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遙測大地:監測大地變形–全球衛星定位系統
全球衛星定位系統(GPS)除了民生、國防上的用途外,在地球科學上的應用,也有非常大的空間,尤其是對地殼變形的監測,更有著不可取代的地位。
 
 
 
全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)日益精良,不僅健行登山者利用掌上型GPS定位器尋找方向,加裝了GPS定位器的汽車也可以在都市叢林中自動導航,甚至當車子被竊時,也可以經由GPS的幫助而尋回。在2003年對伊拉克的戰爭中,美國所發射的巡弋飛彈就是利用GPS導航,精準地命中目標,令人印象深刻。因此,目前世界各大強國莫不全力發展衛星定位科技。

冷戰時期,蘇聯的全球導航衛星系統GLONASS曾與GPS互別苗頭,近年來,歐洲太空總署發展的伽利略系統(Galileo)與中國大陸的北斗衛星計畫(已併入歐洲的伽利略計畫),也想分食這塊大餅。

GPS除了民生、國防的用途之外,在地球科學方面的應用,也有非常大的空間,尤其是近年來應用於地殼變形的監測,更有著不可取代的地位。傳統的三角或三邊測量儀雖然有非常高的精確度,但是由於儀器功能的限制,單次測量距離最遠不能超過10公里,再加上地形的影響,已無法滿足大地測量長基線的需求。而GPS可測得測站三維座標和兩測點之間的基線長度變化,經誤差修正後可達毫米級的精確度,已逐漸取代傳統的大地測量,成為研究地殼變形的新利器。

臺灣最早的GPS觀測網,是由中央研究院地球科學研究所在1990年所建立的「臺灣全球衛星定位系統觀測網」。隨後經濟部中央地質調查所、臺灣大學地質科學系、中央大學地球科學系以及成功大學衛星資訊中心等單位,也開始建立臺灣區域性的GPS觀測網。經過十多年來多次的重複觀測,已能大致了解臺灣現今地殼變形和能量累積的情形。

為了解臺灣和菲律賓呂宋地區板塊邊界的變形情況,中央研究院於1995年11月與菲律賓火山及地震研究所在呂宋地區設立了GPS觀測點。但由於臺灣的斷層密布,而大多數的觀測網點間距有數十公里之遙,所以難以獲知個別斷層的活動情形。

為能即時掌握臺灣地區地殼變形的資訊,中央地質調查所又在2002年進行一個為期5年的全臺灣地殼觀測計畫,主要是建立密集的全球定位系統連續觀測網,每個固定站可全年連續接收衛星資訊,即時掌握地殼的變化。希望藉由密集的GPS測量,並結合高精密的水準測量,估算當前的斷層滑移率,並與地層平均滑移率的紀錄進行比較,以評估個別斷層的地震潛勢。研究人員期待能獲得震前、同震及震後的地殼變形特性,以便更了解地震的震源機制與地殼應變能量的累積及釋放。

GPS的緣起及發展

GPS最初是由美國國防部為軍事定時及定位導航而發展的,可以有效提供全球三維空間位置並決定運動的速率及方向。該系統自1970年代初開始研發,於1978年發射第一顆測時暨測距導航衛星Navstar,從此啟動全球定位系統。歷經十餘年的發展,於1994年初步設置完成,並維持正常運作。

GPS的24顆衛星運行於高度20,200公里以上的軌道上,共有6個軌道面,另有3顆備用衛星也在軌道上運行,以隨時替補發生故障的衛星。GPS衛星每11小時58分繞地球一週,在地球上的任何時間與角落,只要不被遮蔽物掩蓋,都可以接收到4顆以上衛星的訊號,並且不受天候的影響。

GPS的基本觀測原理,是利用太空中已知軌道的衛星位置到地面測站之間的距離,衛星所傳送的訊號不間斷地由接收儀加以記錄,也就是說測站至衛星間的距離,可以由訊號傳送的時間乘上電波的速度決定。假設GPS接收器測出所在位置與3顆衛星之間的距離,則接收器一定位於3個測距球面的交會處。根據幾何學原理,3個球面的交會處最多只有兩個點,最靠近地球的一點就是接收器所在位置。

GPS衛星傳送的訊息有兩種,第一種是導航訊息,包含衛星軌道資訊及送出數據的時間。GPS地面控制站利用已知參考點的GPS追蹤站網路,計算出衛星的時間與空間座標,並把這些訊息傳回GPS衛星,衛星再把這些訊息加到導航訊息中,隨後傳送給所有的使用者。

GPS衛星傳送的第二種訊息是所謂的「虛擬隨機雜電碼」(pseudo-random noise code,PRN碼),這種測距碼是含有獨特模式的數位脈衝,可協助接收器測量所接收訊號的抵達時間,也是精確定位的關鍵。當接受儀接收足夠的衛星資訊後,測站的三維位置,也就是經度、緯度與高度,即可求得。

每一個位置的點都包含點的三維地心座標及接收儀的時錶誤差等4個未知數,因此要得到三維的定位資訊,至少需要4個衛星的觀測資料來進行計算。

分析及蒐集GPS資料

目前臺灣監測地殼變動的GPS測站接收方式,主要有連續接收站和地殼變動監測站二種,連續站每天24小時不間斷地觀測,通常每30秒記錄一筆。地殼變動監測站的觀測方法則是每年選定一段時間進行觀測,每個測站每天的觀測時間大約是6~14小時。

通常在一個測區同一天會同時進行多個測站的觀測,也就是每個測站會在同一時間接收衛星訊號,且每站觀測時間相同。每個測站都會重複進行2~4次以上的觀測,因此野外作業時間會隨著測區大小與測站數目而變,有時需要3~5周,才可以把全臺灣的測點都施測完畢。

板塊移動多快

板塊構造學說自1960年代發展以來,地質學家就對板塊移動的速率與方向有非常大的興趣。早期對板塊運動的描述,主要是靠中洋脊的擴張、古地磁磁條的異常、轉型斷層的方向、洋底岩石的年齡、火山島鏈及熱點的分布和地震斷層的滑動等,來得知兩板塊歐拉極(Euler Pole)的位置和旋轉速率。

根據歐拉幾何學原理,對一球面上的任意曲線,可選擇一條通過球心的軸,經過一次旋轉便可把它變換到球面的任意位置與任意方向。在地球上,這意味著一個表面剛性的塊體,可以繞著一條唯一確定的軸,旋轉一定角度而到一個新的位置上,這條通過球心的軸稱為該塊體的轉動軸或「歐拉軸」。歐拉軸與地面的交點是轉動極,又稱歐拉極。利用各板塊歐拉極的經緯度以及該塊體繞極轉動的角速度,就可以得知該塊體的運動行為。因此,利用歐拉極可以計算兩個剛性板塊間的相對移動速度。

但以上所提的方法都需要有豐富的野外調查及儀器分析資料,使得資料的取得有時會受到相當大的限制。近30年來由於太空測地學的進步,經由GPS與超長基線干涉法(very long baseline interferometry,VLBI)的發展,更能夠精確地觀測板塊運動的速度。利用GPS觀測地面站相對於地球質量中心的移動速度,可以得到板塊相對地心座標移動的尺度,每年最大是10公分左右。

一般而言,GPS觀測圖顯示板塊是剛性的假說大致成立,但是在板塊邊緣或大陸地殼造山帶的變形則是非剛性變形,這可由測站間速度的改變得知。例如印度大陸碰撞到歐亞大陸,在碰撞的邊界造成山脈及高原,同時鄰近板塊邊界的GPS測站也顯示出較大的速度梯度變化。另一個板塊邊界變形帶的著名範例,則是位於菲律賓海板塊與歐亞板塊交界處的臺灣島及菲律賓。

臺灣地殼的變形

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的接合處,二者以每年8.2公分的速度互相靠近,使得臺灣發生顯著的縮短變形作用。以大時間尺度來看,這兩個板塊的聚合速度非常快,使得臺灣島的地震活動頻繁,活動斷層與褶皺構造分布廣泛。中央研究院地球科學所於1989年起建立「臺灣全球衛星定位系統觀測網」,涵蓋臺灣全島及附近各主要離島,並自1990年起每年實施一次高精度全球衛星定位系統測量。

若以澎湖的白沙站為不動的參考站,位於菲律賓海板塊上的蘭嶼和綠島以每年8.2公分的速率朝西北方的澎湖靠近,使得臺灣島大部分地區受到大小不等的擠壓作用。在花東縱谷、新竹以南的西南部平原和麓山帶的測站速度都極為顯著,且其移動方向大多向西北或西移動。至於臺灣北部及宜蘭平原因為受到沖繩海槽的弧後張裂作用影響,在這些地區的測站速度較不明顯,在宜蘭平原呈現往東南方向移動,與臺灣中、南部地區正受到菲律賓海板塊碰撞作用所受大地應力的情形不同。

以臺灣花東縱谷兩側的測站相對於澎湖白沙站而言,在縱谷斷層東側的測站每年向西北移動約6~7公分,而鄰近縱谷斷層西側的測站則每年向西北移動3~4公分,因此跨過花東縱谷斷層每年約有2~3公分的地殼變形縮短量。

集集地震時的位移

集集地震造成沿車籠埔地表約100公里長的破裂,斷層兩側瞬間位移量達數公尺,導致建築物的損毀和人員的傷亡。為了解集集地震後的詳細地殼變化情形,各研究單位立即展開全球衛星定位的測量。比較震前與震後的資料,得知集集地震的同震範圍相當廣,包括苗栗以南、嘉義以北的地區,從西海岸到東海岸都有顯著的位移。根據地震後的資料顯示,車籠埔斷層南段約有3公尺的壓縮量,且往北逐漸增加,至車籠埔附近已達8公尺。

整體而言,車籠埔斷層是一逆斷層,也就是在斷層傾斜面上方的上盤相對於斷層面下方的下盤有相對的抬升現象。因此車籠埔斷層西側的測點(位於斷層下盤),主要往東方或東南方移動,而斷層東側的測點(位於斷層上盤)則往西北方移動。雖然GPS測得的高程誤差較水平的大,但由於集集地震所造成的位移量非常大,利用GPS所測得高程變化的趨勢也可代表斷層作用造成的地殼垂直變位的趨勢。

在車籠埔斷層東側上盤呈現上升現象,而西側下盤則普遍下降,在三義——東勢——埔里地震帶西南側的點位都呈現上升的情形,而在東北側的點位則呈現不動或少量下降的情形。東側上盤抬升量向東急遽減小,距斷層線約15公里以東的日月潭及埔里——霧社地區已轉為下陷。斷層下盤都呈下陷現象,最大者位於斷層線附近達0.3公尺。埔里的虎子山是原本臺灣地理座標的起算原點,經這次地震已有2.3公尺朝西北方的水平位移及0.6公尺的下陷量。

發展前景

地殼變形與地震的醞釀是研究大地活動構造的重要課題,需要有先進的大地測量技術,提供大尺度、整體性、高精度的地殼變形觀測資料。

地殼各塊體相對運動的不均勻性,或是活動構造帶累積變形孕育了地震。強震引起的應變釋放又在相當範圍內調整地殼局部變形狀態。地殼變形的累積、釋放和調整是孕震研究上需要釐清的課題。因此地殼變形量的估算和活動斷層活動性的評估亟待高精度的監測,以進一步建立斷層活動的變形行為。在地震研究領域,各國都充分利用GPS快速發展的技術。

臺灣地區斷層密布,想要監測地殼變形,布設密集的GPS觀測網是一個可行的方法。目前中央研究院已在全臺設置GPS的連續追蹤站,臺灣大學地質科學系以及中央地質調查所也積極從事GPS地殼變形的定期或不定期監測。2003年12月10日規模6.6的成功地震,永豐國小及富南國小的測站於主震發生前記錄到前震滑移的現象,未來希望能夠購買即時解算軟體及觀測大氣水汽的輻射儀,以增加觀測的精度及地震前兆的預測能力。

臺灣大學地質科學系及成功大學地球科學系於2003年12月在池上地區建立跨過海岸山脈與池上斷層的5個連續GPS與地震儀共架的測站,這5個測站結合高靈敏地震儀,嘗試觀測池上斷層潛移現象所產生的微小地殼變形及所引起的微震特徵,並了解斷層面無震滑移或「鎖住」的深度,將有助於了解池上地區的地震潛勢。未來也會嘗試利用1 Hz GPS 資料觀測大地震的「滑移前兆」。
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