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地質調查新趨向:火山在哪裡—空中磁測火成岩體
空載磁力探測是一種空中地球物理調查技術,藉由精密儀器的探測了解不同岩石及地質構造的分布,進而探求火山構造及地熱資源。
 
 
 
前幾年,一部〈看見台灣〉的紀錄片讓大家從以往未曾嘗試的角度俯視台灣的山川之美,令許多人印象深刻。除了影像記錄之外,有些地質調查工作也是利用直升機為載具執行,包括傳統的航空攝影測量,到近年來逐漸發展的空載光達、空中重力調查等。空載磁力探測是一種空中地球物理調查技術,藉由精密儀器的探測了解不同岩石及地質構造的分布,進而探求火山構造及地熱資源。

磁力探測原理

地球物理探測是利用精密的儀器量測地球材料包括震波速度、重力、磁力、導電性或放射性等物理性質,再藉由這些物理特性的分布研究地球構造,是一種間接的地質調查方法。地球物理探測的優點是可以在較短的時間內獲得地下地層或構造的變化,但由於僅能反映岩層的物理性質,還需要與地面地質調查、地下鑽探資料或槽溝開挖等直接調查結果配合比對。地球物理方法有節省時間及經費且非破壞性的優點,常應用於大範圍的調查工作,特別是肉眼難以觀察到的地下地質。

岩層因磁性礦物含量差異而有不同的磁感率,具磁力特性的地層可視為磁體,在地球磁場作用下,不同深度的磁體會各自感應出不同程度的感應磁場。在地面上量測到的感應磁場是所有地層的感應磁場與地球磁場的向量總和,雖可反映地層特性,但其來源較多,組成也較複雜。透過精密磁力感測器量測空間中各點的磁場強度,經過資料修正、處理等程序,可藉以解析地下磁體的位置,進一步做為岩性與構造解釋的依據。

磁力探勘是已發展得相當完備的地球物理探勘技術,有別於其他地球物理探測方法,磁力法通常用以分析地層的磁感率。藉精密儀器量測不同位置磁場的磁通量密度,透過資料處理技術獲得因地層磁力特性差異所造成的磁力異常,也能進一步透過逆推等分析技術解析地下岩體磁感率分布,探測地質構造或地下埋藏物位置。

一般磁力探勘所量測的物理量是全磁力強度,也有因應特殊目的而量測磁力分量、磁偏角或磁傾角。因施測簡便且測勘人力需求少,常使用於區域普查,以探測大區域主要地質構造模式。在環境汙染探測應用方面,由於磁力探測法有如精密且敏感的金屬探測器,操作簡便且不需繁雜的後續資料處理,因此可快速地探測出地下埋藏金屬物的分布。

磁力探測在資源探勘上的應用,大多是用於探測金屬礦床的分布。由於金屬礦床可能伴隨火成岩侵入而形成,而火成岩又有較多的感磁礦物,因此具局部高磁力反應的地區,其下可能有侵入的火成岩體,也可能在周邊有金屬礦脈。

另外,在大陸地殼地區,地殼材質主要是火成岩,經過長時間的侵蝕與搬運,岩石當中比重較大的礦物會在特定的地方形成沉積礦床,磁力探測也可應用於鐵砂沉積礦床的探勘。國內的金屬礦床較少,大多位於台灣北部的火山地區附近,在台灣北部金瓜石地區的地質調查工作曾利用磁力探測方法輔助進行。

研究指出地震來臨前在局部地區可能會產生磁力值的變化,因此交通部中央氣象局在全台建置了數個磁力基準站,長時間監測台灣地區的磁力變化;磁力探測也曾協助找尋被土石流掩埋的挖土機具。可見隨著磁力法的演進與發展,除了資源探勘之外,磁力探測也逐步應用於災害防救領域。

空載磁力探測

空載磁力探測不受地形限制並可快速取得探測資料,是執行區域普查相當好的一種探測方法。這方法在國外已經廣泛應用在區域地質調查、探礦及火山監測等領域,國內在1960年代以及2000年間也曾分別於台灣西部海域、台灣東部及離島地區進行過,藉以調查地下的地質構造以及可能蘊藏的礦產資源。在軍事用途上,由於潛水艇殼體的材質大多是鋼,裝備在軍用飛機上的探磁設備也應用在追尋海中潛水艇的蹤跡。

空中磁測所使用的載具,根據探測範圍及地形的需求,可選用定翼機或直升機。磁力探測儀器則有固定式及吊掛式兩種,固定式的裝載方式有結構穩定的優點,磁力儀與飛機的距離保持固定,在資料的解算上可以根據飛機上配備的GPS衛星定位設備、姿態儀等資料獲得磁力儀正確的位置。由於這種加改裝不能臨時拆解,通常是專門負責磁力探測的航空器或時常有航空探測任務需求的探測公司採用固定式的設備。

吊掛式的探測方式則有載具選擇較靈活的特性,但執行過程的穩定性以及載具降落時測量設備的回收是重要的考量項目。由於台灣多山的地形,地勢起伏甚大,我國的空中磁力探測工作選用直升機做為載具,並利用吊掛式的探測方式進行調查。

研究設備 我國的空中磁測採用地調所於2012年自加拿大G.E.M.公司引進的GSMP-35三軸拖鳥設備,藉由直升機以繩索吊掛進行測勘。三軸拖鳥的本體由玻璃纖維組成,在鼻頭的地方配備GPS全球衛星定位天線以及位置、姿態儀,除資料探測儀外,後方的3個支架尾端的圓球內裝有高精度的磁力儀,可偵測到小於自然界4億分之1的磁力強度變化。本體設備、姿態儀以及雷達高度計能準確記錄資料位置,並有助於後續資料修正的工作。磁力地面基站採用G.E.M.公司的GSM-19移動式磁力儀。

台灣的地形起伏劇烈,而岩石所產生的磁力線強度會隨著距離而遞減,利用直升機能儘量沿著地貌飛行,可維持一定的離地高度,這時三軸拖鳥的雷達高度計就可以把即時的離地高度資訊傳到機艙內供機長及操作人員判讀。

起飛前組裝、平衡與測試 三軸拖鳥長6公尺,最高處是4公尺,難以用車輛載運。調查前會在直升機臨時起降場組裝,並進行平衡及功能測試,確保在飛行現場調查的過程中能夠維持穩定的姿態,收集到品質良好的訊號。由於磁力儀的靈敏度很高,不僅三軸拖鳥的材質是不具磁性的玻璃纖維,連組合部件所使用的螺絲也都是銅或鈦的材質,組裝時並須使用專用的板手,以避免干擾儀器運作。

調查方式 台灣地區多山且天氣變化很大,負責吊掛的直升機又需在日出時才可進行飛行任務,因此空中磁測的飛航現場調查工作大多選擇在天氣穩定且日出時間早的夏季執行。

飛航現場調查的工作每天於太陽升起的始曉時分就開始進行,由直升機把三軸拖鳥吊起,藉由30公尺長的纜線連接,飛行的速度約為每小時90~100海里。為了增進資料的解析度,每條測線以間隔500公尺的距離編排。機上的操作人員除了檢查所收取的資料外,也把規劃的測線輸入於特別設計的導航軟體中,藉由三軸拖鳥上的GPS天線可即時知道與預定航線的偏差,並透過機上的無線電系統向機長傳達需修正的訊息。如此一來,能有效地把實際航線偏差控制在數十公尺之內,可加強整體資料的準確性。

由於所使用的吊掛載具是直升機,每次飛航現場調查的時間與距離視直升機的油箱大小而定。目前國內空載磁力探測所使用的Kawasaki BK-117直升機,每次飛航現場調查的時間約為1.5個小時,可完成最多約200公里的測線。在直升機降落時,探測儀器透過地面人員導引及協助降落於軟墊上,直升機再行降落加油以及進行資料提取的工作。在短暫的補給及人員休息之後,繼續下一個航次的飛航任務。

在完成飛航現場調查工作後,原始資料需經過一系列的前處理及修正步驟才能使用。前處理步驟包括突波修正、航向修正、航高修正、磁力值日變化修正、全球地磁參考場修正等。進行完初步的前處理步驟後,透過網格化可得到探測區域的磁力強度分布圖,進而進行後續的研究工作。

調查結果

大屯火山地區的空中磁力探測 大屯火山地區位於台灣北部地區台北盆地的北方,主要由七星山、紗帽山、竹子山等數十座火山所組成。在過去的研究中,學者利用地形上的分析,於大屯山地區劃設了近50處火山體。然而,因大屯火山目前無顯著的噴發活動,火山地形也因風化侵蝕而逐漸消失,在無法到達每一個山頭採樣的現況下,很難確定火山的數量及其位置。

利用空中磁力探測的結果,並透過三維逆推的資料處理方式獲得精細的三維磁感率模型,可得知大屯火山地區三度空間的磁感率變化。把大屯火山地區深度100公尺的磁感率等深度切面圖套疊現今調查的結果,可見到高磁感率的地區可以對應到現有的火山口位置。除此之外,某些具高磁感率的地區位置反映下方可能有火成岩存在,但是地形上並沒有火山的特徵,可能是火山地形已受到侵蝕而破壞,未來需要更詳細的調查。

把各個深度的磁感率切面圖套疊起來,繪製出大屯山區域等磁感率曲面立體圖,可以得知磁感率隨著深度的變化。結果顯示大屯火山地區的火山中,磺嘴山、大屯山、竹子山及面天山之下的高磁感率地區可延伸到較深的地下,表示其火成岩規模較大。但這些火成岩在地下並未連結在一起,且未連到一個大型的火成岩或高溫的低磁區,顯見在大屯火山下方並沒有明顯的岩漿庫徵兆。

龜山島附近的火山構造 龜山島位於台灣東北部海域,在地體構造上位於沖繩海槽的最西南端,即在菲律賓海板塊及歐亞板塊交界的上方。全磁力異常圖顯示在龜山島的龜首及其東北方有3處明顯呈現小且圓形的低磁區域,研判龜山島火成岩體中可能有數個火山口,下方都有低磁的區域。由於這些火山口的位置都在海底,因此在海面上並沒有對應的徵兆。在龜山島往東的海底有數處海底熱液噴泉,其位置與低磁區相近,這些低磁區究竟是火山口、熱液通道的出口或已經停止活動的舊火山口,是未來調查的重點。

龜山島地區的三維磁力逆推的結果顯示,以龜山島火山臼及低磁的區域為中心,呈現出環狀及放射狀高磁磁力線形特徵,可能反映龜山島火山活動形成的環狀岩脈與環狀構造。環狀的高磁線形特徵直徑隨著深度逐漸加大,顯示這高磁區域於三維分布的型態呈現上窄下寬,類似一個倒過來的臼狀外觀。且放射狀的高磁力線形特徵出現在地面下2.5公里深的位置,相對整個火山臼結構來看屬於淺層的構造。

龜山島周圍的環狀構造及放射狀構造,從磁力線形判斷,其分布可達蘭陽平原南側,推測可能是火山活動同時伴生火山臼陷落作用所致。火山臼的形成是在火山噴發之後,因岩漿噴出使下方的岩漿庫壓力降低,造成上方的岩層向下塌陷形成環狀的正斷層,而原本在岩漿庫內的岩漿順著環狀正斷層侵入形成環狀岩脈。

龜山島的火山活動及岩漿庫 龜山島地區最近一次的火山活動距今約7,000年前,目前仍有微震、噴氣等火山活動現象。比對附近的微震資料與空中磁測三維逆推結果,發現在不同深度的低磁區範圍與微震分布範圍有一致的趨勢,顯示微震產生與低磁區有相當的關係。

由於微震的發生可能來自於火山熱液流動,也可能來自於岩漿活動,而磁力探測的結果顯示龜山島下方的低磁區自地下2公里開始出現,且範圍隨著深度增加而逐漸擴大,推測這個不具磁性的區域可能是熱液活動的區域,也不排除可能是岩漿庫,未來都需詳細調查。

藉由直升機吊掛的空中磁力探測,能快速獲得大區域的磁力異常分布資料,可反映火成岩可能的分布狀況,並幫助了解與其下地質構造的分布及相對關係。然而磁力探測屬於間接的探測結果,這些特徵資料需要後續更詳盡的地質調查結果來佐證。

除了火山調查應用之外,由於高溫會使礦物失去磁性,高解析度的磁力探測資料可以分析火山地區下方的磁感率變化,並研判高溫地熱區的存在。地熱資源是未來很有發展潛力的綠色能源之一,國家能源型計畫—地熱主軸中心—以及經濟部能源局也應用空中磁力探測的結果於宜蘭三星地區及金山四磺坪地區的地熱發電探勘工作。這一嶄新的技術能持續應用於國內的資源及能源探勘,除可充實國土地質基本資料外,更能為國家開創綠能新頁。

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