我們的海洋:海洋中心耍新機

 
2017/08/02 陳建勳 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
尤柏森 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
林佩瑩 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
謝宗霖 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
陳鼎仁 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
陳婷婷 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
葉一慶 | 中央大學地球科學系
台灣自製海底地震儀「庭園鳥」在海上布放的情形 震測系統探勘原理示意圖 海洋中心長支距多頻道震測系統配合研究船海上作業示意模型 海洋中心的岩心探採作業
  • 台灣自製海底地震儀「庭園鳥」在海上布放的情形
  • 震測系統探勘原理示意圖
  • 海洋中心長支距多頻道震測系統配合研究船海上作業示意模型
  • 海洋中心的岩心探採作業
 

海洋地質和地球物理是有點神祕感的學科,是了解海水底下的地層、地形、構造及其組成,還有海洋及地球形成的歷史。

 

我們對海洋地質的了解與新型探測儀器的出現息息相關。第一次與第二次世界大戰期間聲波測深儀的改良、拖魚式地球磁場量測,搭配高精度的衛星定位系統,開創了探測海洋地球物理的領域。除了揭露海底地形、中洋脊及其破裂帶與海床磁力條帶等壯觀的地球結構,增進人類對海床構造及演化歷史的理解外,也大量應用在海域油藏、礦產調查及天然資源調查上。

 

近年來,由於極端氣候事件與災害性地震頻傳,地球物理學家逐步把原先的探測技術應用於海底天然災害調查、危害度推估與分析等。為了支援政府對海域國土資訊蒐集及學術研究,台灣海洋科技研究中心(海洋中心)逐年建置三維空間地質地物測繪及分析能力,並透過整合海洋地球物理探測方法、表層海底沉積物及海洋岩心的採樣分析技術,建構四維尺度的探測分析能力,以期深入了解台灣周邊海域的底質與地層構造特性。

 

靜謐的深海隱者

 

在神祕未知的海洋中,一台台的儀器放置在一片寂靜的海床上,頂著強大的水壓認真記錄每個所能記錄到的寶貴地震資料,直到電力耗盡,這就是靜謐的深海隱者 ─ 海底地震儀的工作狀態。

 

地球內部活動所造成的地震是常見的自然災害,藉由地震產生的震波訊號,可以深入了解地球內部的構造與活動機制,進而降低地震活動可能造成的災害。在地表上監測地球活動所產生的地震訊號,如同使用聽診器傾聽身體內部的狀態一般,科學家拿著聽診器(地震儀)聽地球內部活動所產生的聲音(震波),透過地震波的傳遞特徵分析地球內部的構造與狀態。

 

在陸地上的地震研究已行之有年,成果斐然,提供了成熟穩定發育的造山運動或隱沒板塊構造資訊。然而,受限於地震測站的架設密度,近年開始思考如何延伸到以往無法進行地震觀測的地方,如海洋區域。

 

海洋相較於陸地區域在地球上所占的比率多了兩倍多,又因為年輕活躍的板塊活動導致多數的地震發生在海洋下方,所以若能在海洋區域利用地震儀觀測,將更能直接而有效地蒐集海底地震資料,進一步了解海底地體構造,揭開地球內部面貌和增進對板塊活動機制的了解,並有利於地震與海嘯預警警報發布系統的建置。

 

但受限於海洋環境因素,在深不可測的海洋底部進行與陸地上一樣的地震觀測談何容易,太多難度高於陸地觀測的問題要解決,如深海水壓、電子儀器如何在海水中運作、儀器電力如何持續供應等。經過多年努力,台灣的海底地震儀研發已進入成熟階段,克服了深海水壓、氣密防水等嚴峻且惡劣的環境考驗,以及如何在有限的電力下維持良好運作。由海洋中心、中研院地球科學所與中山大學海下科技研究所共同研發的海底地震儀,已能在數千公尺水深下蒐集長達約一年半的地震資料。

 

海底地震儀的探測任務主要藉由科學研究船行駛到預計投放的站位後,布放海底地震儀。在釋放器脫勾後,海底地震儀開始下沉至海床上,待感震器直接接觸海床後,開始接收地震波與海床震動信號。

 

由地震或人工震源產生的震波,從震源進入地球內部後傳到儀器所在的海床由海底地震儀記錄,透過地震震波就可了解地球內部的構造。同時,利用地震波走時的差異推估地殼構造,如地殼深度、厚度或莫荷面(地殼與地函交界面)深度等。若能了解其地質特性、構造活動、高速帶與低速帶的分布及演化過程,對潛藏的地質資源開發及環境保育助益甚大。

 

對於地震災害,海底地震儀也能提供相當的幫助。例如,2004年南亞大海嘯與2011年日本仙台海嘯導致部分城市遭受大規模破壞,上述的海嘯可能由海底地震、海底山崩滑移或海底火山爆發所造成。若能透過海底地震儀接收到地震波資訊,可精準推估地震發生的位置,了解海域的地震分布情形及斷層或破裂帶走向,進而評估地質災害發生的危害程度。

 

海底的斷層掃描

 

醫師欲精確診斷病人的病因需要借助超音波、斷層掃描、核磁共振等精密儀器。原理是向人體發射經過設計的電磁波(即震源),電磁波接觸到人體內部結構後會反射回接收器,即時處理後可得到人體內部的立體影像,醫師透過影像解讀得以精確判斷可能的病因。

 

探測地球的結構,尤其是跟人類生活息息相關的從地殼到上部地函的細部結構,實際上所應用的方法與醫師應用影像技術診斷病人類似。但由於地殼平均厚度達8(海洋地殼)~40公里(大陸地殼),要穿透這些地層需要製造小型人工地震才可達成。

 

在陸地上,一般使用振盪式震源車或炸藥產生震源。在海域,因為震源需穿透海水層,所以是利用高壓空氣鎗瞬間壓縮海水的方式產生震源,以聲波的型式穿透海水層後進入地層,並在接觸到不同地層界面時,以反射的方式回到海水層。這時海水的壓力會產生些微的變化,而這些變化會被拖曳在研究船後方的受波器浮纜所接收,經過轉譯及資料處理後得到地層的剖面圖。科學家就可分析這些資料來診斷地層,得知活動斷層、石油與天然氣儲藏構造及隱沒帶、孕震帶構造等資訊。

 

近年來,因為災害性地震頻仍與極端氣候引發海底地質災害,所以海洋中心購置新一代具備能源探勘能力的長支距多頻道震測系統。這系統由3大部門組成:雙陣列式震源,以16支空氣鎗混合編成,最大可瞬間產生3,200立方英寸容積的高壓空氣;導航系統,以海面即時動態定位方式即時測定震源及受波器浮纜的幾何位置,精確提供探勘目標的空間幾何位置;數位式資料記錄系統,包含最大可接收480波道,總長度6公里的固態式受波器浮纜,以及中央數位震測資料管理暨記錄系統。

 

海洋中心為測試系統效能並建立自主探勘能量,分別於2015年及2016年租用海事工程平台船在西南海域作業,2015年完成系統整合測試,2016年更完成中心自主布放約1.5公里長的受波器浮纜,並沿航線蒐集約60公里長的震測資料。待中心所建置的2,000噸級「勵進」研究船回台服役後,就可進行台灣周邊海域地質資源與災害的精密調查,除可支援學術研究外,更可供政府機關進行海域國土規劃的參考。

 

長岩心採樣

 

當「回到未來」時光機重返距今約莫兩萬年前末次冰期鼎盛期,這時全球平均海平面較現今下降約120公尺,現在黃海、渤海、台灣海峽一帶的淺海陸棚出露於海面,台灣海峽的地形地貌與沉積物可輕易地一窺究竟。

 

回歸現實的當下,在環繞台灣的這一片湛藍海洋中,沉積物採樣設備如同時光機,把過往層層堆疊於海底的沉積物重新帶回現在。而這採樣設備的能力表示探取的海洋沉積物長度,更意味著時光機可回溯的時間遠近。依據由淺至深的採樣能力,國內海洋研究船上的海洋沉積物採樣設備可區分為抓泥器(近表層沉積物)、箱型岩心(長度60公分)、重力∕活塞岩心(沉積物長度9公尺)、20公尺長岩心採樣系統等。

 

有鑒於國內海洋岩心採樣能力有限,沉積物平均長度少於6公尺,為提升國內海洋岩心探取技術與作業能量,海洋中心透過各航次的試煉,並參考國外研究船的作業模式與實際登船經驗,完成了一連串海洋岩心探採技術的精進。以開放式甲板作業為始,轉變為溫鹽深測定儀軌道作業,而以岩心軌道車作業作終,除了提供安全的甲板作業外,更提供了高品質的海洋岩心紀錄。

 

2014年9月,更持續挑戰長岩心採樣作業。這套設備是國內研究船首次獨立自主操作的大型岩心採樣設備,國內科學家對於這套設備並不陌生,自1997年以來,在國科會(現今的科技部)整合型計畫與經濟部地質調查所規劃下,國內學者使用裝置於法國研究船R∕V Marion Dufresne上的這套設備,成功完成台灣周邊海域(東海、南海、西赤道太平洋)6個岩心探測航次,共取得60支巨型活塞岩心。

 

2014年9月1~4日ORV−1414航次,再次造訪高屏海底峽谷至枋寮海底峽谷一帶,進行海底地形地貌、底質調查與巨型岩心探取,以了解地震所引起的邊坡不穩定或沉積物液化後造成崩塌所引發的濁流事件。這次探測範圍涵蓋東經120.3~120.7度,北緯22~22.3度,並特別挑選枋寮海底峽谷上部至下部環境,共執行4個站位的巨型重力岩心探取作業。

 

這設備可採樣的岩心管徑(11公分)是目前國內最大的,其採樣量約為國內小型岩心採樣器(管徑6.6公分)的2.7倍,應能滿足國內學研界分析所需。航次後針對船上設備與岩心採樣流程進行修正與微調,以取得更高回收率的岩心樣本。另一方面,對於所取得的海洋岩心進行基本分析,以了解枋寮海底峽谷內沉積物的時空變化。

 

這項岩心技術的精進歷程與成果,有助於未來在台灣周遭海域、淺海至深海環境的海洋地質災害調查。這類台灣海洋變遷研究與海洋地質災害長期觀測的科學材料,透過海洋岩心庫的非破壞性分析技術,如多重感應元岩心記錄器量測、岩心影像、可見光反射色、岩心描述等,得以重建海洋沉積物重要的基本資料。

 
瀏覽人次:404
 
 
 
熱門標籤