火山。

此外,龜山島上和海底周圍,有相當多的硫氣口、噴氣口和海底湧泉,不斷地冒出硫氣和氣泡,顯現當地有相當豐富的火山氣體和很高的熱流。另外,火山氣體中的氦同位素(3He/4He)研究,五個龜山島海底溫泉氣泡樣品的分析結果為7.3~8.2倍的空氣比值,此比值與全球平均中洋脊玄武岩的比值是相同的。一般認為要具有如此高的氦同位素比值有兩種可能性:第一種情況便如中洋脊玄武岩般直接由上部地函部分熔融生成岩漿,且在岩漿上升過程中幾乎沒有上部地殼物質的混染;第二種情形便是在本地區底下有來自下部地函的「熱點」物質,經過部分熔融於岩漿上升過程中再混染了地殼物質,造成了跟中洋脊玄武岩相同的氦同位素成分。不管是哪一種成因,本研究的海底溫泉氣泡必需要有來自地函的物質,而岩漿活動是將地函物質成分帶至地表的最佳方法。本地區的海底溫泉活動正顯示著本地區岩漿活動方興未艾,龜山島地底下有一活躍的岩漿庫存在著。依照國際火山學會較完整的現象定義,地底下有岩漿庫存在的話,則必須將此座火山界定為活火山。綜合依照時間經驗定義和地底下岩漿庫存在的現況,都顯示龜山島確確實實是一座活火山,未來有再噴發的可能。

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龜山島附近的海豚

揮別龜山島

 

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