^1,2林立虹、^1,2王珮玲、¹連婉吟

• 國立臺灣⼤學 地質科學系暨研究所
• 國立臺灣⼤學 新碳勘科技研究中⼼

化學風化作⽤調控地質時間尺度的碳循環與氣候變遷，於活動造⼭帶，快速抬升與侵蝕作⽤供應⼤量可反應物質，使得化學風化作⽤的速度⼤於⼤河系統達⼆到三個數量級以上，成為碳循環的熱區。台灣位處於歐亞⼤陸與菲律賓海板塊交界，即為典型的代表，過去我們透過採集與分析卑南溪河⽔化學與微⽣物族群，發現微⽣物作⽤媒介的黃鐵礦氧化，是扮演碳酸鹽風化的關鍵⾓⾊，發⽣於可侵蝕材料（例如河岸沉積物）、產⽣⼤量⼆氧化碳，加劇溫室效應；我們更利⽤拉曼光譜分析⽯墨質有機物，發現岩⽯源有機物質的風化可區分為兩階段，分別於崩塌堆積與海底峽⾕傳輸進⾏，也排放類似黃鐵礦風化產⽣的⼆氧化碳通量，可能對全球尺度碳循環產⽣重要的影響。

過去探討岩⽯源有機質降解作⽤，⼤都基於間接的代⽤指標測量（例如河⽔的溶解錸(rhenium) 或沈積物碳⼗四含量），推測流域尺度的氧化通量，再利⽤基於⽔⼒或地質參數建構的預測模型，放⼤尺度以獲取全球通量。然⽽代⽤指標的分析並不容易去解析發⽣岩⽯源有機質氧化作⽤的精確位置，也無法反應氧化作⽤的路徑、產⽣⼆氧化碳的速率，更不容易探討動⼒機制扮演的⾓⾊為何。體認這樣的知識缺⼝，過去已有部分研究嘗試利⽤封閉罩式的循環模式，直接測量地表沈積岩的⼆氧化碳釋放速率，配合同位素的分析與質量平衡，解析岩⽯源有機質氧化速率，並探討其與溫度變化的關係。然⽽活動造⼭帶的岩⽯組成中，沈積岩並非唯⼀的有機質來源，

變質岩亦是另⼀重要組成，內含之有機質受⾼溫與壓⼒作⽤，產⽣更⾼成熟度或聚合性 (polymerization) 的形式，其⽣物之可利⽤性是否與沈積岩相當，仍多屬未知；變質岩基質的孔隙度⼗分低，⼆氧化碳產⽣與傳輸主要受控於破裂帶的分佈或岩⽯的組構，與沈積岩孔隙介質的概念迥然不同；深部地下環境可能是低氧或無氧的，有機質的氧化速度與⾼氧地表環境的速度差異為何？深部地下環境變質岩⽯的體積遠⼤於地表環境各類岩⽯體積總合，其有機質氧化對碳循環的影響為何，亦屬未知。

為了回應部分這些問題，我們設計了井下⼆氧化碳的感測與採樣系統，運⽤位於台灣東部霧鹿區域的乾井作為測試場域（圖⼀），直接量測地下⼆氧化碳的排放速率，進⽽解析岩⽯源有機質的氧化作⽤。為了因應井孔⼤⼩的限制，我們⾃⾏組裝感測系統（包含紅外線感測、供電、控制、儲存等元件；圖⼆），並串連⼗⾄⼗五個感測系統，佈放⾄井下不同的⽬標深度，測量由岩層逸散出之⼆氧化碳累積濃度。我們另外設計閥⾨控制與井下管路、地表裝置連接，以進⾏井下空氣置換、主動循環與測量、被動模式測量、⼤體積樣本採集等⼯作（圖三）。

鑽探獲取的岩⼼顯⽰，此井孔穿越約七公尺厚的表層崩積層、三⼗餘公尺厚多裂隙⿊⾊片岩、⼆⼗餘公尺厚的破碎⿊⾊片岩（圖四）、約⼆⼗公尺厚的多裂隙⿊⾊片岩，其中開篩段設置於井孔下半段的破碎與多裂隙帶（46-70公尺），因此於系統的實地測試中，我們佈放較⾼密度的感測系統於開篩段，以直接量測岩層逸散氣體累積。

我們的結果顯⽰，若運⽤被動模式（即無氣體循環），井下不同深度累積⼆⼗⼩時的氣體濃度變化，呈現迥然不同的樣貌，於破碎帶的氣體累積是漸進持續的，呈現弧形的累積曲線；⽽於多裂隙帶，則多呈現階梯式的遞增；多裂隙帶的累積速率顯著的⾼於破碎帶的累積速率（圖五）。若運⽤主動循環的模式，即透過地表氣體光譜儀的內建幫浦驅動，進⾏封閉罩式的循環達⼆⾄三⼩時，無論那種岩層組構特徵，氣體累積皆呈現漸進持續的累積曲線，如同被動模式般，多裂隙帶的累積速率顯著的⾼於破碎帶的累積速率，且兩者皆⾼於對應⾄被動模式的累積速率。這樣的結果顯⽰，被動模式的測量，較能反應現地的氣體釋放速率，並有助於解析變質岩層⾼度不均質或不均向的特徵。主動循環模式的測量，雖然歷時較短，卻可能造成通量的⾼估，且無法獲取岩層內部的特徵。

我們也透過現地測試，搜集數個⼀公升體積的氣體樣本，進⾏同位素分析，透過端成分設定與質量平衡模型，岩⽯源有機物氧化作⽤的貢獻比例，可達整體氣體的 50%以上；若將被動模式的結果進⼀步計算，可得通量達1–300 mgC/m2/d，考慮上述比例，則與地表沈積岩有機質氧化作⽤貢獻速率相仿。雖然我們測得的井內通量，仍須額外考慮地下氣體傳輸，才可獲取較接近真實的氧化速率，但這些成果仍顯⽰變質岩的有機質是得以被⽣物降解，產⽣⼤量⼆氧化碳。特別於活動造⼭帶，快速抬升與侵蝕作⽤，得以持續提供⼤量變質岩⾄地表或較淺的地下環境，透過微⽣物作⽤將『難⽤』的有機質氧化，並貢獻溫室效應。

這樣感測系統的應⽤，提供了解析多項岩層氣體的產⽣與傳輸參數，為未來量化模型奠定良好的基礎。這類型的應⽤亦可以進⼀步擴充⾄其他地下或地表環境的⼆氧化碳監測與樣本搜集，或搭配其他感測器，提供⾼時頻的時序測量資料，以建構造⼭帶的碳循環觀測網。