在那遙遠的地方: 黃石導覽系列3：在地熱景觀的背後

說起來Yellowstone在1872年能夠成為有識之士一致倡議要把它永久保留為公共資產傳予後世，並使它得以成為全世界第一個國家公園的最首要原因，正是當時的人聞所未聞的特殊地質景觀，例如隔一段時間就怒吼著向天空噴出沸騰水柱的噴泉，五彩斑斕且冒著白煙的熱水池，一整片黃色/橘色石頭的大峽谷… 這些景觀即使是在人類已經以各式新技術上山下海對全世界廣泛探索後的二十一世紀，都還算是極其罕見、獨一無二的。

為什麼黃石這地方會有這麼罕見的地熱景觀？這最主要的還是要歸因於黃石的地下潛藏了一個超級地熱引擎，讓我們從地球的構成及火山談起。

在地質學家的眼中，地球本身就像一個洋蔥一樣，是一層一層的。由地表到地心估計有4000 miles。

l 最裡面的部份叫內核 (inner-core)，由鐵跟鎳所構成的，但由於內核的壓力極大，因此即使溫度很高，但它還是維持固體的形態。內核厚度約750英浬。

l 第二層叫外核 (outer core)，由鐵跟鎳所構成，高熱，為熔化的形態，厚度約為1400英浬。

l 再往外一層叫地幔 (The mantle)，是稠密、高熱，半熔化狀態的岩石，厚度約為1800英浬。

l 最外一層是地殼(The crust)，它相對較薄，厚度大約只有3~48英浬。各海洋及陸地板塊就分佈在地殼之上。

火山的成因

科學家普遍將火山的成因分為兩大類。

如果你找一份地圖，沿著太平洋的四週，觀察由及勘察加半島、日本、臺灣、菲律賓群島、印尼、巴布亞紐幾內亞、索羅門群島，到紐西蘭，再沿著南美洲西岸、墨西哥、美國西岸的加州、奧瑞岡州、華盛頓州等地、再到加拿大及阿拉斯加、阿留申群島，這些地方為數不少的火山大致可以連結成一個環狀，因此它被科學家稱之為火環 (Ring of Fire)。如果你常注意全球的新聞，應該不難發現這些地方恰巧都是經常發生大型地震的地方。其實這並不是一個巧合，在板塊與板塊的交接處正是第一大類火山的成因，而且為數最多，環太平洋的四周正好是海洋板塊與大陸板塊的交接處，光是分佈在火環上的火山就佔了地球所有火山的七成。

有些地質學家主張板塊會因地球內部的熱對流而造成持續緩慢的移動，當兩個板塊相互推擠時會因磨擦而引發地震，同時密度較高的板塊會被各下擠壓至另一塊的下方，這個現象稱之為｢隱沒｣。隱沒的板塊會被地底岩漿(magma)的高溫所熔融，形成半融化、半固體的狀態。

圖1 板塊的隱沒與岩漿，取材自維基共享資源

岩漿藉由浮力緩緩上升，最後聚集而成為岩漿庫。這些貼近地殼的岩漿所形成的高溫會使得其上方的地殼變得較軟而易於延展，岩漿及氣體的高壓促使延展的方向是向上，因此會造成地表向上隆起，進而形成你印象中火山的形狀。

另一類的火山不在板塊的交接處，而是由熱點(hotspot)所形成。熱點是由地幔上升的熱柱，一直延伸至地殼附近，當熱柱的能量供應不斷，其溫度會將板塊熔融，其壓力跟前一類一樣會在地表形成向上的壓力而進一步發展為火山。

別忘了我們剛才說過，板塊是會緩慢移動的，而熱點則相對不動，因此一個熱點可能會在板塊千百萬年的移動軌跡的相反方向形成一系列的火山噴發點，其中已經離開熱點的火山將不再得到熱柱的能量供應而成為死火山。最著名的例子是位於太平洋中央的夏威夷群島，其一系列的島嶼正是由熱點及移動的板塊在歷次的噴發突出海面所形成。而黃石的火山也正是由熱點所造成。

圖2 熱點與板塊的漂移，取材自維基共享資源

火山口的形成

火山口的形成與演化可概略分為四個階段。

l 第一個階段，地表會開始向上隆起，並且扮隨著如地震，溫泉等的各種火山的癥候。

l 第二個階段，在接下來一段漫長的歲月中，火山突出於地平線的形狀會隨著岩漿日益接近地表而越來越明顯，火山內部溫度及壓力持續上昇，地震的頻率明顯增加。

l 第三個階段，一旦達到內部壓力的臨界點，岩漿上方的岩石被爆出了一個缺口，噴出氣體、火山灰和岩漿。

l 第四個階段，當噴發漸漸平息，內部的壓力及熔岩都已經釋出，因此隆起的部份頓時失去了支撐，因此會向下方的火山口內部產生塌陷。

黃石的火山

隨著北美板塊的漂移，造成Yellowstone的那個熱點由距今約一千六百萬年起，就在Orangon、Nevada與Idaho三州的交界附近留下痕跡，之後一路向東北方延伸到今天黃石公園的黃石湖附近，在這直線約500英浬 (800公里)的距離上共創造出一百餘個火山噴發口。由附圖中就可以清楚地看到這樣的軌跡。

圖3 黃石的hotspot在板塊位移的過程軌跡與黃石的hotspot

根據科學家的研究，大約兩百一十萬年前起，版塊的漂移就把黃石的所在地帶到接近這個離地表只有幾公里的地下岩漿庫的地方，並且產生了這裡第一次的噴發。

這一次的火山爆發噴出物質的量估計為 600立方英浬(2500立方公里)。想像一下，這相當於在一個50公里乘50公里的正方形土地上，堆了一個1公里高的土方，你應該要倒吸一口氣，說一聲｢哇！｣的)，因為就一個火山來說，這是一個極為驚人的噴發量。如果你還是覺得沒什麼概念，讓我拿幾個近年火山噴發的實例來比較一下。美國本土最近的一次火山爆發是1980年在西北部華盛頓州的St. Helens火山，其噴發量是0.1立方英浬(0.4立方公里)；2010年造成全歐洲乃至全球航空交通大亂的冰島火山爆發，但它噴出物的量是0.03立方英浬(0.14立方公里)，因此黃石第一次爆發的噴發量分別是兩者的6,000倍及17,864倍！

黃石的第二次爆發約發生在一百三十萬年前，噴發的量相對於第一次比較小，約67立方英浬(280立方公里)。

第三次的爆發約在六十四萬年前，這次噴發的量約240立方英浬(1000立方公里)，只有第一次的四成，但也夠驚人的了。

第四次的爆發約在十七萬四千年前，這次噴發的量就小得多。

在這之間及之後還發生過熔岩流，直到約七萬年前。

我把歷次的噴發時間整理如下表供大家參考：

火山	年代	噴發量 (立方英浬)	噴發量 (立方公里)	倍數比較 (以St. Helens為基準)	倍數比較 (以Eyjafjallajökull為基準)
Yellowstone (第一次)	約兩百一十萬年前	600.00	2,500.91	6,000.00	17,863.64
Yellowstone (第二次)	約一百三十萬年前	67.00	279.27	670.00	1,994.77
Yellowstone (第三次)	約六十四萬年前	240.00	1,000.36	2,400.00	7,145.45
St. Helens (US)	1980年	0.10	0.42	1.00	2.98
Eyjafjallajökull (Iceland)	2010年	0.03	0.14	0.34	1.00

火山口在那裡？

好，現在你知道這裡在過去真的發生過一不只一次的火山爆發，而且是超級大的那一種，那你造訪時會不會想去跟這個巨大的火山/火山口合照一張？

其實當我第一次想到這個問題的時候，我已經去過一次黃石並且大致都走過一趟了，因此這個問題令我不禁楞了一下：我在黃石好像沒有見過什麼火山口啊？看過許多黃石的書刊畫冊，同樣也不曾見過這樣的東西。針對這個疑惑我特別去找了一些資料，因此我們可以用下面這張美國地質研究所(United States Geological Survey, USGS)繪製的地圖來說明：

圖4：Yellowstone火山口位置圖，圖表來源：USGS

l 圖中天藍色的線是現在公園的界限，幾條不同顏色的圈圈表示歷次爆發的火山口，其中最大的一個是草綠色虛線/實線的，是專家研判第一次噴發，也就是最大的那一次噴發的火山口位置。它的直徑約有100公里。甚至還有約1/3的大小是在今天公園界線之外的。

l 左下角草綠色實線是第二次噴發的火山口位置。

l 圖中央那個紫色的圈則是第三次大型噴發的火山口位置。直徑約有45英浬(72公里)。如果你搭配著公園官方地圖看 (你購票進入公園時會發給你的那一份，你也可以在線上下載)，上面標示的火山口就是這一個。不知道您有沒有注意到Grand Loop 8字形公路的下半圈已經全部都涵蓋在其中了，黃石除了Mammoth 之外大多數的地熱景觀也都分佈在圈內或圈的邊緣。

第四次的噴發最小，這圖上沒特別標示位置，它就在今天黃石湖畔的West Thumb。

原來，火山口是有的，只是有幾個原因讓它還真的不太容易被認出來：

l 很多人一想到火山，心裡浮現的是像日本富士山(Mt. Fuji)或西雅圖附近的雷尼爾山 (Mt. Rainier)那樣以幾近完美的錐形曲線聳立於地平線上的影像，事實上並非所有火山都如此。以黃石為例，因為它的火山口大，噴發量又多，因此在噴發結束之後，岩漿庫清空了，原本鼓起來的區域就整個塌陷下來。因此你不會看到你想像中的錐形隆起。

l 再加上黃石在四次噴發之後，又經歷了兩次的冰河時期，一次是在十五萬一千年至十五萬七千年之前，一次是在一萬三千年至一萬四千年前，整個地區被一千多公尺厚的冰所覆蓋，冰河的作用把許多火山的痕跡給抹平並帶走，後來森林的覆蓋也遮掩了許多特徵。

l 另一方面，這幾次的火山口面積實在都太大了，大到在火山口之中還可以有丘陵、河流、草原、瀑布，甚至是百公尺深的大峽谷，讓你在地面上完全感覺不到原來你在黃石有過半的旅遊行程根本就是在火山口裡頭跑來跑去。

如果你真的很想看看全貌，那你得找個制高點。公園東北方在Tower到Canyon Village之間的Grand Loop公路上會途經Mt. Washburn，這裡的位置大致接近火山口的北緣，由知名的步道Mt. Washburn Trail走上去，往南方望，你會隱約看到中央陷落下去的盆地，那就是火山口了。

黃石的地熱景觀

在東方，很多人聽到地熱會聯想到泡溫泉或煮溫泉蛋等，我相信這是受到日本溫泉文化的影響。可是同樣是地熱，在黃石所呈現的風貌卻是大大的不同，造就出多種別的地方不太容易見到的景觀。

我們可以把黃石的地熱景觀大致區分為溫泉、間歇泉、泥火山、火山噴氣孔、石灰華平臺等五種類型。其實不論是那一類，或多或少都跟以下三個機制有關：

l 熱源：不用多說，熱源就是黃石地底那個很大很大的岩漿庫，因此它在廣大的區域持續地提供充沛的熱源。

l 供水：指的是供應給溫泉或間歇泉的水源。黃石酷寒的冬季有豐沛的降雪，夏季也不時有雷雨，這些雪及雨大量地滲入土壤及岩石，進入各類地熱景觀的供水系統。如果少了充份的水量供應，就算是空有地熱也無法造就終年不絕的熱泉。

l 出水的管路結構：所謂的出水管路，是在岩石間自然形成的縫隙/管道，將地層深處的水導引至地表並且能持續的加熱。但是不知道您有沒有想過，在相隔十公尺的兩個池子，有著幾乎相同條件的熱源及水源，但為什麼一個成為安靜的溫泉，另一個卻是會噴發的間歇泉呢？關鍵就在出水管路的結構中。

下面將對黃石五大類型的地熱景觀及成因一一說明：

1. 溫泉(Hot Springs)：溫泉就是來自地底被加熱過的水由下方注入池子，這在全世界有火山的地區都不難見到，其出水管路的結構很簡單，只是單純地讓地下深處被加熱過的水導入池中而已。由於熱對流的作用，池子表面溫度較低的水會下沈而再次被加熱，池下方溫度較高的水則會浮上表面，因此造成池子內的循環。

黃石的溫泉數量很多，在西半邊及南半邊任一個有地熱景觀的地點幾乎都有分佈。各溫泉的水溫不等，由微溫到沸騰都有。

註：由於黃石海拔較高，在開放環境中水的沸點低於攝氏一百度，約在93度左右。

也許有人會說，溫泉到處都有，還需要去黃石看嗎？那你就大錯了，儘管是這麼平常的東西，黃石還是能夠展現出它的舉世無雙。由於此地土壤中特有的礦物質、某些只存活在溫泉中的微生物，以及水深跟水溫的交互作用，許多的溫泉都會在池水中與池岸邊爭奇鬥艷地呈現出碧綠、寶藍、橘黃等顏色。其中最著名的溫泉是位於Midway Geyser Basin的Grand Prismatic Spring，那一張五彩斑斕的海報令每一個看到的人都驚嘆自然界竟存在這等炫麗的圖案。另外Yellowstone Lake湖畔的West Thumb則是另一個極富色彩適合攝影者流連再三的溫泉群。

圖5 位於West Thumb的Black Pool溫泉，在陽光下展現出鮮麗的色彩

2. 間歇泉(Geyser)：故名思義，間歇泉是每隔一段時間會噴發水柱的溫泉，全世界知名度最高的間歇泉老忠實溫泉 (Old Faithful)就是因為其準時噴發，忠實可靠而聞名，它已經成為黃石公園的代名詞。

探究間歇泉的成因，它的供水管道中除了跟溫泉一樣可以為系統注水之外，還多了個功能像壓力鍋一樣的｢水箱｣。這水箱其實是在噴發口下方天然形成的一個或多個可以儲水、加熱並加壓的岩穴，待會噴發出來的水就是由這兒來的。以老忠實為例，一次噴發的高度通常可以達到32公尺以上(最大56公尺)，並維持1.5~5分鐘之久，您能想像一下這個水箱結構一次至少要能夠儲存多少的水嗎？至少是14噸~32噸！而且老忠實在黃石只算是個中型的間歇泉。

先瞭解幾個物理的原理：我們就以廚房的壓力鍋做為例子吧。

n 在平地開放空間下的壓力為1大氣壓，煮開水達到攝氏100度時，水會沸騰，並且轉變為氣體，此時的臨界溫度為100度。

n 廚房的壓力鍋為密閉的空間，鍋內的壓力會隨溫度而上昇，此時的臨界溫度(水的沸點)是會隨著壓力上升而上升的。換句話說，只要壓力夠大，即使水溫已經遠高於攝氏一百度，它還是不會達到臨界溫度而不會轉化為水蒸汽。廚房的壓力鍋就是利用這個原理讓食物可以在較高的溫度下燉煮。

n 但是，同時用過壓力鍋的人應該都知道，加熱中的鍋子是不可以隨便把鍋蓋打開的，否則可能會有引發爆炸的危險。這是因為鍋內水溫如果已經超過一百度(卻維持在液態)，當壓力突然因掀開鍋蓋而瞬間降回一大氣壓，而水溫卻不會突然隨之降低，卻會因為它的溫度早已超過一大氣壓下的臨界溫度(一百度)而瞬間汽化。水蒸汽的體積要比液態的水來得大，因此新生成的水蒸汽會快速的想找一個缺口衝出去，形成一股巨大的力量，把剛開啟一個小角的鍋蓋大力掀開。

讓我們回頭來談一下間歇泉的作用：

n 間歇泉地下的水箱可能同時有多個入水口緩緩注水，由底層注入水箱的水已經在地下深處被加熱過，俱有高溫，而水箱上層流入的水可能來自地表滲下來的雨水或前一次噴發的回流，溫度則較低。

n 水箱漸漸被注滿，但一方面在水箱上方的出水管路有些狹窄彎曲的結構，另一方面在上層低溫水及下層高溫水混合的降溫下，水箱內的壓力尚未大於水本身的重量，因此形成水封抑制了水箱中的水由上方出水口溢出。

n 當熱源持續經由下層的岩壁對水箱加熱，此時水箱下層中的溫度與壓力漸漸地上升，但由於壓力的上昇使得水箱中的沸點同步升高，因此即使水箱中的水已經達到高溫，卻還能維持在液態。

n 直到下方逐漸沸騰的熱水中累積升起的氣泡終於衝破了上方的水封，向上方噴口逸出，壓力瞬間下降造成水箱中早已過熱的水達到了沸點而氣化，大量的蒸汽同時產生，扮隨著水爭先由上方較狹窄的噴發口射出，成為地面上等候已久的遊客驚嘆的噴泉。

n 這個噴發通常會維持一段時間，直到水箱中的蒸汽及壓力釋放殆盡為止。

n 當噴發結束，水箱會重新由供水系統補充水份，再將之加熱，以進行下一輪的噴發。這一個過程所需要的時間就決定了間歇泉噴發的頻率。短則幾十分鐘，長則可能有一年只有幾次的噴發。

國家公園管理單位會對主要的/有規則的間歇泉進行下一次噴發時間的預報，除了粉絲(fans)最多的老忠實會在Old Faithful那一區所有旅館、遊客中心的前檯公告之外，其他的也會在間歇泉所在位置設公告牌。

圖6 國家公園管理局在Castle Geyser旁公佈的噴發時間預測

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聰明的你/妳也許可以依我以上的描述，推論一下有那些因素可能會影響噴發高度、噴發時間長度、噴發水量?

n 高度à壓力 (溫度/管徑)

n 噴發時間長度à水箱大小

n 水量à水箱大小

由於間歇泉構成的條件複雜，目前地球上已發現的間歇泉數量不多，主要分佈在冰島、紐西蘭、俄羅斯(西伯利亞)、智利、及美國等國。在美國，除黃石之外，原本內華達州也曾有間歇泉，但後因人為開發地熱資源不當而導致整群的間歇泉不再噴發。最積極開發地熱應用的冰島亦有類似的故事。黃石公園內估計約有300個以上的間歇泉，佔全球過半數，無怪乎每年能吸引上百萬的遊客千里迢迢前來。

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其實間歇泉在外觀上可再分為兩個小類：

n 圓錐形間歇泉(Cone Geyser)：間歇泉有一個形狀通常像個火山噴口的噴嘴。但噴口成因卻跟前面描述過的火山口不同。來自地層深處的二氧化矽溶解在熱水中，隨著每一次的噴發附著在噴口，日積月累而結晶成各式外形。圓錐形間歇泉噴出的水柱通常較細長，有固定的噴發方向。Upper Geyser Basin的城堡間歇泉(Castle Geyser) 有著外形壯觀的噴口，是最俱代表性的例子，它平均一天可以有兩次的噴發 (10-12小時一次)，高度可達27公尺高，每次噴發時間可長達20分鐘。其實老忠實也有一個略為隆起的噴口，只是沒那麼明顯

圖7 Upper Geyser Basin的城堡間歇泉(Castle Geyser)是著名的圓錐形間歇泉之一

n 噴泉間歇泉(Fountain Geyser)：就像公園裡的噴泉一樣，噴泉間歇泉有一個開闊充滿水的池子，由水中向上噴發。正因為它是由水中噴發出來的，因此在方向上常會受水的影響，不太固定。它在不噴發時常會被人誤認為是溫泉(hot springs)。如果仔細觀察其區別，溫泉水池的水位幾乎是恆定不變的，但噴泉間歇泉水池的水位常會隨著其噴發而產生波動。Upper Geyser Basin的大間歇泉(Grand Geyser)是噴泉間歇泉的代表，它是目前已知可預測時間的間歇泉中噴發高度最高的一個，可達60公尺並維持9-12分鐘，只可惜它的準時度不如老忠實，約7-15小時噴一次，所以願意等的遊客就少得多了。另外在Firehole Lake Drive的沿途上也可以輕易地看到多個噴泉間歇泉。

圖8 Firehole Lake Drive上的噴泉間歇泉之一，圖中冒煙處為間歇泉嘖水處

3. 泥鍋 (Mud pots)：泥鍋很像是一潭放在蒸籠上不斷加熱的滾燙泥漿。火山的噴發會把天然存在於地底深處的硫化氫帶至地表，而某些微生物會以它做為能量的來源，吸收天然氣並釋出含硫的酸性物質，而這些酸性的物質會把岩石分解為黏土。如果再和上一些水，這就成了泥漿，泥漿中的泡泡則包含了地下逸出天然氣及濕泥中的水蒸汽。簡單的來說，形成泥鍋及泥漿的主因就是硫化物及酸性物質，因此切不可用手碰觸。泥鍋在黃石也算是四處可見的，有些地方泥漿的水份多一些，在Mud Volcano有個Black Dragon’s Caldron是代表。在很多步道邊不時可見直徑20~30 公分大小，在濃稠的泥漿表面冒著泡泡。在Hayden Valley附近的Mud Volcano及Lower Geyser Basin的Fountain Paint Pot有較大型/大群泥鍋的分佈。