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圖片: 恆春地震餘震觀測

2006年12月26日恆春外海發生規模7.0的地震是台灣南部最近100年以來最大的地震,雖然人員/房屋沒有太大損失,但因海底電纜的破壞,而震憾亞洲金融和股票市場。海洋大學的海底地震儀在恆春地震發生24小時之內,佈放於恆春外海進行餘震觀測。 屏東外海地震海域多頻道與海底地震儀資料初探與紀實陳浩維 (hwchen@ncu.edu.tw) 、 吳孟儒 (956202006@cc.ncu.edu.tw)桃園縣中壢市五權里2鄰中大路300號 中央大學地球物理研究所 研究動機與原由台灣南部恆春外海於二零零六年十二月二十六日發生規模Mw為七點零的屏東地震。中央大學與海洋大學於隔日即出海收集餘震紀錄,並於隔年二零零七年三月二十七日至四日期間在恆春外海震央附近進行海域震測資料的收集工作,其主要目的在瞭解該區淺層沈積地層在地震前後的變化與構造特徵。本報告的資料來源包括多頻道反射震測及海底地震儀兩種不同型態的資料,其中海底地震儀收集了天然與人工震源兩種不同的紀錄。故本報告有系統的分析該區在震後所收集的人工震源(空氣槍)資料以便調查該區的地下沈積構造特徵、速度模型、評估海底擬妨反射(BSR)訊號與甲烷水合物存在的可能性。恆春外海主要屬於高屏陸棚及向西南傾斜的高屏陸坡,本區包括枋寮峽谷、高屏峽谷、紅柴峽谷等海底地形特徵(林殿順,2004)。因為此區位於菲律賓與歐亞兩板塊的初始碰撞板塊斜聚合區,因此覆瓦狀褶皺及逆衝斷層為本區主要構造特徵(Liu,1997;Liu,1998)。由於此區域過去在地震規模較大的地震與相關的地質背景資料稀少,所以本報告僅著重於對震後所收集的多頻道震測資料,進行資料處理與層序及初步地體的構造判讀,在有限的資料下進行最有效的資料處理,研究目的則以提高訊噪比,使地下構造能清楚的判讀,及建立實質的深度構造成像剖面,進一步可透過走時逆推提供可信的速度構造,以便未來可進一步的進行時間位移及深度位移,亦可使我們進一步瞭解震後的海域地形或沈積構造受此次地震的變化。處理資料方面,因頻道數目僅有十一個波道,加上儀器於資料收集時一度損壞、空氣槍壓力不夠等種種因素,無法直接建立清晰的震測剖面。因此,需透過固定展距的疊加來提昇資料訊噪比。主要乃因以一般的疊加法無法有效的提高信號及降低雜訊。因此,本研究從資料處理著手,期望能用有效的處理方法,提昇信號品質,並加強對構造解釋上的可信度及精確度。此外,進一步改良的疊加方式仍可與傳統震測處理方法結合,包括如解迴旋、濾波、以及走時逆推等,期望能降低複反射、震源空氣槍的氣泡效應,以及其它的背景雜訊等。在資料整合及收集方面,本研究同時納入一九九五年TAICRUST計畫中,於此研究區域的測線資料,作為測線下速度剖面的起始值的參考,以幫助我們瞭解及解釋此研究區域內之速度與地體構造變化。其他,如甲烷水合物的相關研究,亦可提高淺層解析度,以便進行或評估飽和甲烷水合物的空間分佈,作為未來相關研究的參考與比較。由震測剖面中觀察發現,此區域有大量的褶皺構造及逆衝斷層,而逆衝斷層大多是由東北-西南走向。越往西南外海延伸,海底形貌就越趨平坦,此意味著褶皺構造與逆衝斷層向西南外海方向逐漸消失或是因剖面解析能力不佳沒有觀察到,因此,由以前的相關研究可知此區域是屬於初期的碰撞帶(黃奇瑜,2002)。在剖面中亦可發現數個古河道的沈積層序,這些古河道沈積環境因低速與聚焦效應而使其深部之複反射變得較為明顯,本研究利用疊後資料的自對比來判讀複反射訊號相位特徵,決定預測解迴旋所需要的時間視窗長度,以此壓低複反射訊號強度,雖然使用預測解迴旋可以有效的減少複反射的訊號,但同時也可能會消除有意義的訊號。因此,在分析盆地底下的沈積構造,必須進一步謹慎的選取資料處理參數及移除雜訊。 恆春地震  二零零六年十二月二十六日晚上八點二十六分,於屏東墾丁地震站西南方三十八點四公里處,發生芮氏規模七點零地震,全台皆可感受到該強震,地表最大震度五級位於屏東恆春和墾丁,震度四級則呈南北分佈,由屏東枋寮往北達彰化市,台北則是震度二級。八分鐘後,也就是八時三十四分在屏東恆春地震站西方三十三點一公里處,再度發生規模七點零的地震,屏東和高雄的最大震度皆為五級,兩次接連的地震,地表震動廣及全台,各地均可以感受到不同程度的地表搖晃。隔天二十七日所發生的Mw=5.8地震與主震後幾天內陸續仍有許多餘震發生(圖一),由中研院地球所所公佈的BATS網與氣象局監測網所公佈的餘震空間分佈可知恆春外海地震或稱屏東地震的震源深度約在二十至五十公里深,斷層破裂位處地殼底部和上部地函之間。根據以往的地震分佈研判,歐亞板塊在台灣南部東經121度向東隱沒於菲律賓海板塊之下。此次地震及餘震的震央均在東經121度以西,因此位處歐亞板塊內部,尚未進入隱沒作用區,故而應屬於板塊內部地震型態。由中央氣象局的地震機制解顯示,二十時二十六分地震為正斷層型態,二十時二十六分地震為左滑移斷層型態,兩者均為高角度斷層。此次大震共造成兩人死亡、五十二人受傷,數十處房舍損壞,恆春古城牆受損(圖二)。 天然地震資料收集  於地震發生隔日亦即二零零六年十二月二十七日由海洋大學李昭興教授領隊,中央大學許樹坤教授、陳浩維教授及技術人員於恆春外海佈設十一個海底地震儀,並連續收集了七天的餘震資料,共紀錄了四百三十九筆餘震大於ML=2的天然地震波形紀錄,目前分析工作仍持續進行中。 人工震測資料收集  中央大學與海洋大學為了探查震央附近地區的震後地下構造,除針對主震的隔天立即從事資料收集工作外,亦由中央大學陳浩維教授負責,於二零零七年三月二十七日至二零零七年四月四日間在震央附近密集的實施接近三維的海域人工多頻道震測資料收集的活動,此實驗所使用的人工震源為空氣槍,施測船隻為海研一號,所記錄的資料有兩種格式,分別為多頻道反射震測以及海底地震儀紀錄。而多頻道反射震測的波道僅為十一波道,震源施放的次數為一千零三十五次,海底地震儀的數目為十部,但是因為海底地震儀在實驗的過程中不甚遺失一部,所以實際的OBS測站數目為九部。運用這兩筆資料,我們可以嘗試描繪出此區域的地下沈積層序、地體構造,以及依走時逆推建立地下速度模型。圖一中為施測路線以及海底地震儀和兩次較大地震的震央位置分佈。 人工震測資料處理(一)幾何定位:將已知的施測時間、經緯度、炸測間距、接收間距...等資訊,經由Seismic Unix震測資料處理軟體編寫成資料檔頭,以確定測線剖面在空間上的分佈,此步驟是往後資料處理的重要依據。(二)原始資料的整理修編:將十一個波道各別收集到由空氣槍施放一千零三十五次的資料逐一繪出,檢查及比較是否有損壞及品質不良的現象,因收錄資料時可能受天候狀況或接收器本身的故障,可能會出現高雜訊比的訊號,必要時必須刪除不良或損壞的訊號,保存完整良好的訊號,以確保往後資料處理的正確性其可信度。(三)振幅修正:震波因受球面擴散,散射或非彈性衰減效應影響時會有振幅衰減現象,真實振幅還原是為了使訊號較為接近原始的振幅。震測資料上,因振幅為時間函數,故以g(t)=atn+t0振幅修正表示說明,其中t0為時間起始值,a與n為調整係數,因為需要考慮到還原後是否也同時會放大背景雜訊,因此在n值的選取上與比較修正後的剖面,故選取了n=1.5經驗值為最後的修正參數。(四)頻譜分析:在海上收集資料時,震源及接收器所傳送與接收的資料因非線性震源效應,接收器受海流,浮球彼此碰撞與船體馬達振動與船速非定值等影響,都會摻雜進一些不必要的雜訊,而對真實地層反射訊號造成污染,因此需要去除雜訊。經由頻譜分析,可找出震測剖面各別記錄的頻譜分佈情形,以決定濾波時所需要之濾波參數,進而消除不必要的雜訊及提高訊噪比。(五)重合處理:本研究中所使用的多頻道資料因每次空氣槍施放,僅有最多十一波道進行資料收集的工作,空氣槍施放能量平均維150psi,接收器的間距平均為十二點五米。圖三為選取近支距單波道訊號再經資料處理後之近支距剖面。若經重合處理同一炸點的各波道雖然有些微的垂直隔距時間差,但因為資料處理目的是要提昇淺層沈積地層層序與深部構造層面的解析度,因此極小的垂直隔距時間差在本報告中是可以暫時被忽略。因此以中點為基準並保持震源與重合後中點之間距為定值進行重合處理。此步驟是為了使相位較諧和的訊號得以加強,而相位不一致無規則的雜訊則互相被消除或減弱,意即透過建設性與破壞性干涉的觀念處理資料,以提高訊噪比。圖四為重合處理後之海域震測剖面。(六)濾波:利用頻譜分析,找出所要保留的訊號頻帶,配合濾波測試或雜波實驗,以選出適合的頻寬。在此筆資料上所選取的適當頻寬為十五~六十二赫茲。圖五為經濾波與振幅修正後的剖面,與近支距剖面資料(圖三)比較可以發現訊噪比明顯的被提昇。(七)自對比與預測解迴旋:除利用濾波的方式消除雜訊外,針對具有週期性特徵的海床複反射。如圖六所示,可使用預測解迴旋處理以消除或壓低複反射能量。進行各筆資料的自對比主要在找出進行預測解迴旋的移動時間窗長度,並決定解迴旋中所要保留或去除訊號的相關參數,包括為解迴旋運算子長度及解迴旋濾波器預測距離。圖七為解迴旋後的剖面,剖面中的複反射訊號明顯的已被壓低,原本隱藏在強複反射後的地層反射訊號便可較容易被辨識。圖八為細部觀察位於枋寮峽谷附近地區淺層沈積構造震測層序經解迴旋後的結果比較,可以觀察到在約二點四秒左右的複反射因為解迴旋的幫助,使其反射能量壓低,而真實的訊號則明顯的被突顯出來。 初步討論一、在未經複反射消除的重合剖面中可明顯觀察到週期性的複反射,明顯壓制了由深部反射層面傳回的訊號(圖四,五,六)。因此使用預測解迴旋來去除或降低複反射能量有相當大的成效,但是在資料收集的期間,由於受到空氣槍施放的能量、接收器接收資料的品質、海面的氣候狀況等...影響,使得在深度上的解析有限,從海床面往下算,目視可辨識的訊號最深約是三秒,最淺的不足一秒。而複反射的重複出現週期亦與水深成正比,因此壓低複反射的訊號,對於提昇淺水區域的訊噪比的成效較大。如圖七、八與九所示就可以觀察到,因複反射訊號已被壓低,對於受複反射較大能量的訊號所遮蔽的地層訊號,已可以有效的提昇其辨識度,圖九中的紅線所標示的反射介面與可能存在的斷層位置是在解迴旋後,可判讀出來的沈積與構造形貌。詳細震測層序解釋與判讀目前仍持續進行中。二、在構造側向變化方面,圖九為處理後之完整疊加剖面,可看到越往東北方,地層構造的變化也越複雜,可觀察到明顯的褶皺、隆起、沈積盆地、河道與地形變化。而越往西南方,地形則逐漸平坦,地層構造也明顯的較為單純。因此恆春外海的區域地質與構造特徵以增積岩體為主,亦可推論該區應是屬於初始的碰撞地帶。三、從圖九震測剖面中可看出,(e)(f)兩區可能有崩塌的現象。而黃線標示處為BSR存在區域,紅線標示處為逆衝斷層,綠線標示的則可能為泥貫入體(張成華,1993)。(a)(b)(c)(d)等四個區塊中明顯的具有古河道,其河道與沈積環境的改變,是未來研究方向的重點之一。在資料判讀上,必須結合前人在此區域的相關研究,進而才能得到合理且正確的判讀結果。四、目前針對淺層構造已經可以逐步挑選與判讀出來,未來則須使用零支距波線理論(Zero-offset Ray Tracing)進行走時與波形模擬,以求取各主要反射層面的層間速度。再將估算出的淺層速度並配合所收錄的海底地震儀資料(圖十),經由走時逆推的方法得到深部的速度構造模式,是未來進一步研究的主軸。以一九九五年TAICRUST計畫中位於台灣東部EW9501測線的重合剖面為例(圖十一),透過零支距波線模擬到時與波形即可以完整的定義出測線剖面下的主要構造特徵。 參考文獻林殿順 (2004) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-含天然氣水合物地層的構造與沉積特徵研究。經濟部中央地質調查所報告,第93-24-E 號,共59 頁。張成華 (1993) 臺灣西南部海域泥貫入體研究。國立臺灣大學海洋研究所碩士論文,共62 頁。黃奇瑜(2002)台灣大地構造Liu, C.-S., Huang, I.-L. & Teng, L. S. (1997) Structural features off southwestern Taiwan. Mar. Geol. 137, 305-319.Liu, C.-S., Liu, S.-Y., Lallemand, S. E., Lundberg, N. & Reed, D. (1998) Digital elevation model offshore Taiwan and its tectonic implications. TAO, 9(4), 705-738. 致謝 本次實驗過程承蒙台灣大學邱協棟、海洋大學梁進維、中央大學廖彥喆,以及研究船探測人員:戴志學、陸慶榮、林五澄、張志豪、顧小山、陳守仁等大力協助,謹此致謝。