清水地熱區淺層構造之透地雷達測勘

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(1)國立臺灣師範大學. 地球科學系碩士論文. 指導教授：鄭懌博士. 清水地熱區淺層構造之透地雷達測勘. GPR imaging of a shallow structure in the Chingshui geothermal field. 研究生：林旂萍中華民國一零一年七月.

(2) 致謝首先恭喜自己過了一關了，恭喜今年畢業的我們論文和口試都成功了，我一直都覺得在我的成長的過成程中，充滿著好幾個關卡，過每個關卡花的時間都不一樣，那這一關整整花了我三年。不過這一路上我都很幸運的碰到好多好多幫忙我完成這個關卡的人，在這裡我真的好謝謝你們：很謝謝親愛的鄭老師，你讓我研究所三年所學到的不只我們的專業，還有其他的做人處事，也聽了很多好聽又實用的故事；也非常謝謝所有的研究室夥伴們，尤其是可愛的鈴媛，我們相依為命了三年；以及旂旂口試時在後面冒險比手畫腳的學長學姐們，旂旂真的感受到無與倫比的感動：駿哥學長謝謝你在我每次失落沒信心的時候都可以看見你給旂旂的打氣；志松學長謝謝你無時無刻都讓我這個愛抱佛腳的學妹去八樓問問題；逸偉學長謝謝你讓我體驗可愛的微教師生涯以及正確的地科觀念；小旻學長謝謝你的好多冷笑話，我會特別注意奶茶上面的字都是受你的影響呢；可愛的佩欣學姐謝謝你幫我帶泰山的課讓我順利完成我的論文；好同學楚琳謝謝你送的 Allpass 符和借我地質、海洋學課本，每次作業無法如期做出來都還好有你檔著；謝謝立展學長、信翰學長、松芝、Shivanivm 學妹、超宇學弟等每位實驗室的夥伴；謝謝口試委員給我的寶貴意見；謝謝系上行政人員和授課的老師們；以及最後謝謝我最愛的爸爸媽媽、林欣儀、林俊.

(3) 佑、林郡哲，謝謝你們大家．.

(4) 摘要 I. 摘要. 隨著透地雷達透地雷達（ground penetrating radar，簡稱 GPR）之軟、硬體不斷的發展，透地雷達技術以其非破壞性之探測、高分辨率又直觀的圖像以及準確的解釋成果等優點逐漸被人們所熟知和認可，並被廣泛地應用於工程測勘，尤其近幾年來，透地雷達應用於地下水位調查、海水入侵調查、裂隙調查等含水區領域已有不少成功的範例。雖然應用領域日益廣泛，但較少研究將透地雷達應用於溫泉區域。本研究將透地雷達應用於清水地熱區，使用 50 MHz 分離式透地雷達對清水地熱區做淺層測勘，利用雷達波反射信號在剖面的形態來判讀地熱區淺層之結構。但透地雷達使用上經常遇到人為與環境影響而引起干擾信號，俗稱雜信(波)，而雜信會造成對於原始波形特徵的辨認及原始信號內部蘊含資料的擷取造成困擾。本研究為了去除地質雷達探測過程中出現的水平雜信事件(events)，在傳統線性濾波技術的基礎上，以不遺失原始信號所含有資訊為前提，將（finite impulse response，簡稱 FIR）和（infinite impulse response，簡稱 IIR）濾波器相結合，提出了一種去除水平雜信之流程，其中除了利用反褶積處理方法獲得預測值與實際測量值之間的相關係數外，也根據其相關係數. I.

(5) 摘要 II. 合併進行其他傳統線性濾波方法加以處理，並提供實現去除水平雜信的流程圖。最後將此流程應用於實際探測清水地熱區的透地雷達數據中，結果表明該方法亦能有效去除水平雜信，其結果令人滿意。. 關鍵字：清水地熱、地熱、GPR、透地雷達、IIR、FIR。 II.

(6) 目錄 III. 目錄摘要…………………………………………………………………………..…I 目錄………….……………………..…………………………………….…...III 圖目…………………………………………………………….……………...V 表目………………………………………………………………………....VIII 第一章序論……………………………………………………………….…1 1-1 研究動機……………..……..……..…..…….…………….….…1 1-2 研究方法…………………..………………….………………....2 1-3 前人研究…....……………………………………..…..............…3 1-4 本文介紹…....……………………………………..…..................4 第二章區域背景介紹………………….………..…………………………..5 2-1 引言…....……………...………………….....…............................5 2-2 透地雷達簡介……….…………….……………….……….…..5 2-3 地熱的用途………………………………………….….……...17 2-4 清水地熱開發…………………..…………………..….……... 19 2-5 清水地熱未來的發展…………..…………………….…..……24 第三章理論基礎…………………………………..……………….....……26 3-1 引言………………………………………………………..……26 3-2 透地雷達簡介………………………..….……………..……….26 3-2 資料處理流程…………..……………..….…………………….28 3-3 電磁理論………………………………..…...………………….30 3-3.1 電磁波特性……………….……………..…...….....…….30 3-3.2 地層電性參數…………….……………..…...….....…….33 III.

(7) 目錄 IV. 3-3.3 透地雷達解析能力……….……………..…...….....…….38 3-4 傳統濾波方法………………………..…...………….……..…..40 第四章野外測勘及資料處理流程…………………….…………..……........42 4-1 測勘儀器及野外測勘程序…………………….……....…..........42 4-1.1 測勘儀器……………….…………………....….....…..….43 4-1.2 野外測勘程序…………………………………...….…….45 4-1.3 參數設定………….………………………………….…..47 4-2 資料處理流程…………………………………………..……….49 第五章野外測勘及資料處理流程…………………….………………..........72 5-1 引言…………………………………………….……...…...........72 5-2 透地雷達於清水地熱區收集資料……………….…….………73 5-3 透地雷達於清水地熱區資料分析討論……….…….…...…….74 第六章結論………………………………….…………………………..........81 參考文獻……………………………….…………………………………......82. IV.

(8) 目錄 V. 圖目圖 2.1 經濟部中央地質調查所之台灣地質全圖…………………………...11 圖 2.2 宜蘭縣地質圖……………………………………………………..…..12 圖 2.3 清水地熱之鄰近地質圖………………………………………………13 圖 2.4 本研究區域之衛星圖…………………………………………………13 圖 2.5 清水地熱區域地層線性構造方向與分布區域……………………....14 圖 2.6 本研究區方位之南北向一景…………………………………………14 圖 2.7 本研究區方位之東西向一景…………………………………………15 圖 2.8 本研究區儀器擺設點與五條測線圖…………………………………15 圖 2.9 深部地熱水沿地層破裂面流至地表的現象圖………………………16 圖 2.10 地熱區附近地層的滲水常見褐色的鐵質沈澱物圖..………………16 圖 2.11 清水地熱系統示意圖……………………...........................…………18 圖 2.12 清水溪河床上噴氣孔圖…………………..........................…………21 圖 2.13 廢棄的清水發電廠圖…………………..........................……………21 圖 2.14 清水地區等溫線分佈圖.………………..........................……...……22 圖 3.1 常見透地雷達施測方法圖………..………………………………….28 圖 3.2 雷達波傳遞示意圖……………………………………………………28 圖 3.3 反射係數示意圖………………………………………………………36 圖 3.4 夫瑞奈帶示意圖………………………………………………………39 圖 4.1MALÅ ProEx 透地雷達系統全圖………………………..…….…...44 圖 4.2ProEx 主機單元圖…………………………………………….………45 圖 4.350MHz 分離式天線進行等支距測勘時之固定式安裝圖……….......45 圖 4.4 本研究之野外測勘程序結構圖…………...…..……………….……..47 圖 4.5 資料處理流程圖……………………………………………….….…..50 圖 4.6 第一條測線之原始資料圖………………………..…………………..51 圖 4.7 第二條測線之原始資料圖………….………………..…………..…..52 V.

(9) 目錄 VI. 圖 4.8 第三條測線之原始資料圖………….………………..…………..…..52 圖 4.9 第四條測線之原始資料圖………….………………..…………..…..53 圖 4.10 第五條測線之原始資料圖………….…………..…..…………..…..53 圖 4.11 第一條測線經背景移除後之處理圖.………………..………..……54 圖 4.12 第二條測線經背景移除後之處理圖.………………..………..……55 圖 4.13 第三條測線經背景移除後之處理圖.………………..………..……55 圖 4.14 第四條測線經背景移除後之處理圖.………………..………..……56 圖 4.15 第五條測線經背景移除後之處理圖.………………..………..……56 圖 4.16 第一條測線經帶通濾波器之處理圖.………………..………..……57 圖 4.17 第二條測線經帶通濾波器之處理圖.………………..………..……58 圖 4.18 第三條測線經帶通濾波器之處理圖.………………..………..……58 圖 4.19 第四條測線經帶通濾波器之處理圖.………………..………..……59 圖 4.20 第五條測線經帶通濾波器之處理圖.………………..………..……59 圖 4.21 第一條測線運用反摺積方法之處理圖.………..……..……………61 圖 4.22 第二條測線運用反摺積方法之處理圖.………..……..……………61 圖 4.23 第三條測線運用反摺積方法之處理圖.………..……..……………62 圖 4.24 第四條測線運用反摺積方法之處理圖.………..……..……………62 圖 4.25 第五條測線運用反摺積方法之處理圖.………..……..……………63 圖 4.26 第一條測線經水平濾波之處理圖.……………..……..……………64 圖 4.27 第二條測線經水平濾波之處理圖.……………..……..……………65 圖 4.28 第三條測線經水平濾波之處理圖.……………..……..……………65 圖 4.29 第四條測線經水平濾波之處理圖.……………..……..……………66 圖 4.30 第五條測線經水平濾波之處理圖.……………..……..……………66 圖 4.31 第一條測線經信號移位方法之處理圖.…….………..……..………68 圖 4.32 第二條測線經信號移位方法之處理圖.…….………..……..………68 圖 4.33 第三條測線經信號移位方法之處理圖.…….………..……..………69 圖 4.34 第四條測線經信號移位方法之處理圖.…….………..……..………69 VI.

(10) 目錄 VII. 圖 4.35 第五條測線經信號移位方法之處理圖.…….………..……..………70 圖 4.36 異常物之雷達波信號示意圖.…….…………………..……..………71 圖 4.37. Text 格式開啟結果圖.……….….…………………..……..………72. 圖 5.1 第一條測線未經水平濾波之處理圖………………...…………….....76 圖 5.2 第一條測線經傳統線性濾波之處理圖………………...………….....76 圖 5.3 第二條測線未經水平濾波之處理圖………………...…………….....77 圖 5.4 第二條測線經傳統線性濾波之處理圖………………...………….....77 圖 5.5 第三條測線未經水平濾波之處理圖………………...…………….....78 圖 5.6 第三條測線經傳統線性濾波之處理圖………………...………….....78 圖 5.7 第四條測線未經水平濾波之處理圖………………...…………….....79 圖 5.8 第四條測線經傳統線性濾波之處理圖………………...………….....79 圖 5.9 第五條測線未經水平濾波之處理圖………………...…………….....80 圖 5.10 第五條測線經傳統線性濾波之處理圖……………...………….......80 圖 5.11 透地雷達於施測時儀器離地距離圖………………...………….......81 圖 5.12 透地雷達於施測時與基盤高度距離圖………………...……….......81. VII.

(11) 目錄 VIII. 表目表 2.1 本研究測區由老至新之地質概況表………….……………………...6 表 2.2 中油公司於清水地熱區之七口深井資料表…….…………………...23 表 3.1 典型的電阻率及相對介電常數表……………….…………………...37 表 4.1 天線頻率與穿透深度關係表………………………………..………..46 表 5.1 本研究之五條測線所使用之參數表………………………..………..74. VIII.

(12) 第一章緒論 1. 第一章緒論. 1-1 研究動機. 傳統探測地熱區最直接的方法多為破壞性調查如鑽井，而非破壞性的文獻大多於使用大地電磁法(Magnetotellurics)簡稱 MT，如 Bai （2001）、Gianni Volpi（2003）以及 Harinarayana（2006）等研究；而透地雷達應用雖已成功應用於地下水位調查、海水入侵調查、裂隙調查等含水區，但將透地雷達應用於溫泉區的相關文獻卻非常少。在相關文獻非常稀少的情況下，本研究將透地雷達應用於清水地熱區做野外案例探測，並將蒐集到之透地雷達資料利用傳統線性濾波方法進行處理，而因透地雷達使用上經常遇到人為與環境影響而引起干擾信號，由於雜信會造成對於原始波形特徵的辨認及原始信號內部蘊含資料的擷取造成困擾，本研究目的希望能在傳統線性濾波技術的基礎上，去除地質雷達探測過程中出現的道間水平干擾信號，並能提出資料處理流程步驟與解釋供參考，再利用雷達波反射信號在剖面的形態來判讀地熱區淺層之結構與區分出沉積物與基盤之介面等，讓透地雷達應用能更上層樓，結果與討論供後人再予以規劃，期許往後能讓地熱區做更有效的利用。. 1.

(13) 第一章緒論 2. 1-2 研究方法. 本研究主要利用 RADAN 與 MATLAB 等軟體為計算與繪圖工具，對清水地熱區野外案例之透地雷達資料進行處理。本研究先使用透地雷達 RADAN 軟體進行傳統線性濾波分析，其中軟體所提供之線性濾波器可以分為無限脈衝響應（infinite impulse response，簡稱 IIR）和有限脈衝響應（finite impulse response，簡稱 FIR）濾波器兩類，利用試誤法找出最適之參數設定並合併其他改善資料品質方法後輸出並轉檔，再利用 MATLAB 軟體繪圖後進行分析。. 1-3 前人研究. 透地雷達的發展自二十世紀初，由德國工程師 Christian Hulsmeyer 依據十九世紀 1880 年代同為德國之物理學家 Heinrich Hertz 的電磁輻射實驗，製造出雷達偵測儀與航海儀，此為透地雷達之前身 (Hulsmeyer, 1904) 。由於透地雷達波在冰層中所受的阻抗較小，衰減極少，因此透地雷達對冰層內構造物的探測效果極為顯著，在此條件下，近北極圈的國家，如瑞典、加拿大等國，因有大量的冰河覆蓋地形，於是 1930 年代開始應用原型 (prototype) 透地雷達做地 2.

(14) 第一章緒論 3. 質探勘 (Neal, 2004)，透地雷達的使用領域也因此逐漸明朗。除在地質上，一些特殊的專業領域，如考古遺址調查、刑事案件偵查、地雷、未爆彈探查等，透地雷達的功效也逐漸受到人們的重視 (Nuzzo et al., 2002; Sato et al., 2004; Chen et al., 2011)。. 本研究使用的方法為傳統的反射剖面信號型態分析，與反射波速分析。此種方式的研究雖然傳統，但是可研究的範圍依然很廣泛，像是地下以及結構物內的空洞研究 (Chamberlain et al., 2000; McMechan et al., 2001; Xu et al., 2010)，油汙、農藥或是非液體污染的探測 (Carcione et al., 2000；吳明儒, 2001)、傳統地質構造界面與破裂面的探測 (Avila-Olivera and Garduño-Monroy, 2008; Dentith et al., 2010; McClymont et al,. 2010)、地下水層之探測(Clement et al., 2006) 地下管線的探測 (徐亞明與劉宗星, 2004; Lester and Bernold, 2007)，地下室定址 (Dabas et al., 2000)、以及考古調查 (Da silva Cezar et al., 2001; Whiting er al., 2001)、地雷探測 (Butler et al., 2006)等研究。在透地雷達訊號處理之基礎上所衍生的各種信號加強、反演、濾波等方法 (唐周宜, 2002; 賴以平, 2005; Jeng et al., 2011) 皆有助於反射剖面資料判讀的研究。. 3.

(15) 第一章緒論 4. 1-4 本文介紹. 本研究共分為六章，第二章將介紹宜蘭清水地熱區之區域相關地質背景，第三章將說明透地雷達相關理論基礎，第四章將闡述野外測勘規劃以及資料處理流程，最後於第五章與第六章呈現資料處理結果與本研究最後結論，重點在資料處理與分析。. 4.

(16) 第二章區域背景介紹 5. 第二章區域背景介紹. 2-1 引言. 根據工業技術研究院的調查，台灣的地熱潛能最高的地點在宜蘭清水和土場、南投廬山、花蓮瑞穗、台東金峰和金崙等地，而理想的地熱區要有充沛的水源與熱源，宜蘭清水地區看似兩者皆備，但地下熱源與水源的傳遞與地質構造關係密切，以下將敘述前人對宜蘭清水地區地質的調查結果以及地熱能源的用途。. 2-2 清水地熱區地質介紹. 本文研究地區是位於台灣東北部的宜蘭縣清水地熱區，其中台灣地質全圖如(圖 2.1)所示，本研究所屬宜蘭清水地熱區位於宜蘭縣大同鄉東北端地區，其宜蘭縣地質圖顯示此區主要屬脊樑山脈北段的變質岩層區(圖 2.2)，其中清水地熱位於中新世盧山層的板岩內（圖 2.3），下表 2.1 所大略敘述測區由老至新之地質概況並於以下做詳細說明。. 5.

(17) 第二章區域背景介紹 6. 時代. 地層. 岩性. 全新世. 沖積層. 礫石、砂、泥. 中新世中期. 盧山層. 硬頁岩、板岩或千枚岩夾變質砂岩之薄互層. 漸新世晚期. 乾溝層. 硬頁岩、板岩夾變質砂岩. 始新世至漸新世四稜砂岩. 厚層變質砂岩. 始新世. 西村層. 硬頁岩與變質砂岩之薄互層. 始新世. 中嶺層. 硬頁岩或板岩偶夾薄層變質砂岩. 表 2.1 本研究測區由老至新之地質概況表(參考自何春蓀, 1975 五十萬分之一臺灣地質圖並整理)。. 東澳片岩－年代屬古生代晚期，此層由(林啟文和林偉雄, 1995)編繪三星圖幅時所命名，標準剖面位於蘇花公路上，本層下部以石墨片岩或雲母石英片岩為主，有時夾薄層綠泥石片岩；中段為變質燧石層夾些許透鏡狀綠泥石片岩；上部以石墨片岩為主，含薄層的綠泥石片岩，及兩層約 50 至 70 公尺厚與數層薄層之大理岩，由於岩層受強烈變形作用，厚度不易量測，估計可能超過 1000 公尺。本層與武塔片岩可能為相當層位，而位於南澳嶺片岩(林啟文與林偉雄, 1993)之下，本層的上覆地層為南蘇澳層，可能以斷層相接觸。地層對比上的關係本層相當於太魯閣層的一部分 (Yen, 1960)。 6.

(18) 第二章區域背景介紹 7. 南蘇澳層－年代介於始新世至漸新世，在標準剖面本層下部以厚 40 至 250 公尺之白色片狀粗粒長石砂岩與板岩為主，單層砂岩的厚度小於 2 公尺；上部以板岩為主，偶夾千枚岩、薄層片狀砂岩與石灰岩，並含變質輝綠岩岩脈。本層並未完全出露，分佈區由蘇澳南方蘇花公路及海岸向西延伸，經南蘇澳山、小帽山至南澳北溪中游轉向西南方向延伸，可能為銅山斷層所截。另外，在南澳北溪上游至翠峰湖之間亦有出露。本層露部分的厚度約 500 至 700 公尺。乾溝層－年代屬於漸新世晚期，分佈於蘭陽溪西北側，以及南勢溪上游地區，在梵梵溪則出露於向斜軸部，本層以硬頁岩或板岩為主，偶夾薄層之細砂岩，岩層中有發育良好的劈理。在破礑溪中，岩性以硬頁岩為主；在崙埤溪，岩性以硬頁岩或板岩為主；在松羅溪及棲蘭一帶，岩性則以板岩為主，有愈向南，板劈理愈發達之趨勢。廬山層－形成年代約於中新世，廬山層在早期所用的地層名稱有下部板岩系或廬山階(張麗旭, 1974)。下部板岩系非一正式的地層名稱，其泛指中央山脈脊樑地區所出露的板岩地層；廬山層則由時代地層廬山階演變而來(何春蓀, 1975)，其標準剖面在南投縣廬山溫泉附近。本岩層以板岩或硬頁岩為主的地層，雖然中油公司將本層由下而上細分為古魯段、清水湖段與仁澤段(曾長生, 1978)。 7.

(19) 第二章區域背景介紹 8. 廬山層－清水湖段，分佈在清水湖地區、蘭陽溪東南岸與蕃社坑溪以東區域。以厚層灰黑板岩為主，有發育良好的板劈理。在寒溪北方 1 公里的番社坑溪左岸，本段中出露數公尺的鈣質砂岩在梅花湖及其西側，出露板岩夾數層約數公尺厚之砂岩。在碼崙溪下游，以厚層板岩為主；在清水溪下游、田古爾溪下游與土場附近，均以厚層板岩為主，偶夾薄層或透鏡狀砂岩。另外，在平元林道 5.5K 與 8.5K 至 10.5K 出露一約三百公尺厚以厚層砂岩為主的岩層，為構成三星山山脊的主要岩層，由於在翠峰湖北側林道上此厚度變薄，地調所報告中推測為一砂岩透鏡體。本岩段的下限或未出露或為斷層所截，但由岩層包絡面的估計，其厚度在 1500 公尺以上。在本段中發現些有孔蟲化石，推測本段的時代可能為中新世中期(張麗旭, 1974)。廬山層－仁澤段，分佈區域在仁澤沿東北方向延伸至清水溪中游地區。岩層岩性以淺灰色至灰色硬頁岩，或硬頁岩與薄層變質砂岩的互層為主。在標準地點仁澤溫泉附近、碼崙溪中游、田古爾溪與土場溪下游，以硬頁岩與砂岩的薄互層，或硬頁岩偶夾薄層細粒砂岩為主，互層中砂岩與硬頁岩的比例在 1：1 至 1：3 之間，岩層中有廣泛的等斜褶皺。在燒水溪上游，以硬頁岩與砂岩的薄互層為主，砂岩層的厚度在 5 公分以下。在清水溪下游，亦以硬頁岩與砂岩的薄互層為主，並出露許多砂岩岩脈與崩移構造，. 8.

(20) 第二章區域背景介紹 9. 主要的崩移構造為崩移褶皺與獨立岩塊。本岩段的上限未出露，且岩層中等斜褶皺分佈廣泛，由包絡面的估計其厚度在 1200 公尺以上。沖積層－年代是全新世。分佈於蘭陽溪中游、清水溪中下游及南澳北溪上游。岩性主要為變質砂岩與板岩所構成的之礫石與砂。各地厚度不一，蘭陽溪的沖積層可能超過 100 公尺。上述為清水地熱區基本岩層，衛星圖顯示於(圖 2.4)，圖中紅色框部分為本研究施測區，另外於構造上，本區有三個主要斷層與一個小斷層分布(圖 2.5)，主要斷層為西邊的牛鬥斷層與清水溪東南區的古魯斷層，以及於清水溪溪谷中，林啟文和林偉雄, (1995)於三星圖幅中敘述有清水溪斷層沿著該溪谷推測與此區溫源有關，而清水西南側另有翠峰湖斷層，於以下做詳細說明。測區方位顯示於(圖 2.6)與(圖 2.7)，本研究之儀器擺設點與五條測線圖如(圖 2.8)所示牛鬥斷層位於西北邊，沿蘭陽溪溪谷呈東北-西南走向，在英士、芃芃溪一帶是四稜砂岩和盧山層的重要邊界，斷層出牛鬥後進入蘭陽溪河谷沖積層內，約略延伸到清水溪口附近，但斷層往東方向則可對比於蘭陽平原的地震活動帶，就地理位置而言，芃芃溪上的溫泉恰位於此斷層附近，因此該溫泉的形成可能跟牛鬥斷層有關。古魯斷層位於東南邊，呈東北-西南走向沿羅東溪分佈，並切穿數個背斜構造，羅東溪上的寒溪溫泉位在斷層線上，應與此斷層有關。 9.

(21) 第二章區域背景介紹 10. 清水溪斷層呈西北-東南向沿清水溪發育，清水地熱即位在清水溪斷層上，地熱區的地層為一大背斜構造，背斜兩翼往高山方向延伸，地層傾角大都在 50 度以上，高傾角有利於地下水由地表滲入深部，被加熱的地下水再沿斷層帶流回淺部，這是一般對清水地熱形成原因的推論，來自深部的地下水通常含有較高的的礦物質（圖 2.9），從地熱區附近地層的滲水常見褐色的鐵質沈澱物來看（圖 2.10），林啟文和林偉雄, (1995)於三星圖幅中所敘述地熱成因的推論是合理的。. 10.

(22) 第二章區域背景介紹 11. 圖 2.1 台灣地質全圖 (資料來源:經濟部中央地質調查所網站)。 11.

(23) 第二章區域背景介紹 12. 圖 2.2 宜蘭縣地質圖。清水地熱位於宜蘭縣三星鄉清水村清水溪河谷中，在羅東鎮西南方約十三公里處 (改繪自(何春蓀, 1975)五十萬分之一臺灣地質圖原圖)。. 12.

(24) 第二章區域背景介紹 13. 圖 2.3 清水地熱之鄰近地質圖。清水地熱位於中新世盧山層的板岩區地熱區構造西北邊有牛鬥斷層，東南邊有古魯斷層，此兩斷層為東北-西南走向，另外西北-東南向的清水溪斷層則沿清水溪發育，與清水地熱的成因關係密切 (資料來源:中央地質調所網站)。. 圖 2.4 本研究區域之衛星圖，其紅色框為儀器施測區 (改繪自 Google Earth)。 13.

(25) 第二章區域背景介紹 14. 圖 2.5 清水地熱區域地層線性構造方向與分布區域圖。紅色粗線為台灣區地體構造、地層分界主要線形；黑線為斷層從左到右依序為牛鬥斷層、翠峰湖斷層及古魯斷層；紅色細線為褶皺，(改繪自經濟部中央地質調查所地質圖) (江協堂,2008)。. 圖 2.6 本研究區方位之南北向一景。 14.

(26) 第二章區域背景介紹 15. 圖 2.7 本研究區方位之東西向一景。. 圖 2.8 本研究區儀器擺設點與五條測線圖。. 15.

(27) 第二章區域背景介紹 16. 圖 2.9 深部地熱水沿地層破裂面流至地表的現象圖。. 圖 2.10 地熱區附近地層的滲水常見褐色的鐵質沈澱物圖，其中地層的節理面呈紅橙色，即為地熱水流出地表後，沈澱出含鐵質物質。. 16.

(28) 第二章區域背景介紹 17. 2-3 地熱的用途. 地熱是自地球內部傳到地表附近，可供利用的熱能，這種能量來自地球內部的熔岩，並以熱力形式存在，透過地下水的流動和熔岩湧至離地面 1 至 5 公里的地殼，熱力得以被轉送至較接近地面的地方。高溫的熔岩將附近的地下水加熱，這些加熱了的水最終會滲出地面(圖 2.11)。其運用地熱能最簡單和最合乎成本效益的方法，就是直接取用這些熱源，並抽取其能量。(Mao, 2006) 人類很早以前就開始利用地熱能，例如利用溫泉沐浴、醫療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養殖及烘乾穀物等。但真正認識地熱資源並進行較大規模的開發利用卻是始於 20 世紀中葉。1904 年義大利利用地熱蒸汽發電成功，此天然熱能才引起各國的注意。地熱除供發電外，還有其他用途：如日本利用地熱養殖鱷魚、美國內華達州利用地熱製可塑性炸藥、美國奧立崗州利用地熱融化道路上冰雪、智利用於鹽水淡化、冰島用地熱蒸汽烘乾該國邁瓦地湖底所產矽藻土；宜蘭利用溫泉水養殖甲魚、栽培空心菜、絲瓜、茭白筍及花卉等，使其生長迅速。工業技術研究院曾在陽明山馬槽地區設有地熱研究所，從事熱帶植物溫室栽培、養雞、養鱷魚及烘乾木材等。. 17.

(29) 第二章區域背景介紹 18. 傳統的燃料能源日漸減少，造成環境的危害越大，使得各先進國家都積極推動並鼓勵利用再生能源，因而促使再生能源產業快速成長，再生能源除了風能及太陽能外，就屬地熱最被看好，地熱發電也成為人們重視的焦點。地熱是被蓄存於離地表較深的地底熱岩區，故需有優良技術才能在地質適宜的地熱區建發電廠。這種豐富的無污染、廉價之能源，日趨成熟，隨著近代技術的演進，成為各國再生能源的新力軍。 2002 年，全世界已有 20 多國擁有地熱發電廠，總發電量超過 8,000 萬瓩，年發電量達 49TWh/a（千億瓩），直接熱能利用更高達 53TWh/a，地熱的開發利用遠超過太陽能、風力、海洋能等其他再生能源。. 圖 2.11 清水地熱系統示意圖 (Mao, 2006)。. 18.

(30) 第二章區域背景介紹 19. 2-4 清水地熱開發. 台灣位於板塊活躍地帶，板塊碰撞和隱沒作用除了在台灣北部形成大屯火山群，同時也把埋在深部較熱的地層擠出地表，形成中央山脈的變質岩區，大屯火山群後火山活動的熱量和中央山脈變質岩中殘餘的熱量影響地表淺部的溫度場，使台灣本島的平均地熱流（單位面積、單位時間內從地底下流出地表的熱量）比全世界一般地區高出約 1.5 倍，高熱流的效應加上適當的地質條件，使台灣山區溫泉四處林立，充滿地熱開發潛能。台灣通常被認為缺乏天然資源的地區，但其實地熱能源的蘊藏卻很豐富，地熱能源的特性除了污染性比石油低、對環境的衝擊比較小外，形成地熱的岩體，熱量散逸慢，可長時間維持溫度，因此地熱能源也常被稱為永不枯竭的資源，在適當的開發下，地熱田的壽命可維持上百年，如義大利全球首座的地熱發電廠已超過一百年，而一般油田的壽命只有數十年，開發地熱有助於減輕人類對石油能源的依賴，並且可發展觀光事業，促進地方的繁榮。宜蘭縣的清水地熱以河床上的熱水露頭聞名，露頭為一直徑約五公尺的熱水池，熱水終日沸騰，遠處即可看到一股白色的蒸汽竄升至山腰（圖 2.12），每至假日總是吸引大量遊客前來尋訪，是宜蘭縣重要的旅遊景點。. 19.

(31) 第二章區域背景介紹 20. 清水地熱發現於民國六十年代，經礦研所和中油公司探勘，證實有大量高溫熱水，後經專家評估具發電潛能，並於 1981 年裝設發電機組進行發電測試，使清水擁有台灣唯一一座以地熱發電的電廠，之後雖因發電規模太小以致營運不符經濟效益而關閉（圖 2.13），但多年的技術經驗累積和傳承，使我國具有開發地熱發電的能力，面對未來高油價和全球化環境污染問題，我們已有能力重新評估台灣各地區地熱的開發潛能。中油公司於清水地熱區共鑽七口深井，其位置與等溫線分佈於（圖 2.14）呈現，井深 1505 至 3000 公尺，井底溫度 201 至 225℃，1500 公尺處的溫度最高可達 210℃，熱水 pH 值約 8.5 至 9.3，流量（含蒸汽）每小時為 40 至 127 噸（表 2.2）。清水這座曾經匯集國內各界技術人員智慧、孕育科技結晶的地熱發電廠，雖然已走入歷史，但始終不曾被人遺忘，未來我國地熱能源的應用若要重新啟動，也許就從點燃這座舊電廠的熄燈號開始(江協堂, 2008)。. 20.

(32) 第二章區域背景介紹 21. 圖 2.12 清水溪河床上噴氣孔圖。冒煙處為水溫接近 100℃所引起的大滾水，常吸引遊客前來煮蛋、煮玉米 (圖片來源：(江協堂, 2008))。. 圖 2.13 廢棄的清水發電廠圖 (圖片來源：(江協堂, 2008)) 。. 21.

(33) 第二章區域背景介紹 22. 圖 2.14 清水地區等溫線分佈圖。紅星點為舊清水地熱廠廠址，溪中藍色區塊為溫泉露頭(圖)，並標上圖幅中各測線與測點，改自（Chang and Ramey, 1979）。. 22.

(34) 第二章區域背景介紹 23. 井名. 井深(公尺). 流量(頓/小時). 井底溫度(℃). 4T 5T 9T 12T 12T 14T 16T. 1505 2005 2079 2003 2020 2003 3000. 126.7 40.0 74.0 46.9 70.6 88.0 116.2. 201 220 205 223 219 215 225. 表 2.2 中油公司於清水地熱區之七口深井資料表。. 23.

(35) 第二章區域背景介紹 24. 2-5 清水地熱未來的發展. 近年來油價已從每桶十幾塊美金上漲到百元的天價，對缺乏石油的國家影響經濟發展甚至，解決能源問題有可能是未來這些國家施政的主要目標，地熱是替代能源之一。台灣在地質上有先天的地熱潛能優勢，發展地熱能源對我們非常有利，行政院在 2002 年核定的「再生能源發展方案」計畫中，即將地熱發電列為發展方案之一，在經費方面，經濟部能源局為推動台灣地區地熱發電開發，促進地熱能源有效利用，也於 2005 年發佈「地熱發電示範系統探勘補助要點」。由於清水地熱曾成功試運過發電機組，因此行政院希望能推動「清水地熱發電計畫」成為示範計畫，另外，「挑戰 2008：國家重點發展計畫」中，亦將「清水地熱發電計畫」列為重點項目之一，宜蘭縣政府除配合中央各機關推動該計畫外，亦結合各界意見，希望能將清水地熱建設一個以「地熱公園」為主題的觀光休閒區(江協堂, 2008)，地熱能預計 2012 年於清水地熱區設置 1MW 示範電廠，長期開發大屯火山區地熱能，並於 2025 年開始開發深層地熱發電(馬公勉, 2011)。清水地熱擁有大量的地熱水，除可供發電外，清水溪河床上的熱水露頭早已非常聞名，經常吸引很多觀光客前來，重新出發的清水地熱，未來. 24.

(36) 第二章區域背景介紹 25. 應朝發電、觀光、休閒、旅遊等多功能目標規劃。. 25.

(37) 第三章理論基礎 26. 第三章理論基礎. 3-1 引言. 前章節敘述了清水地區地質背景，以下將說明透地雷達簡介以及電磁理論，其中電磁理論中又區分電磁波特性、地層電性參數以及透地雷達解析能力等。. 3-2 透地雷達簡介. 透地雷達（ground penetrating radar，簡稱 GPR），為一應用電壓為幾百伏特的發射線圈，產生頻率為 10 至 2000MHz、歷時為幾十億分之一秒（ns）的脈波（雷達波）射入地下或建築結構體內，此入射波經地下具不同電磁性質的地層界面與埋藏體反射或地層內管線、空洞及結構體內鋼筋等繞射至地表，由置放地表之高靈敏度接收天線接受此訊號。此記錄經一般處理（如振幅衰減補償、濾波）或再加一些特殊處理（如速度分析、解迴旋、移位等），即可由接收到的各波抵達地表時間的不同，來推測地下地層的起伏、描繪地下的形貌及偵檢地下人為的構造體（例如瀝青路面厚度、地下管線或空洞、掩埋古蹟等）或非金屬構造體內部結構 (如水泥混凝土牆版內的鋼筋等）（楊潔豪、陳兆年、王仲宇、林銘郎,1997）。 26.

(38) 第三章理論基礎 27. ㄧ般透地雷達探測法於施測上依天線分布大致可分為併合天線型 (一般稱為全罩式) 的等支距測勘法，及分離式天線型的同中點 (common middle point)測勘法（圖 3.1）。前者採發射及接收天線固定距離，測勘上較為快速；後者以分離之天線以相同中點不同支距進行多次測勘，再以信號疊加的方式提高信號雜訊比（圖 3.2）。. 透地雷達測勘時雷達天線不需插入地下，測勘儀器輕巧，攜帶方便，測線易於展開。故現場測勘較工址調查常用的其他地球物理法如地電阻法或震測法迅速。且由於雷達波頻率甚高，施測時大都為等支距，故所得之雷達波反應剖面圖具高解析度並與地下狀況近似，對淺地層的描繪有極佳的效果（楊潔豪、陳兆年、王仲宇、林銘郎， 1997）。. 27.

(39) 第三章理論基礎 28. 空氣. 層面. 雷達波. 地層. 等支距法. 同中點法圖 3.1 常見透地雷達施測方法圖。T 為發射天線(Transmitter)，R 為接收天線 (Receiver)。. 接收天線(Receiver). 發射天線(Transmitter). 空氣. 地層一雷達波層面異常體與層面反射. 異常體地層二. 圖 3.2 雷達波傳遞示意圖。 28.

(40) 第三章理論基礎 29. 透地雷達的相關應用上極為廣泛，大致上可分為： (1) 土木工程：地下管線和孔洞調查、樓板鋼筋探測、橋面及混凝土及道路鋪面品質調查、水壩及隧道裂隙檢查等。 (2) 環境工程：化學沉積物調查、地下掩埋場探測、海域探測及地下儲存槽滲漏檢測等。 (3) 地質環境：地下水位面、地層結構調查等。 (4) 軍事用途：地雷偵搜等。 (5) 考古調查：地下陵墓、遺蹟、古建築及古文物等探勘。. 29.

(41) 第三章理論基礎 30. 3-3 電磁理論. 3-3.1 電磁波特性 Maxwell 方程式可用於求解電磁波於導電性介質中的平面波傳播（如地層），說明如下： Maxwell 方程式： ∇H . ∂D  J ，即為安培定律（3.1） ∂t. ∇E . ∂B ，即為法拉第定律（3.2） ∂t. ∇  D   ，即為電場的高斯定律（3.3） ∇  B  0 ，即為磁場的高斯定律（3.4）. 式中： H：磁場強度（magnetic field intensiity，A/m） E：電場強度（electric field intensiity，V/m） D：電位移（electric displacement，C/m2） J：位移電流密度及傳導電流密度（current density，A/m2） B：磁通密度（magnetic flux density，T） ρ：自由電荷體密度（charge volume density，C/m3）. 30.

(42) 第三章理論基礎 31. 而其中 D、J、B 可作下列替換： D  E （3.5）. B  H （3.6） J  E （3.7）. 式中： ε：電容率（electrical permittivity，F/m） μ：磁導率（magnetic permittivity，H/m） σ：導電率（electrical conductivity，S/m）平面電磁波於一均質、等向及無波源的介質中傳播時，Maxwell 方程式可改寫為： ∇  H    ∇  E  . ∂D （3.8） ∂t. ∂H （3.9） ∂t.   E  0 （3.10）   H  0 （3.11）. 對上（3.9）式兩邊求旋度，並將（3.8）式代入，得     E  .  D  E   （3.12） t  t . 利用向量恆等式：          2，因   E  0，故其可改寫為：       2 ，可得電磁波波動方程式如下： 31.

(43) 第三章理論基礎 32.  2   . E 2E E 2E   2   0   0 2 （3.13） t t t t. 同理可得：  2 H  . H 2H H 2H         0 0 t t 2 t t 2. （3.14）. 式（3.13）、（3.14）為電、磁場傳導方程式。其中之磁導率對一般材.  . 料而言皆極接近真空的磁導率  0  4  10 7 H m ，故 μ 可以 0 取代而視為常數，可簡化計算。. 多數介質的電性變化較磁性變化為大，故雷達波傳遞主要受電性影響。介質在電場的作用下，會產生兩種電流效應，分別為傳導電流及位移電流。（3.13）式中等號右方第一項與導電性（或電磁感應）有關，第二項與位移電流（displacement current）有關。而右方第二項與第一項之比值稱為 magnitude ratio（MR），而對以交變頻率 ω 而 2E  2E 2 言， t. 故 MR . 2 E  位移電流項（3.15）  2f  E  導電項. 考慮透地雷達之野外施測環境，一般岩石、土壤之導電係數 σ＝ 10-5~10-1Ω-1m-1，礦體之導電係數 σ＝103~10-1Ω-1m-1； -12 2 -1 -2 而 ε＝εrε（ε ， 0 ： r 相對介電常數；ε0：真空中之電容率，8.85×10 C N m ）. 於一般岩石中 εr 多半介於 5~20 間。 32.

(44) 第三章理論基礎 33. 故電磁波傳導方式受其頻率及介質特性影響：低頻電磁波：MR<< 1，即導電項（或電磁感應項）>>位移電流項，電磁波以消（擴）散的方式穿過介質，以電流與磁場交互變動轉換能量。高頻電磁波：雷達波屬之，於低導電性介質中 MR>>1，即導電項（或電磁感應項）<<位移電流項，此時能量（或信號）以波動方式傳播， 2 方程式為  2     E2 ，電磁波波速為 v . t. 1. . . 1.  r  0. . 1.  0 r  0. ，0 、.  0 為常數，所以此時波速取決於介質之相對介電常數 εr。. 3-3.2 地層電性參數. 1. 相對介電常數（relative dielectric constant）：相對介電常數之定義為材料電容率與真空中電容率之比值，其關係式如下： r .  （3.16） 0. 式中，εr：相對介電常數；ε：材料之電容率；ε0：真空中之電容率， 8.85×10-12C2N-1m-2）。若電磁波頻率一定時，εr 愈大則位移電流越強，電磁波天線的輻射波束（antenna radiation patterns）主波束愈窄，電磁波之能量較能往地下集中而將更易於施測（Annan et al., 1975； 33.

(45) 第三章理論基礎 34. Smith, 1984）。影響地層相對介電常數的因素包括：土壤或岩石種類、土壤含水量及孔隙率。. 2. 反射係數（reflection coefficient）：電磁波傳遞至不同介電常數之邊界時，其反射係數（R）為：. R.  r1   r 2  r1   r 2. （3.17）. 式中，ε1：上地層的相對介電常數、ε2：下地層的相對介電常數。可知電磁波經過不同介質時，會將能量反射，反射能量之大小受上下地層之介電常數之差異影響（圖 3.3）。. 3. 導電率（electrical conductivity）：導電率為介質傳導電流之能力，與電阻率成倒數關係；地層中導電率主要受含水量及礦化作用影響。導電率會影響 MR，因為 MR  2f.  ，若 σ 太高的話，MR>>1 . 的條件就不滿足，此時信號就不能看成以波動的方式傳播，而雷達波能夠探勘地下構造的條件就不成立了。導電率可表示為：  . 1. . （3.18） 34.

(46) 第三章理論基礎 35. 式中，σ：導電率（S/m）；ρ：電阻率（Ω-m）一般透地雷達施測環境，可依導電率分為三類： (1) 高導電率（   102 S / m ）：透地雷達之不良施測介質。如濕黏土、濕頁岩、海水。 (2) 中導電度（ 107    102 S / m ）：透地雷達之一般施測介質。如純水、乾黏土、砂。 (3) 低導電度（   107 S / m ）：透地雷達之較佳施測介質。如空氣、花崗岩、瀝青。. 4. 衰減常數（attenuation）：衰減度為電磁波於介質中的衰減程度，與介質之介電常數、導電率有關。其關係為： A. 1635. r. （3.19）. 式中，A=衰減常數（db/m），與導電度成正比. 電磁波衰減耗損的原因大致包括下列三項（Beres and Haeni，1991）：. (1) 電磁波能量穿越導電介質時部分轉換為熱能。 (2) 水中的介電衰減。 (3) 黏土礦物化學離子擴散。 35.

(47) 第三章理論基礎 36. 發射天線模組. 空氣. 接收天線模組. 接收天線模組. 雷達波. 1  1. 反射係數 R2. 地層一. 層面 2. 反射係數 R2. 地層二. 地層三. 圖 3.3 反射係數示意圖。. 36.

(48) 第三章理論基礎 37. 介質名稱. 電阻率 ρ (Ohm-m) 介電常數 K. 速度 (m/ns). 乾沙. 103~107. 3-6. 0.1 ~ 0.122. 飽合含水沙. 102~104. 20 - 30. 0.067 ~ 0.055. 粉砂. 102~103. 5 - 30. 0.134 ~ 0.055. 頁岩. 10~103. 5 - 15. 0.134 ~ 0.077. 飽合含水黏土. 1 ~ 10. 5 - 40. 0.134 ~ 0.047. 溼土. 50 ~ 100. 30. 0.055. 墾殖土. 200. 15. 0.077. 岩質土. 1000. 7. 0.113. 乾砂質土. 7100. 3. 0.173. 濕砂質土. 150. 25. 0.06. 乾壤質土. 9100. 3. 0.173. 濕壤質土. 500. 19. 0.069. 乾黏土質土. 3700. 2. 0.021. 濕黏土質土. 20. 15. 0.077. 溼砂岩. 25. 6. 0.122. 乾石灰岩. 109. 7. 0.113. 濕石灰岩. 40. 4-8. 0.15 ~ 0.106. 濕玄武岩. 100. 8. 0.106. 花崗岩. 103~105. 4-6. 0.15 ~ 0.122. 淡水. 30~104. 81. 0.033. 冰凍層. 102~105. 4-8. 0.15 ~ 0.106. 乾雪. 105~106. 1. 0.3. 冰. 103~105. 3-4. 0.173 ~ 0.15. 瀝青. 0.1 ~ 1. 4-7. 0.11 ~ 0.148. 水泥混凝土. 0.1 ~ 1. 6 - 11. 0.09 ~ 0.12. 空氣. 無限大. 1. 0.3. 表 3.1 在頻率 1 至 100 MHz 範圍內，地體物質之孔隙水為淡水時，其典型的電阻率及相對介電常數表。（改自 Epp et al.,1988；Davis and Annan,1989；Ulriksen， 1982）。 37.

(49) 第三章理論基礎 38. 3-3.3 透地雷達解析能力. 解析度為分辨二個緊緊相鄰信號的能力，一般以入射波之四分之一波長為解析出介質厚度之極限，因此入射波頻率愈高，其波長愈短，則解析度愈高。電磁波解析度定義亦如此。入射電磁波在介質傳播一段時間之後，高頻信號容易衰減，因此收到的主要信號其頻率將略小於中心頻率，因此依經驗透地雷達大致以中心頻率的二分之一波長為解析極限。由此可知，透地雷達的解析能力與發射天線的頻率更很大的關係，其頻率愈高，則電磁波波長較小，故其解析能力就愈高；反之則相反。電磁波的頻率愈高，其衰減係數就會愈大，而探測深度就會受到限制。故高頻的使用增加解析能力，但相對的降低了穿透深度，因此解析能力和穿透深度間的取捨將視需要情況而定。一般而言， GPR 探測深度淺可至數 10cm，深約可達 60m。 1.垂直解析度 Rmin 可由下式表示: 𝑅𝑚𝑖𝑛 =. c×103 4×𝑓×√𝜀𝛾. (3.20). c：光速（0.3m/ns） f：天線主頻率 𝜀𝛾 ：地層介電常數. 38.

(50) 第三章理論基礎 39. 2.水平解析度：主要與第一夫瑞奈帶(First Fresnal zone)之大小更關，若是第一幅瑞奈代無法提供足夠反射能量，則目標物無法被解析（圖 3.2）。. 空氣. 發射接收天線模組. 地表波前. 電性介面. 第一夫瑞奈帶圖 3.4 夫瑞奈帶示意圖(λ 為波前波長)。. 39.

(51) 第三章理論基礎 40. 3-4 傳統濾波方法. 一般進行訊號處理時，在原始訊號通過所設計之線性系統後，皆會觀察其輸入與輸出之響應比值，再進而分析其響應特性，此線性系統即稱為數位濾波器。而數位濾波器常見由 Z 轉換(Z-transform)求得系統之轉移函數 (Transform Function) ，再利用 Z 反轉換 (Inverse Z-transform)求得系統之差分方程式(Difference Equation)。在此，Z 轉換可視為數位濾波系統內分析與設計的一項工具。一般數位濾波器主要分為有限脈衝響應(Finite Impulse Response, FIR)濾波器與無限脈衝響應(Infinite Impulse Response, IIR)濾波器兩大類型。雖然 IIR 濾波器較易設計與實現，但由於 IIR 濾波器與 FIR 濾波器最大差異在於存在回授電路，當輸入數位訊號為有限長時，輸出訊號則會變成無限長。而相較於 IIR 濾波器，FIR 濾波器不易最佳化(Optimize)。此兩種濾波器類型，數學表示式如下： (1) FIR 濾波器： y[𝑛] = ∑𝑁−1 𝑖=0 𝑎𝑖 𝑥[𝑛 − 1]. (3.21). (2) IIR 濾波器 𝑀 y[𝑛] = {∑𝑁 𝑖=0 𝑎𝑖 𝑥[𝑛 − 𝑖]} − {∑𝑖=0 𝑏𝑖 𝑦[𝑛 − 𝑖]}.(3.22). 40.

(52) 第三章理論基礎 41. 其中，𝑎𝑖 與𝑏𝑖 皆為濾波器之係數。由 IIR 濾波器可發現輸出訊號 y[𝑛]與過去輸入值 x[𝑛 − 𝑖]，現在輸入值 x[𝑛]與過去輸出值 y[𝑛 − 𝑖]皆有關係，從此即可得知 IIR 濾波器存在著回授的機制。在 FIR 濾波器的部分，僅有輸出訊號 y[𝑛]與過去之輸入值有所關聯。在過去使用數位濾波器的方法上，雖然展現有效的濾波效果，但存在著相位失真的可能性，這使得在訊號特徵擷取上充滿不確定性。. 41.

(53) 第四章野外測勘及資料處理流程 42. 第四章野外測勘及資料處理流程 4-1 測勘儀器及野外測勘程序 4-1.1 測勘儀器. 透地雷達在儀器方面發展相當快速，根據前人的研究顯示目前在科學與工程界常用的透地雷達系統相當繁雜，但各品牌設計大同小異 (陳志松,2011)。硬體部份基本上可分為天線組合、發射及接收器、控制主機、資料儲存與顯示模組等部份。其中最常被提到的是連接到發射和接收器的天線，其振盪頻率是決定雷達波穿透深度的關鍵。高頻天線的雷達波由發射器送出穿透地層的深度較淺，反之低頻天線的雷達波則更較大的穿透深度。一般高頻天線，體積小，可以封裝隔絕在護罩內，較不會受到環境電磁雜波的影響；而低頻天線體積較大，雖無法封裝護罩，因此可使用光纖電纜，儘可能避免電磁雜波的干擾。本研究採用瑞典 MALÅ 設計生產之 ProEx 透地雷達系統施測 (圖 4.1)，使用天線中心頻率 50 百萬赫(MHz) ，其最大穿透深度可達約 20 m (表 4.1)。. 42.

(54) 第四章野外測勘及資料處理流程 43. 50 MHz 透地雷達系統. 圖 4.1 MALÅ ProEx 透地雷達系統全圖。. MALÅ ProEx 透地雷達系統由以下部件所構成: (1) ProEx 主機單元：負責以光纖接收天線資訊(避免干擾天線電磁波的發射與接收)與銅線接收並將數位資訊利用測距棉線跳線傳送至控制筆電(圖 4.2)。 (2) 天線組：可自由搭配 MALÅ 所生產各式天線模組組合，如本研究所用之 50MHz 分離式天線(圖 4.3) (3) 控制筆電：任何支援乙太網路並且能安裝 MALÅ Ground Vision2 之作業系統都可做為 ProEx 透地雷達系統之控制器。藉由 Ground Vision2 可以調整各式測勘參數並將數據儲存在硬碟內待後續處理。. 43.

(55) 第四章野外測勘及資料處理流程 44. 圖 4.2 ProEx 主機單元圖。負責以光纖接收天線資訊與銅線接收並將數位資訊利用測距棉線跳線傳送至控制筆電。. 圖 4.3 50MHz 分離式天線進行等支距測勘時之固定式安裝圖。. 44.

(56) 第四章野外測勘及資料處理流程 45. 天線頻率. 適用目標的大小 (m) 穿透深度 (m). 25MHz 50MHz 100MHz 250MHz 500MHz 800MHz 1000MHz. ≧ 1.0 ≧ 0.5 0.1~1 0.05~0.5 ~0.05 ~0.02 ~0.01. 5~30 5~20 2~15 1~10 1~5 1 0.5. 表 4.1 天線頻率與穿透深度關係表。. 4-1.2 野外測勘程序. 本研究之野外測勘程序分述如下其結構圖呈現於 (圖 4.4)：（1）場址選定：透地雷達測勘環境有其一定限制，應儘量避免在電磁波高耗損及地形變化過大的環境下施測。故先觀察測勘現地以平坦乾燥的環境為佳，測勘前需參考現地之地質資料以初步瞭解其地層電性是否利於施測。（2）測線規劃及定位：選定場址後需規劃測勘路線，多條測線時可採平行或網格狀分佈，並考慮測勘目標物大小、測勘工作時間調整測線間距及長度。選定後記錄場址狀況，並定位起始點位置以利後續分析。（3）參數調整：考慮測勘深度及解析度，調整各項施測參數，如天線頻率、取樣時間、濾波範圍、增益控制等。調整時觀察主機. 45.

(57) 第四章野外測勘及資料處理流程 46. 螢幕之信號狀況至適合施測。本研究僅使用 50 MHz 之分離式天線以共支距 (common offset) 法施測外，並以走離雜波測試 (walk-away noise test) 來求得地下之雷達波速。。（4）實地測勘：依規劃之施測路線進行測勘，逐一記錄各測線檔名及測線上的地質狀況，或是特殊事項(例如水坑、凹地、突起等情況)以利後續處理。（5）儲存資料：將信號資料輸出至電腦進行後續處理。. 野外測勘程序場址選定測線規劃及定位參數調整實地測勘儲存資料圖 4.4 本研究之野外測勘程序結構圖。. 46.

(58) 第四章野外測勘及資料處理流程 47. 4-1.3 參數設定. 根據不同的測勘環境及天線頻率，測勘前需先行設定各項參數以取得最佳的信號資料：（1）信號格式：取樣數（512 至 1024 點）及信號格式（16 或 32 位元），依探測深度不同可選取不同之取樣數以維持一定的信號品質。（2）取樣速度：因儀器無配備測距輪（servey wheel），所以只能在時間模式（time based mode）下測勘，單位為（描線數/秒），但實際測勘時會隨移動速度不同每秒的描線數有些許差異。考慮預定之測勘目標大小及施測速度，以至少有 2 條穿透目標物之描線為依據調整取樣速度。（3）相對介電常數：依據地質資料及現地觀察，參考常見介質電性參數表作初步調整，或可以深度之異常物逆推得知。（4）採樣時間：為接收天線接收單一描線信號的時間。一般而言較長的取樣時間可獲得較深的測勘深度，但選擇上仍須考慮地層衰減及天線頻率。於高頻或高衰減環境下，雷達波衰減迅速，過長的取樣時間會因信號衰減，造成末端的記錄不具意義，所以適當的取樣時間優於過長的取樣時間。本研究選用之 50MHz 天線因深度考量以及為濾波增益預留空間，採樣時間間距為 47.

(59) 第四章野外測勘及資料處理流程 48. 0.5941ns，其總採樣時間為 600 ns。（5）濾波及增益控制：本研究所使用傳統線性濾波及增益控制有助於即時觀察信號狀況，但過多時容易造成雜信增加或信號漏失。. 48.

(60) 第四章野外測勘及資料處理流程 49. 4-2 資料處理流程本研究之資料處理使用美國 GSSI 公司 RADAN 5.0 透地雷達處理軟體內賦予傳統濾波方法進行資料處理及 Matlab 軟體進行資料處理，處理流程如下（圖 4.5）：. 原始資料 (Raw Data). Background Removal. RADAN. Band-pass Filter（FIR）. Deconvolution. Horizontal Filter (IIR). Migration. 信號轉檔輸出. Matlab. 繪圖. Analysis. 圖 4.5 資料處理流程圖。. 49.

(61) 第四章野外測勘及資料處理流程 50. （1）原始資料：將透地雷達數據讀入軟體。ProEx 透地雷達系統資料為 rd3、add、mrk、rad 四個副檔名為一組之檔案系統，利用 RADAN 支援的透地雷達反射震測處理軟體，直接讀取 rd3 進行處理，後將檔案轉成 dzt 檔輸出，其五條測線之原始資料圖顯示於(圖 4.6 至圖 4.10)。. 圖 4.6 第一條測線之原始資料圖。. 50.

(62) 第四章野外測勘及資料處理流程 51. 圖 4.7 第二條測線之原始資料圖。. 圖 4.8 第三條測線之原始資料圖。 51.

(63) 第四章野外測勘及資料處理流程 52. 圖 4.9 第四條測線之原始資料圖。. 圖 4.10 第五條測線之原始資料圖。 52.

(64) 第四章野外測勘及資料處理流程 53. （2）能量背景移除 (background removal) 處理：所謂背景能量移除，類似直流偏移修正 (DC bias correction)。此方法是先將所更跡線做移動平均 (moving average)，得到低頻的成份，然後將之由原始數據中扣除。移動平均法相當於低通濾波 (low-pass filtering) 反之，背景能量移除就等同於高通濾波 (high-pass filtering)。因此經過背景移除後近地表的淺層事件解析度有明顯增加，其五條測線經過背景移除之處理圖顯示於 (圖4.11至圖 4.15)。. 圖 4.11 第一條測線經背景移除後之處理圖。. 53.

(65) 第四章野外測勘及資料處理流程 54. 圖 4.12 第二條測線經背景移除後之處理圖。. 圖 4.13 第三條測線經背景移除後之處理圖。 54.

(66) 第四章野外測勘及資料處理流程 55. 圖 4.14 第四條測線經背景移除後之處理圖。. 圖 4.15 第五條測線經背景移除後之處理圖。 55.

(67) 第四章野外測勘及資料處理流程 56. （3）帶通濾波器（band-pass filter（FIR））：FIR 濾波器脈衝響為有限長，所以當輸入的信號為有限長時，其輸出信號也同樣為有限長。其特別的線性相位特性造成系統函數的結果有奇對稱或偶對稱的特性，FIR 濾波器也更容易做到最佳化(optimize)的處理。幾種常見的線性濾波器分為允許低頻率通過的低通濾波器、允許高頻率通過的高通濾波器以及本研究所使用之允許一定範圍頻率通過的帶通濾波器，經處理後所呈現於(圖 4.16 至圖 4.20)。. 圖 4.16 第一條測線經帶通濾波器之處理圖。. 56.

(68) 第四章野外測勘及資料處理流程 57. 圖 4.17 第二條測線經帶通濾波器之處理圖。. 圖 4.18 第三條測線經帶通濾波器之處理圖。 57.

(69) 第四章野外測勘及資料處理流程 58. 圖 4.19 第四條測線經帶通濾波器之處理圖。. 圖 4.20 第五條測線經帶通濾波器之處理圖。 58.

(70) 第四章野外測勘及資料處理流程 59. （4）反摺積（Deconvolution）：反摺積數學程序是先利用傅利葉轉換 (FFT) 將模糊影像陣列（空間域）轉換成對應空間頻率的陣列（頻率域），此代表了此影像的特徵。將此頻率域陣列除以瀰散函數 (point-cpreadfunction, PSF) 的傅利葉轉換，然後再作逆傅利葉轉換就可以得到較清晰的影像。然而，反摺積運算在實際進行時是很困難的。大部份問題發生在影像中任何隨機雜信(random noise)都會導致混亂作用，而使得經過處理的影像中充滿了各種假性細節信號。為了解決這個問題，可利用檢查每一次運算結果，比較處理前後影像差異性，以期消除不可信的成分，得到理想的結果與參數。簡而言之，透地雷達資料運用反摺積方法運算後進行處理，可將資料輪廓形狀重建，經處理後所呈現於(圖 4.21 至圖 4.25)。至圖 4.21 至圖 4.25)。. 59.

(71) 第四章野外測勘及資料處理流程 60. 圖 4.21 第一條測線運用反摺積方法之處理圖。. 圖 4.22 第二條測線運用反摺積方法之處理圖。 60.

(72) 第四章野外測勘及資料處理流程 61. 圖 4.23 第三條測線運用反摺積方法之處理圖。. 圖 4.24 第四條測線運用反摺積方法之處理圖。 61.

(73) 第四章野外測勘及資料處理流程 62. 圖 4.25 第五條測線運用反摺積方法之處理圖。. 62.

(74) 第四章野外測勘及資料處理流程 63. （5）水平濾波器 (Horizontal Filter (IIR))：為了去除透地雷達資料於探測過程中出現的水平雜信，利用此濾波器所提供之水平濾波，通過設定參數值，從而實現了一種高精度去除水平雜信的方法，經處理後所呈現於(圖 4.26 至圖 4.30)。. 圖 4.26 第一條測線經水平濾波之處理圖。. 63.

(75) 第四章野外測勘及資料處理流程 64. 圖 4.27 第二條測線經水平濾波之處理圖。. 圖 4.28 第三條測線經水平濾波之處理圖。 64.

(76) 第四章野外測勘及資料處理流程 65. 圖 4.29 第四條測線經水平濾波之處理圖。. 圖 4.30 第五條測線經水平濾波之處理圖。 65.

(77) 第四章野外測勘及資料處理流程 66. （6）信號移位（Migratiom）：當雷達波遇地下異常體時會產生的雙曲線反射（hyperbolic reflectors）信號，需利用信號移位方法將信號還原至真實位置。信號位移也可作為雷達波速分析的參考，一般情況下，於介電常數未知的地層的透地雷達測勘速度分析通常為： a. 利用已知深度之反射層面，得知雷達波來回走時（two way travel time）後可計算其波速： U . 2d t. 其中，U：介質中雷達波速 d：已知上下地層厚度 t：雷達波於此地層之來回走時 b. 與反測震測相似，多天線系統以同中點（common middle point； CMP）測勘法施測，再將資料以不同速度進行 NMO（normal moveout）修正，測試出最適合之速度即為重合速度（stacking velocity）。而本研究之雷達系統僅有單組天線，無法做同中點疊加重合，但仍可用雙曲線的速度分析方法找出速度，此為均方根速度，但與重合速度相當，其五條測線經信號移位方法處理圖顯示於(圖 4.31 至圖 4.35)。. 66.

(78) 第四章野外測勘及資料處理流程 67. 圖 4.31 第一條測線經信號移位方法之處理圖。. 圖 4.32 第二條測線經信號移位方法之處理圖。 67.

(79) 第四章野外測勘及資料處理流程 68. 圖 4.33 第三條測線經信號移位方法之處理圖。. 圖 4.34 第四條測線經信號移位方法之處理圖。 68.

(80) 第四章野外測勘及資料處理流程 69. 圖 4.35 第五條測線經信號移位方法之處理圖。. 由於大多數的地層厚度未知，故單天線透地雷達測勘時將很難判斷地層速度。而若此時地層存在異常點之雙曲線反射信號，在信號經過等距化後，可知其信號真實位置與雙曲線間上各點間的水平位置，在來回走時已知情況下亦可得知雷達波於地層中之傳播速度（圖 4.36）。. 69.

(81) 第四章野外測勘及資料處理流程 70. v. 2d T 12  T 2 2. 圖 4.36 異常物之雷達波信號示意圖。. 70.

(82) 第四章野外測勘及資料處理流程 71. （7）信號輸出：將 Radan 處理後的信號資料由 dzt 格式轉換為 txt 格式的矩陣資料供 Matlab 使用（圖 4.37）。. 圖 4.37 Text 格式開啟結果圖。使用雷達信號可輸出為矩陣形式資料（txt 檔），可進一步利用 Matlab 軟體加以處理。. （8）繪圖：將處理完之資料輸出至 Matlab 繪圖。. 71.

(83) 第五章資料處理結果 72. 第五章資料處理結果. 5-1 引言. 上一章資料處理後，最後處理結果於(圖 4.31 至圖 4.35)分別呈現，透地雷達資料收集時使用的參數於(表 5.1)，本章將對資料處理結果作一些討論，並與相關資料比對分析，討論本研究之五條透地雷達測線資料施測於清水地熱區情況。. 5-2 透地雷達於清水地熱區收集資料. 雖說本研究只是清水地熱區的部份資料收集，但也多少反映了在台灣地熱地區收集透地雷達資料的可行性。台灣地狹人多區域都已有人為開發，因此利用非破壞性檢測之一的透地雷達訊號分析地底結構，透地雷達方法會受到許多干擾，在台灣是否適用此方法，收集到的資料到底是透地雷達真實訊號還是地形亦或人為所引發之雜訊，都應該進一步了解分析。本研究也對透地雷達資料收集時的干擾作分析，推論透地雷達於台灣人為活動較多的地區收集資料，其可行性應該是高的，因為儀器於進行中受測距離之棉線限制，所以前提是要告知觀光遊客避免誤觸測距棉線使之斷裂，後續並透過傳統線性濾波方法將資料品質大幅改 72.

(84) 第五章資料處理結果 73. 善。. 測線. 採樣點數. 測線數. 測線長(m). 採樣間距. 相關參數. 採樣時間間距. 第一條測線. 1024. 1273. 126.891. 0.0998. 0.5941. 第二條測線. 1024. 1888. 188.241. 0.0998. 0.5941. 第三條測線. 1024. 1885. 187.942. 0.0998. 0.5941. 第四條測線. 1024. 1099. 109.533. 0.0998. 0.5941. 第五條測線. 1024. 1301. 129.684. 0.0998. 0.5941. 表 5.1 本研究之五條測線所使用之參數表。. 73.

(85) 第五章資料處理結果 74. 5-3 透地雷達於清水地熱區資料分析討論. 本研究的施測區域中，現有人民居住生活的地區為研究區域的東半部，西半部並無人民居住，主要在假日時會有人潮湧入於溫泉區遊憩，本研究測區方位顯示於第二章節之(圖 2.6)與(圖 2.7)，儀器擺設點與五條測線圖如(圖 2.8)所示，每條測線皆由南向北作施測，由西向東區分第一條測線至第五條測線，各測線於施測時皆有經過部分含水區，儀器於地面有一段距離(圖 5.11)且與基盤間有些許高度(圖 5.12)，其資料經傳統線性濾波處理後，可於(圖 5.2、圖 5.4、圖 5.6、圖 5.8 圖 5.10)等圖所清楚看見，而於第二條、第三條、第四條、第五條等四條測線皆可看見明顯的低頻資料受到了干擾(圖 5.4、圖 5.6、圖 5.8 圖 5.10)，本研究將此解釋此現象為師施測時儀器經表面含水處所致。五條測線中，其中第一條、第五條測線算是經資料處理後資料品質較差的，但經過再次參數修正後，盡力將此兩條測線資料改善，並提供以下比較圖與分析。. 74.

(86) 第五章資料處理結果 75. 水平干擾信號. 圖 5.1 第一條測線未經水平濾波之處理圖。. 儀器和基盤高度與沉積物之介面河床堆積. 圖 5.2 第一條測線經傳統線性濾波之處理圖。 75.

(87) 第五章資料處理結果 76. 水平干擾信號. 圖 5.3 第二條測線未經水平濾波之處理圖。. 儀器和基盤高度與沉積物之介面河床堆積. 圖 5.4 第二條測線經傳統線性濾波之處理圖。 76.

(88) 第五章資料處理結果 77. 水平干擾信號. 圖 5.5 第三條測線未經水平濾波之處理圖。. 儀器和基盤高度與沉積物之介面河床堆積. 圖 5.6 第三條測線經傳統線性濾波之處理圖。 77.

(89) 第五章資料處理結果 78. 水平干擾信號. 圖 5.7 第四條測線未經水平濾波之處理圖。. 儀器和基盤高度與沉積物之介面. 河床堆積. 圖 5.8 第四條測線經傳統線性濾波之處理圖。 78.