臺灣地球科學(xué)研究概況（下）

遲斌++張濤

地質(zhì)研究及成果

近年來，臺灣中研院地球所分別針對亞洲的造山作用和大陸地殼的增生及演化、青藏高原和喜馬拉雅山的隆起過程、東亞大地構(gòu)造運動對環(huán)境變遷的沖擊等重大研究主題，開展多項對外合作系統(tǒng)性整合研究，主要了解板塊作用過程和古氣候的相關(guān)性，例如東亞大氣環(huán)流、季風(fēng)型態(tài)等，并藉由海水組成、板塊抬升、河流侵蝕、沖積物組成和中亞沙漠作用等過程交互作用，獲得相關(guān)板塊作用及其演化過程的最佳結(jié)果，并配合在臺灣大學(xué)地質(zhì)科學(xué)系建立一個世界級的同位素地球化學(xué)實驗室，以先進的分析技術(shù)研究西藏及喜馬拉雅山的造山作用，確定其地殼增厚的年代，對地球最厚地殼的形成和最特別的地理特征世界屋脊的演化提供最佳的解釋。

臺灣弧-陸碰撞造山帶的形成是當(dāng)今極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，“薄皮理論”及“巖石圈碰撞”都曾經(jīng)用來解釋臺灣造山帶所觀測到的地球科學(xué)資料并提出相關(guān)模型，但迄今仍沒有足夠的數(shù)據(jù)來解決不同模型間的差別及造山過程的細(xì)節(jié)。因此臺灣地球科學(xué)界共組團隊，并與海外同行共同實施“臺灣大地動力學(xué)國際合作研究計劃”，結(jié)合現(xiàn)代地質(zhì)和地球物理學(xué)技術(shù)，以臺灣島地殼地幔為研究對象，通過更精確的地殼與地函構(gòu)造測繪方法來仔細(xì)檢驗現(xiàn)有造山帶模型的正確性，再通過資料的整合及解釋，期望為臺灣活躍的碰撞造山帶重新建立一個完整的大地構(gòu)造模型。

目前，臺灣有關(guān)能源及資源方面的大型勘探計劃有兩個，其一為“中央地質(zhì)調(diào)查所”開展的“臺灣西南海域天然氣水合物賦存區(qū)地質(zhì)調(diào)查研究”，現(xiàn)已進入二期階段，包括調(diào)查鄰近臺灣本島活動陸緣的增積巖體區(qū)、南海北部大陸架斜坡區(qū)，以及高屏峽谷以東的上部高屏斜坡增積巖體區(qū)。雖然各區(qū)的貯存量有差異，但普遍顯示該區(qū)域有天然氣水合物的分布。這個計劃的發(fā)現(xiàn)，在天然能源短缺且石油價格高漲的今天有非常重要的價值。其二為臺灣“中央地質(zhì)調(diào)查所”開展的“臺灣山區(qū)地下水資源調(diào)查研究先期計劃”，結(jié)合遙測與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)調(diào)查，再加上各種物探與水力試驗，來了解臺灣山區(qū)的水文分區(qū)，為日后山區(qū)地下水開發(fā)利用作為參考數(shù)據(jù)。

地震災(zāi)害調(diào)查

在地震災(zāi)害調(diào)查分析方面，以往臺灣科技人員取得的成果有：臺灣地區(qū)數(shù)個地震目錄的地震定位與震級的評估，比較世界臺網(wǎng)及臺灣區(qū)域性臺網(wǎng)所定的震源位置、體波震級和面波震級；震波地區(qū)地震前后的應(yīng)力場變化研究，利用斷層面解研究地震發(fā)生前后的應(yīng)力變化，研究臺灣地區(qū)地震發(fā)生過程的特性；設(shè)立臺北盆地強地面運動觀測網(wǎng)，提供分析臺北盆地在地震時地面振動的特性；開展地震動共振的研究，分析在鹽寮及芭崎所記錄的強地動的共振現(xiàn)象；以有限元法模擬地震位錯源的格林函數(shù)，探討區(qū)域地震的波形；利用有限差分法模擬勒夫波在橫向非均勻介質(zhì)中的傳播特征；利用質(zhì)量-彈簧動力模型研究地震活動的動力過程，藉以探討地震活動的時空分布及幾個地震的定標(biāo)律；藉全球與臺灣地震網(wǎng)及寬頻地震網(wǎng)資料，進行震源參數(shù)反演，獲知琉球島弧隱沒帶、臺灣碰撞帶及呂宋島弧隱沒帶之間過渡地區(qū)的發(fā)震構(gòu)造及特征；研究臺灣及鄰近地區(qū)弧陸碰撞作用的過程，建立碰撞的動力模式，探討臺灣地震的發(fā)生與震源機制等；分析車籠埔斷層沿線一帶之第四紀(jì)地層、地形與新期構(gòu)造，進行古地震研究工作，討論臺灣地區(qū)之古地震活動、地震發(fā)生之重現(xiàn)性與或然率；發(fā)現(xiàn)位居車籠埔斷層下約15公里有另一個較深的發(fā)震構(gòu)造，約略與車籠埔斷層平行，證明深部地殼甚至上地幔也在大地震中變形，另在霧峰附近車籠埔斷層上，進行地質(zhì)開挖與巖層定年分析，推斷車籠埔斷層上一次大地震約在200年內(nèi)，了解因地震造成的地層抬升速率與臺灣造山運動的速率大致相符；研究集集地震對當(dāng)?shù)氐牡叵滤沫h(huán)境的影響，顯示濁水溪沖積扇受壓含水層在地震發(fā)生后，伏流水向水平方向大幅度的擴張，尤以彰化地區(qū)最顯著，地震發(fā)生前后地下水流的變化應(yīng)與含水層的滲透度改變有關(guān)；利用臺灣地區(qū)地震網(wǎng)所記錄的1994年南美波利維亞地震數(shù)據(jù)，分析此地震的破裂過程中，破裂面可能產(chǎn)生摩擦生熱而熔化的現(xiàn)象；完成集集大地震較大余震的再定位及震源機制，分析余震活動的時空分布，并建立區(qū)域地體造構(gòu)學(xué)的模型；利用近、遠(yuǎn)程地震資料及測地學(xué)資料，反推集集大地震破裂過程應(yīng)力的時空變化，建立應(yīng)力場轉(zhuǎn)移模型；求得主震震源波譜，將余震活動分成幾個性質(zhì)不同的組群。

自2003年起，臺灣中研院地球所與美國卡內(nèi)基研究院地磁部的研究團隊，在臺灣東部歐亞大陸與菲律賓海板塊的邊界上設(shè)立“板塊邊界觀測站”（PBO-T），以解決該板塊邊界高速擠壓，而卻沒有釋放出相對應(yīng)的地震能量的問題。到2008年，研究團隊利用相距約5到15公里的井下應(yīng)變儀（包括奇美、猴子山與樟原3站），共探測到20個慢地震，發(fā)現(xiàn)其中有11個慢地震是和臺風(fēng)同時發(fā)生的，而每次的變形時間約在數(shù)小時到數(shù)十小時。根據(jù)這些資料，明確導(dǎo)出創(chuàng)新的結(jié)論：臺風(fēng)可以引發(fā)慢地震。有可能是因為臺風(fēng)的低氣壓降低了陸地底下的巖石壓力，因而在斷層的額外壓力梯度引發(fā)逆斷層的滑動，斷層面應(yīng)力突破該處巖層所能承受的極限而引發(fā)慢地震。

2009年8月莫拉克臺風(fēng)襲臺時，臺灣中研院地球所林正洪等人利用寬頻地震網(wǎng)，在世界上首次探測到52個山崩所產(chǎn)生的特殊地震事件，經(jīng)由仔細(xì)分析及定位計算后，證實這些山崩事件大多數(shù)發(fā)生于臺灣南部高降雨量的山區(qū)，其中也包括造成400多位居民罹難的小林村山崩事件，此外還發(fā)現(xiàn)有些山崩地震事件發(fā)生于南臺灣海域的海溝或斜坡附近。

臺灣中研院地球所趙里副2011年提出一種新的全波場地震波層析成像中結(jié)構(gòu)偏導(dǎo)數(shù)計算方法，通過預(yù)先計算并建立一個應(yīng)變格林函數(shù)庫的方式，然后再推導(dǎo)出地震波的走時和振幅對于地球的彈性參數(shù)包括非均向性速度參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的具體表達式，此外還對地震剪切波分裂強度對地球非均向性速度參數(shù)的敏感度進行了詳細(xì)討論。

大型地震研究計劃

目前島內(nèi)有關(guān)地震災(zāi)害調(diào)查分析與對策方面的大型計劃有4個，前兩個分別為中央地質(zhì)調(diào)查所的“地震地質(zhì)與地變動潛勢分析”和“斷層活動性觀測研究”，這兩個計劃不但試圖深入了解斷層帶的地下構(gòu)造和斷層的長短期滑移速率，并將制作斷層帶之條帶地質(zhì)圖提供社會參考，還針對主要活動斷層逐步建立GPS追蹤站、井下應(yīng)變儀等區(qū)域觀測網(wǎng)，同時也進行逸氣與流體的分析監(jiān)測，完成后不但對島內(nèi)潛藏的活動斷層特性有深入的了解，也能快速掌握其現(xiàn)今活動性，對日后地震減災(zāi)提供可靠的基礎(chǔ)資訊。

第三個是臺灣水利主管部門牽頭實施的“地震前后地下水文異常變化探測與防災(zāi)工程應(yīng)用”計劃，將建立斷層及地震活動之監(jiān)測井網(wǎng)及地震水文資料庫，再經(jīng)由地震前后地下水文異常變化的研究，了解地震對地下水文系統(tǒng)的影響，為探索地震前兆研究工作做前期準(zhǔn)備。

第四是臺灣氣象主管部門目前正在實施的“強地動觀測第四期計劃”，分6年（2010—2015年）執(zhí)行，目的是建立新一代地震觀測系統(tǒng)，加強地震海嘯監(jiān)測，整合海陸地震觀測網(wǎng)，拓展強震即時警報資訊在防災(zāi)方面的應(yīng)用，整合與推廣運用地震數(shù)據(jù)庫，加強地震潛勢分析研究，并配合防災(zāi)需求發(fā)布地震潛勢圖。到2013年底，已完成30座高品質(zhì)深井地震觀測站的建設(shè)，能夠有效降低地表背景雜訊，提供高品質(zhì)觀測數(shù)據(jù)。

為加強地震防災(zāi)工作，整合各式的地震觀測資料，提供建置強震速報與即時警報系統(tǒng)，研發(fā)地震前兆分析與地震預(yù)測技術(shù)，臺灣氣象主管部門積極建設(shè)多元化的地震觀測網(wǎng)，包括下列6項：（1）即時地震網(wǎng)，自1989年起陸續(xù)建立了71個速度型即時地震站，用以監(jiān)測臺灣的地震活動，尤其是微震資料，對于監(jiān)測斷層活動或大地震前的異?；顒犹峁┲匾罁?jù)；（2）都會區(qū)強地動觀測網(wǎng)，自1992年起執(zhí)行“強地動觀測計劃”，在臺灣各都會區(qū)陸續(xù)建立688個自由場強震站，以及61座結(jié)構(gòu)物強震監(jiān)測系統(tǒng)，提供防震設(shè)計規(guī)范的改進依據(jù)；（3）強震速報網(wǎng)，自1998年起執(zhí)行“強地動觀測第二期計劃——建立強震速報系統(tǒng)”，自2004年起執(zhí)行強地動觀測第三期計劃——發(fā)展強震即時警報系統(tǒng)，累計完成101個強震站，即時監(jiān)測與發(fā)布有感地震消息；（4）寬頻地震觀測網(wǎng)：自2001年起配合臺灣科技主管部門的“地震及活斷層”大型整合計劃，陸續(xù)建立31個寬頻地震站，提升測報精度，擴大監(jiān)測范圍，快速掌握震源機制；（5）全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的地形變觀測網(wǎng)，自1993年起陸續(xù)建立150個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)觀測站，記錄臺灣島的地殼形變，監(jiān)測斷層活動，比對地震的發(fā)生時序，以便歸納出地殼形變與地震間的相關(guān)規(guī)律，藉以預(yù)估未來地震趨勢，發(fā)展地震預(yù)測技術(shù)；（6）地球物理資料管理系統(tǒng)，整合微震、強震、寬頻、地形變、地下水等地球物理資料，充實多元化地震觀測資料，應(yīng)用于各項地震防災(zāi)科技，包括建筑防震設(shè)計、強震速報與即時警報、地震前兆分析，以及地震預(yù)測技術(shù)的研發(fā)。

該機構(gòu)目前正在與“國研院”下屬災(zāi)害防救科技中心合作，建立通過網(wǎng)絡(luò)通報的快速信息傳遞平臺，并推動強震即時警報的應(yīng)用評估，先在防災(zāi)部門、交通運輸部門及學(xué)校進行測試，完成測試評估后再全面推廣至全臺灣。

臺灣科技主管部門也在推動強震即時警報系統(tǒng)的研究，由“國研院”下屬災(zāi)害防救科技中心、地震工程研究中心、高速網(wǎng)絡(luò)與計算中心組成的研發(fā)團隊與臺灣氣象主管部門及相關(guān)研究機構(gòu)合作，進行強震即時警報技術(shù)研發(fā)，現(xiàn)已完成現(xiàn)地型強震即時警報系統(tǒng)、自動化警報展示系統(tǒng)以及自動化減災(zāi)控制系統(tǒng)的整合，實際建造一棟兩層樓模型展示屋，并在地震工程研究中心的三軸向振動臺以921地震紀(jì)錄進行實機整合測試。結(jié)果顯示，在最大地表振動到達前，強震即時警報系統(tǒng)可為嘉義、臺中、新竹與臺北地區(qū)多爭取11、7、17與27秒的預(yù)警時間。實機展示包括在強烈震波抵達前，通過廣播、字幕機、電視插播等方式提出預(yù)警，并自動關(guān)閉煤氣，避免火災(zāi)的發(fā)生，開啟大門、逃生動線指示燈以利逃生，將電梯停至最近樓層并開啟電梯門，減低傷亡與受困。

地質(zhì)防災(zāi)

近年來，臺灣日益重視綜合性地質(zhì)防災(zāi)研究，包括利用“福衛(wèi)2號”圖像，輔以其他光譜衛(wèi)星圖像，進行臺灣地區(qū)地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害的動態(tài)監(jiān)測及其建立數(shù)據(jù)庫，逐年累積地形變遷信息，并利用克利金空間內(nèi)插法，推估地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時點的降雨量，以河川級序、河川坡度、集水區(qū)面積與地質(zhì)條件為依據(jù)，進行各溪流集水區(qū)土石流潛勢的劃分與篩選，目前已完成北部及中部地區(qū)的集水區(qū)的工作。

從2007年起，臺灣“中央地質(zhì)調(diào)查所”開始實施“地質(zhì)敏感區(qū)災(zāi)害潛勢評估與監(jiān)測”計劃，目的是逐年完成全臺灣高山聚落地區(qū)的災(zāi)害調(diào)查、都會區(qū)周緣坡地山崩災(zāi)害潛勢評估、建立重大山崩災(zāi)害潛勢區(qū)變異監(jiān)測系統(tǒng)，以提供地方政府進行管理使用；另一重點為分年強化資料庫防災(zāi)功能，建立即時防災(zāi)決策支援地質(zhì)情報系統(tǒng)，提供防救災(zāi)任務(wù)支持。該計劃含有5個分項計劃，包括：高山聚落地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害基本調(diào)查、都會區(qū)周緣坡地山崩潛勢評估、重大山崩災(zāi)害潛勢地區(qū)災(zāi)害模擬與監(jiān)測、廢棄坑道的地盤下陷災(zāi)害潛勢評估以及南投縣廬山溫泉北坡監(jiān)測與建立預(yù)警系統(tǒng)。

目前，正在進行中的“強化坡地環(huán)境地質(zhì)與防災(zāi)應(yīng)用”計劃，分4年（2011—2014年）執(zhí)行，目標(biāo)是逐年完成更新全臺灣山地聚落及周圍坡地環(huán)境地質(zhì)基本資料，包括順向坡、山崩（滑動體）、土石流（扇狀地）、河岸侵蝕等地質(zhì)災(zāi)害，分年分區(qū)進行山崩潛勢評估分析，并建立全臺灣坡地環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以提供地方政府進行管理使用；另一重點為分年建立大規(guī)模潛在山崩地區(qū)活動性觀測系統(tǒng)及崩塌地調(diào)查與觀測等資料，利用地質(zhì)鉆探、測傾管測量及山崩機制分析匯整完成環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報告，提出該大規(guī)模潛在山崩地區(qū)的山崩機制、影響深度、范圍、邊坡穩(wěn)定概況，加以強化資料庫防災(zāi)功能，構(gòu)建即時防災(zāi)決策支援地質(zhì)情報系統(tǒng)，提供防救災(zāi)任務(wù)支持。

火山研究

另一正在進行中的“大臺北地區(qū)特殊地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測”計劃，從2004年起開始進行，特別針對臺北市及周邊地區(qū)可能發(fā)生的火山活動、斷層活動與地震活動，進行調(diào)查與監(jiān)測及分析評估，目的是掌握和了解地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的成因、機制和對大臺北地區(qū)的影響，建立火山的背景值及異?；顒又笜?biāo)、分析地震分布及震波效應(yīng)，評估火山與斷層的活動性，及應(yīng)用高精度和高解析度數(shù)值地形資料研判災(zāi)害的地質(zhì)地形特征，以強化環(huán)境保育和土地使用管理，達到可持續(xù)發(fā)展。

近年火山地質(zhì)調(diào)查區(qū)域主要集中在觀音山火山群地區(qū)，利用野外地質(zhì)調(diào)查和采樣，以及室內(nèi)實驗室礦物和巖石的分析工作，完成火山地質(zhì)圖繪制，發(fā)現(xiàn)并無任何火山活動的征兆，其地底下也未有任何火山地震的活動，顯示觀音火山群未來噴發(fā)的可能性不大。

另外持續(xù)針對大屯火山群進行長期監(jiān)測研究，包括野外直接測量溫泉水質(zhì)，以及采集樣本攜回實驗室分析溫泉水中的陰、陽離子濃度變化、水質(zhì)及化學(xué)成分變化、火山氣體含硫及二氧化碳量變化、地溫變化等，結(jié)果顯示相對穩(wěn)定，無明顯火山流體向上增加的趨勢。

為了增進對臺灣火山的觀測能力，并了解大屯火山活動的現(xiàn)況，2011年臺灣科技主管部門與相關(guān)研究機構(gòu)在陽明山公園內(nèi)的菁山自然中心共同合作設(shè)立“大屯火山觀測站”，加強即時監(jiān)測的功能，包括建立火山地震監(jiān)測網(wǎng)、進行火山氣體與溫泉水的化學(xué)成分調(diào)查分析、測量地殼變形、監(jiān)測地溫，以及噴氣即時影像監(jiān)測等，未來還將加入傾斜儀、重力、地磁、衛(wèi)星圖像等不同方法，以達到更完整的監(jiān)測。