非彈性應變回復法評估花蓮和平地區及彰濱工業區之現地應力場
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(2) 摘要. 現地應力場為地質科學與大地工程之重要資訊，對於地下結構物的設計、天 然資源的開發與廢棄物的地下儲藏皆扮演重要的角色。現地應力場( in-situ stress ) 是由地質營力與重力場長期交互影響累積的結果。而影響現地應力的因素有很多， 目前對於現地應力的成因尚無詳細完整的理論基礎，而實際量測現地應力為不失 為有效的解決辦法。 台灣島為歐亞板塊和菲律賓海板塊碰撞聚合作用的造山帶，是板塊運動活躍 的活動構造區。花蓮和平地區位於台灣東北部的脊樑山脈，正好處於菲律賓海板 塊與歐亞大陸板塊隱沒反轉的轉折帶上，造山演化史複雜。台灣西部彰化縣濱海 工業區的崙尾區則是屬於填海造陸區域，地下的地層以西部麓山帶的地層為主， 地層由淺至深分別為：頭嵙山層、卓蘭層、錦水頁岩、桂竹林層、觀音山砂岩、 打鹿頁岩和北寮層。 本研究使用花蓮和平地區的變質花崗岩及彰濱工業區沉積岩不同深度的岩 芯以應力釋放產生的非彈性應變回復來評估這兩地區三維現地應力場隨深度的 變化。實驗結果顯示這兩處的應力場皆是正斷層應力場，拉張方向大致是南北向 拉張為主。和平地區的最大、次大與最小主應力以及軸差應力的應力梯度分別為 26MPa/km、22MPa/km 與 19MPa/km，其回歸係數皆達 0.9 以上，其軸差應力梯 度約為 7MPa/km，至於彰濱工業區最大、次大與最小主應力的梯度分別為 22MPa/km、18MPa/km 與 17MPa/km，其回歸係數皆達 0.8 以上，其軸差應力梯 度約為 5MPa/km。另外，利用 ASR 結果推導出側向應力係數與應力比值的經驗 公式可用來評估實驗場址及其附近的應力場。同時藉由彰濱 ASR 量測結果與岩 石力學資料可進一步推估造成岩體破裂時的最大孔隙水壓，以及二氧化碳的最大 灌注壓力。 本研究的成果可以探討 ASR 技術於台灣現地應力量測的可能性與前瞻性， I.
(3) 並期望未來重要深井工程與基礎工程能以鑽孔岩芯進行非彈性應變回復實驗來 評估應力場資訊，提供學術界與工程界參考與使用。. 關鍵字：花蓮和平、彰濱工業區、非彈性應變回復法、現地應力. II.
(4) ABSTRACT. In-situ stress is an essential information for geological science and geotechnical engineering and plays an important role for the design of underground structures, natural resource exploration and underground storage of waste. In-situ stress is long-term interaction result among geological processes and the gravitational field. Although many factors can affect in-situ stress, so far the origin(s) of in-situ stress is not theoretically established yet. The measurement of in-situ stress can be a practically good solution. Taiwan is an orogenic belt of oblique collision between the Eurasian Plate and the Philippine Sea Plate, known as a mobile tectonic region. Heping of Hualien is located in the northeastern part of the Backbone Range, where the reversal of the Philippine Sea Plate subduction polarity take place and structural history is complex. The Chang-Hua Coastal Industrial Park is a part of land reclamation area in the western Taiwan. Underground formations from shallow to deep similar to that of the Western Foothills are consisted of the Toukoshan formation, Cholan formation, Chinshui shale, Kueichulin formation, Guanyinshang formation, Talu shale and Peliao formation. In this study, we used retrieved cores with different depths from meta-granite in the Hualien Heping and sedimentary rock in the Chang-Hua Coastal Industrial Park to evaluate the variation of three-dimensional in-situ stress with depth via anelastic strain recovery (ASR) method. Results show that the stress field is normal faulting with N-S extension in both places. In Hualien Heping, the maximum, intermedium and minimum principal stress gradient is 26MPa/km, 22MPa/km, and 19MPa/km, respectively. Their regression coefficients are all larger than 0.9. The gradient of III.
(5) differential stress is 7MPa/km. In the Chang-Hua Coastal Industrial Park, the maximum, intermedium and minimum principal stress gradient is 22MPa/km, 18MPa/km and 17MPa/km, respectively. The regression coefficients are over 0.8. The gradient of differential stress is 5 MPa/km. In addition, empirical equations of lateral stress coefficients and stress ratio deduced from ASR results can used to characterize the site aspects and evaluate the stress field nearby. Combining ASR results with rock mechanic data in the Chang-Hua Coastal Industrial Park can further estimate the maximum fluid pressure and the maximum injection pressure of carbon dioxide for rock fracturing. Results of this study can be used to evaluate the application and feasibility of ASR in Taiwan. Hopefully, the assessment of in-situ stress via ASR on retrieved cores from borehole and foundation engineering can provide information for academic and engineering reference and utility.. Keywords: Hualien Heping, Chang Hua Coastal Industrial Park , anelastic strain recovery, in-situ stress. IV.
(6) 致謝 回想我在這四年的研究所學習生涯裡，遇到了許多貴人給於我幫助，由於有 他們的幫忙，讓我最後得以順利的完成研究所學業，接著就請讓我在此一一獻上 誠摯地感謝。 首先最想感謝的當然是我的指導教授葉恩肇博士。我不是個特別聰明的學生， 同樣的事情，我可能要比起其他的學生要多聽、多學幾次才能夠理解、上手，老 師在我剛進入研究室時就發現了這狀況，所以在指導我的時候，總是耐心且仔細、 不辭辛勞的一次次的講解直到我能理解為止，當我在研究上遇到問題時，老師不 管再忙碌，總是立即放下手邊的工作聆聽問題，並提供我寶貴的意見。且不僅是 學術上，當我在生活上以及待人處事上遇到問題時，老師也都相當熱心的給予我 建議以及幫助，真的非常感謝老師。 同時也要感謝國立台北科技大學材料及資源工程系王泰典博士、工業技術研 究院綠能與環境研究所林蔚博士、台灣電力公司營建處地質組焦中輝博士以及中 興工程顧問社大地工程研究中心岩盤工程組俞旗文博士，感謝各位在百忙之中抽 空前來擔任我的口試委員，並在口試時細心地給予我論文上的指導以及寶貴的建 議，使我受益良多。 接著感謝實驗室的各位。感謝詠恬學姊不管是在實驗室 meeting，還是其他 實驗室的大小事都給予我很大的幫助以及建議。感謝天祥學長在研究上的細心指 導。感謝中豪在我剛進研究室時給我的建議及照顧。感謝宗潁學長及 F406 的各 位學長姐們的照顧。感謝阿義學長、筱君、啟舜、朝彥、亞彤、穎蓉、子恩、育 愷、致緯、蕙君、炳權、傳立、傑笙以及各位曾經待過 Ya’s Lab 的所有夥伴們， 因為有你們的陪伴，讓我的碩士班生活變得更豐富，充滿著許許多多珍貴的回 憶。 感謝在花蓮和平井場及彰濱井場駐井時給予我研究上及生活上幫助的各位 中興公司的學長、台大的學弟及工人們，因為有你們給予的幫助，才讓我能夠順 利的完成實驗。 也要感謝財團法人中興工程顧問社提供給我這個機會讓我參與這個研究計 畫：井測、岩心處理與分析評估及地質模型建立(計畫編號:TG11230-D)，進行這 項研究計畫期間穰我學習到了很多駐井的相關事情。 特別感謝我的幾位兄弟，東晉、祥璟、駿綱，因為有你們支持我、鼓勵我， 我才能熬過這段日子，真的很謝謝你們。 最後想謝謝我的父母親、妹妹、外公外婆以及所有關心我的親戚們。老爸、 老媽、小妹，因為有你們的支持與鼓勵，才讓我可以全心全意、沒有後顧之憂的 念書，真的很感謝有你們陪伴在我身邊，謝謝你們。. V.
(7) VI.
(8) 目錄 摘要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................ III 致謝 ..........................................................................................................................V 目錄 ....................................................................................................................... VII 圖目錄 ......................................................................................................................X 表目錄 ................................................................................................................. XIV 第一章 緒論............................................................................................................. 1 1.1 研究動機 ........................................................................................................ 1 1.2 研究目的 ........................................................................................................ 2 1.3 研究大綱 ........................................................................................................ 2 1.4 文獻回顧 ........................................................................................................ 5 1.4.1 GPS ........................................................................................................... 5 1.4.2 震源機制................................................................................................... 6 1.4.3 音射法 ..................................................................................................... 7 1.4.4 井孔崩落.................................................................................................. 8 1.4.5 側向應力與應力比值 ............................................................................. 13 第二章 研究區域 ................................................................................................... 15 2.1 地體架構介紹 .............................................................................................. 15 2.2 地質背景 ...................................................................................................... 17 2.2.1 花蓮和平................................................................................................ 18 2.2.2 彰濱工業區崙尾區 ................................................................................ 22 第三章 研究方法 ................................................................................................... 29 3.1 ASR 方法介紹............................................................................................... 29 3.2 ASR 試驗原理............................................................................................... 31 VII.
(9) 3.3 實驗儀器介紹 .............................................................................................. 33 3.4 實驗流程 ...................................................................................................... 41 3.5 樣本製作 ...................................................................................................... 45 3.6 岩芯定向 ...................................................................................................... 50 第四章 實驗結果 ................................................................................................... 51 4.1 花蓮和平 ...................................................................................................... 51 4.1.1 岩芯定向................................................................................................ 51 4.1.2 分析結果................................................................................................ 52 4.1.3 應力方向與應力型態 ............................................................................ 57 4.1.4 應力規模................................................................................................ 61 4.2 彰濱工業區之應力分析結果 ....................................................................... 63 4.2.1 岩芯定向................................................................................................ 63 4.2.2 分析結果................................................................................................ 66 4.2.3 應力方向與應力型態 ............................................................................ 70 4.2.4 應力場規模 ............................................................................................ 73 第五章 討論........................................................................................................... 77 5.1 討論影響 ASR 應力分析的因素 .................................................................. 78 5.2 討論不同深度樣本間非彈性應變回復量之異同......................................... 79 5.3 利用 ASR 結果討論和平地區的應力場型態並與其他結果比較 ................ 80 5.4 計算應力規模梯度並討論地體構造的意義 ................................................ 83 5.5 討論 ASR 應力資料對土木大地工程的應用 .............................................. 85 5.6 探討彰濱地區 ASR 應力場與其他結果之異同............................................ 90 5.7 討論彰濱地區不同深度樣本間非彈性應變回復量之異同 .......................... 92 5.8 計算彰濱地區應力規模梯度並且討論地體構造之意義 .............................. 93 5.9 利用 ASR 量測結果計算彰濱地區的灌注壓 .............................................. 94 VIII.
(10) 5.10 討論彰濱工業區 ASR 應力資料對土木大地工程的應用 .......................... 97 第六章 結論與建議 ..............................................................................................101 6.1 結論 .............................................................................................................101 6.2 建議 .............................................................................................................103 參考文獻 ...............................................................................................................105 附錄(一) 碩士學位考試口試委員提問與回覆對照表 .........................................111 附錄(二).................................................................................................................115. IX.
(11) 圖目錄 圖 1.1 研究流程圖。 .............................................................................................. 4 圖 1.2 臺灣地區水平應變速率及面膨脹率分佈圖 ................................................ 5 圖 1.3 台灣東北部區域震源機制之應力場分佈圖 ................................................ 6 圖 1.4 近場地震網網內地震之震源機制。............................................................ 7 圖 1.5 彰濱井場四臂井徑儀與 FMI 判釋水平最大應力方位隨深度之變化。... 10 圖 1.6 密度電測隨深度分布圖及鉛直應力隨深度分布圖。................................ 11 圖 1.7 岩心之單軸抗壓強度 C0 隨深度之分佈。 ................................................ 11 圖 1.8 頁岩之單軸抗壓強度(C0)隨深度分佈圖。............................................... 12 圖 1.9 彰濱地區推估之現地應力場。 ................................................................. 12 圖 2.1 台灣板塊構造示意圖。 ............................................................................. 16 圖 2.2 台灣地質圖。 ............................................................................................ 17 圖 2.3 和平地區地質圖。 .................................................................................... 19 圖 2.4 淺部岩心。 ................................................................................................ 20 圖 2.5 深部岩心。 ................................................................................................. 20 圖 2.6 和平井場相片。 ........................................................................................ 21 圖 2.7 和平井場井架照片。................................................................................. 21 圖 2.8 彰濱井場位置圖。 .................................................................................... 26 圖 2.9 彰濱現地相片。 ........................................................................................ 27 圖 2.10 彰濱現地井架相片。............................................................................... 27 圖 3.1 應力與應變回復示意圖。 ......................................................................... 30 圖 3.2 應力與應變關係圖。................................................................................. 30 圖 3.3 花蓮和平井場設備圖。 ............................................................................. 33 圖 3.4 彰濱井場設備圖。 .................................................................................... 34 圖 3.5 實驗器材。 ................................................................................................ 34 X.
(12) 圖 3.6 資料擷取器。 ............................................................................................ 35 圖 3.7 恆溫水循環系統。 .................................................................................... 36 圖 3.8 不斷電系統。 ............................................................................................ 37 圖 3.9 恆溫水槽。 ................................................................................................ 38 圖 3.10 單軸應變規。 .......................................................................................... 39 圖 3.11 雙軸應變規。 .......................................................................................... 39 圖 3.12 白金電阻測溫棒。................................................................................... 40 圖 3.13 非彈性應變回復法之三軸主應力計算流程圖。 .................................... 41 圖 3.14 非彈性應變回復法實驗流程。 ............................................................... 45 圖 3.15 岩芯紅藍參考線圖。............................................................................... 46 圖 3.16 岩芯 ASR 參考線示意圖。 ..................................................................... 47 圖 3.17 岩芯黏貼應變規示意圖。 ....................................................................... 48 圖 3.18 實驗樣本放入水箱。............................................................................... 49 圖 3.19 應變規接上資料擷取器。 ....................................................................... 49 圖 4.1 和平岩芯方向校正圖。 ............................................................................. 52 圖 4.2 樣本 8 ASR 18 個應變計資料。 ................................................................ 55 圖 4.3 和平樣本 8 9 個方向 ASR 應變計資料。 .............................................. 55 圖 4.4 和平樣本 8 最大、次大、最小與平均主應變值隨時間變化的結果。 .... 56 圖 4.5 和平 ASR 樣本 8 非彈性主偏差應變比值圖。 ........................................ 56 圖 4.6 和平 ASR 樣本 8 非彈性主應變方向投影圖。 ........................................ 57 圖 4.7 ASR 應變主軸之下半球投影圖。 .............................................................. 58 圖 4.8 水平最大應力方向對樣本深度作圖。...................................................... 59 圖 4.9 最大主應力傾沒角隨深度的變化。.......................................................... 60 圖 4.10 和平地區三軸主應力規模隨深度之變化。 ............................................ 61 圖 4.11 樣本 6 階段去磁的翟氏分量圖。............................................................ 64 XI.
(13) 圖 4.12 樣本 6 移除二次磁場後的翟氏分量圖。 ................................................ 64 圖 4.13 校正過後的彰濱 ASR 應變主軸下半球投影圖。................................... 65 圖 4.14 彰濱樣本 6 ASR 18 個應變計數據、水溫的時間數據。 ....................... 67 圖 4.15 彰濱樣本 6 的 9 個方向 18 個 ASR 應變計資料。 ................................. 68 圖 4.16 彰濱樣本 6 最大、次大、最小與平均主應變值隨時間變化的結果。 .. 68 圖 4.17 彰濱 ASR 樣本 6 非彈性主偏差應變比值圖。 ...................................... 69 圖 4.18 彰濱 ASR 樣本 6 非彈性主應變方向投影圖。 ...................................... 69 圖 4.19 ASR 應變主軸之下半球投影圖。 ............................................................ 71 圖 4.20 水平最大應力方向隨深度之分布圖。 ..................................................... 72 圖 4.21 彰濱定向樣本之最大主應力傾向隨深度之變化。................................. 72 圖 4.22 彰濱地區三軸主應力規模隨深度之變化。 ............................................ 75 圖 5.1 非彈性主應變回復量之變化。 ................................................................. 79 圖 5.2 安德森斷層理論之正斷層應力場示意圖。 .............................................. 80 圖 5.3 ASR 和 AE 三軸應力之比較。 .................................................................. 81 圖 5.4 ASR 和 AE 推估水平最大應力方向之比較。 ........................................... 82 圖 5.5 ASR 和 AE 推估 σv 傾沒角之比較。 ....................................................... 83 圖 5.6 和平應力場不連續示意圖。 ..................................................................... 85 圖 5.7 和平應力場連續示意圖。 ......................................................................... 85 圖 5.8 和平地區 k 隨深度之變化。 ..................................................................... 86 圖 5.9 和平地區 kH 隨深度之變化。 .................................................................. 87 圖 5.10 和平地區 kh 隨深度之變化。 ................................................................. 87 圖 5.11 和平地區 ψ 隨深度之變化。 ................................................................. 88 圖 5.12 鉛直應力與側向應力比值之分佈。........................................................ 89 圖 5.13 ASR 和電測水平最大方向之比較。 ........................................................ 91 圖 5.14 井壁破裂與 ASR 水平最大應力方向之比較。 ...................................... 91 XII.
(14) 圖 5.15 彰濱地區非彈性主應變回復量之變化。 ................................................ 93 圖 5.16 凝聚力隨深度變化趨勢圖。 ................................................................... 95 圖 5.17 摩擦角隨深度變化趨勢圖。 ................................................................... 95 圖 5.18 灌注壓隨深度變化趨勢圖。 ................................................................... 96 圖 5.19 彰濱地區 k 隨深度之變化。 ................................................................... 97 圖 5.20 彰濱地區 kH 隨深度之變化。 ................................................................ 98 圖 5.21 彰濱地區 kh 隨深度之變化。 ................................................................. 99 圖 5.22 彰濱地區 ψ 隨深度之變化。 ................................................................100. XIII.
(15) 表目錄 表 1.1 水力破裂量測結果。................................................................................. 13 表 2.1 彰濱地區鑽井地層層位表。 ..................................................................... 25 表 4.1 和平地區取樣明細表。 ............................................................................. 62 表 4.2 樣本古地磁資料磁偏角與岩芯藍色參考線之方位角。 ........................... 66 表 4.3 彰濱地區取樣明細表。 .............................................................................. 74. XIV.
(16) 第一章 緒論. 1.1 研究動機 台灣位於歐亞板塊和菲律賓海板塊斜向聚合的碰撞造山帶上，是板塊運動活 躍的活動構造區。地體構造的分區以花東縱谷為界，東為菲律賓海板塊的海岸山 脈，西為歐亞大陸邊緣的中央山脈，西部麓山帶與海岸平原區。花蓮和平地區位 於東北部的脊樑山脈，正好處於菲律賓海板塊與歐亞板塊隱沒反轉的轉折帶上， 造山演化史複雜，花蓮和平地區曾受到擠壓碰撞使得由向西逆衝的擠壓構造轉成 向東之背衝褶皺而形成扇狀構造，隨後受到板塊隱沒反轉與弧後擴張作用之影響 (焦中輝，1991)。 本研究中另一個實驗場址位於彰濱工業區的崙尾區，地質分區是屬於海岸平 原區。彰濱工業區崙尾區屬於海岸平原區的造山帶變形前緣，由於遠離活動斷層， 所以區域應力場較為穩定，且因為沒有太密集的斷層分布，裂隙與破碎帶等構造 較少，適合作為工程建設的場址。基於以上原因，所以選擇花蓮和平及彰濱工業 區崙尾區做為研究區域。 岩石應力是固體地球科學與科技的重要參數之一。在地質營力與重力場長期 作用之下，不同種類的應力於地殼中持續形成(Engelder,1993)，而現地應力是指 地層在未受到任何擾動的狀況下，受到上覆岩層擠壓或板塊構造運動等作用產生 的內應力。如果區域的板塊運動劇烈，則會影響當地岩層之應力大小與方向。影 響現地應力的因素有很多，例如：上覆岩石的種類與重量、區域構造、地形、溫 度、侵蝕、抬升、不均質性、異向性等(Amadei and Stephansson ,1997)，因此對 於現地應力的成因目前尚無詳細的理論基礎。現地應力場為地質與大地工程之重 要依據，因為現地應力的大小及方向會影響到工程的施工方式與工程安全性，所 以能否準確量測且評估現地應力就顯得相當重要。為了釐清地底下的現地應力狀. 1.
(17) 況，最好的方式為進行實地的量測工作。但現地應力調查工作常因岩盤現地應力 量測與施工複雜，所以於台灣進行現地應力量測不多，而應力量測岩芯法中的非 彈性應變回復法，可以利用單一岩芯樣本進行量測，並快速且準確地評估包含： 應力場方向及規模等三維現地應力資訊，且分析快速、成本較低，所以本研究選 用岩芯現地應力量測法中的非彈性應變回復法來作量測與分析。. 1.2 研究目的 現地應力的大小及方向會影響到一般工程和地下工程的施工方式與工程安 全性，所以量測及釐清地底下的應力場狀況是重要的工程前置工作。本研究為了 解變質岩及沉積岩兩種岩性現地應力場的狀態，測量兩實驗場址三維現地應力的 方向與規模，討論其現地應力資訊所表達的地質與工程意義。本研究利用 Matsuki (1991)所提出的非彈性應變回復法來作為量測現地應力的主要方法，說明如何利 用鑽井取得的岩芯進行試驗，說明如何分析量測結果並解算三維主應力場大小與 方向，藉此探討花蓮和平地區及彰濱工業區現地應力分布之狀況，分析結果並與 前人的研究結果進行比對與探討，最後說明於土木大地工程上的應用。希望本次 實驗所使用的現地應力量測與實驗結果計算等相關流程可以提供未來有關的現 地應力相關研究之參考。. 1.3 研究大綱 本研究主要內容是利用 Matsuki (1991, 2008)所提出的非彈性應變回復法 (ASR)來探討實驗場址的現地應力方向與大小及分布情況。本文分為六個章節， 第一章緒論講述本研究的研究動機與目的，並回顧前人在花蓮和平地區及彰濱工 業區的研究結果；第二章研究區域是針對兩個研究地區花蓮和平地區及彰濱工業 區的地理環境、地質背景、岩性及構造進行詳細介紹；第三章研究方法則在介紹 非彈性應變回復法(ASR)的實驗處理流程和實驗數據後續分析與三軸應力計算； 2.
(18) 第四章實驗結果是展現 ASR 量測之數據的結果，並將演算出來的結果加以分析 與比較；第五章討論是藉由三軸應力及應力場型態隨深度的變化來討論當地的應 力場狀況，以及與前人研究如全球衛星定位系統(GPS)、震源機制、音射法(AE) 來和 ASR 進行比對和探討；第六章再針對本研究提出結論及建議，研究流程為 圖 1.1。. 3.
(19) 圖 1.1 研究流程圖。 4.
(20) 1.4 文獻回顧 1.4.1 GPS Hsu et al.（2009）蒐集了從 1993 到 1999 年之間，195 個衛星控制點與 17 個 GPS 衛星連續追蹤站的資料，加以分析之後對全台地殼變形與板塊邊界做了 描述(圖 1.2)。GPS 速度場於台灣東北部有順時鐘旋轉的情形，且在和平地區的 應變場拉張方向大致為南北向擠壓、東西向拉張。至於在台灣西部，GPS 速度場 由南往西部有逆時鐘旋轉的情形，且從圖中可以也可看出應變在此發生轉向，彰 濱地區的應變場拉張方向是南北向拉張。. 圖 1.2 臺灣地區水平應變速率及面膨脹率分佈圖。黑色向量表示擠壓方向、灰 色向量表示伸張方向，底色為面膨脹率（摘自 Hsu et al., 2009）。 5.
(21) 1.4.2 震源機制 震源機制解可用來表示地震發生時震源地區之應力分佈情形，進而用來釐清 發震構造以及地底下的板塊運動情況，又稱地震斷層面解(潘邵勇，2013)。Huang et al (2012)，藉由震源機制求解區域應力場(圖 1.3)，其結果顯示蘇澳至花蓮之間 屬於東西向擠壓與南北向拉張之走向滑移應力場，花蓮以南屬於西北—東南向的 碰撞擠壓，圖 1.5 為原能會 101 年公布的震源機制解，從虛線圈位置可以看到 10 公里以上為正斷層應力場。由於彰濱工業區屬於填海地，無地震帶，所以無法取 得震源機制資料. 圖 1.3 台灣東北部區域震源機制之應力場分佈圖。六個震源機制圖分別代表不 同的符號。 S1、S2、和 S3 分別是最大主應力、次大主應力及最小主應力的應 力主軸，分別由黑色正方型、紅色三角型和藍色圓圈表示。(摘自 Huang et al,2012) 6.
(22) 圖 1.4 近場地震網網內地震之震源機制，藍色、綠色和紅色分別代表為正斷層、 走向滑移斷層和逆斷層；虛線圈示淺於 10km 的正斷層。(摘自用過核子燃料最 終處置計畫潛在處置母岩特性調查與評估階段 101 年度成果報告). 1.4.3 音射法 潘紹勇(2013)基於 Stephansson and Zang(2010)提出的場址現地應力模型考量 之架構下，利用花蓮和平變質花崗岩岩芯進行室內試驗，探討花蓮和平地區現地 應力分佈情況。研究結果顯示，利用不同加卸載階段獲得的 AE 事件數與應變率 差值，可研判預應力之方向與區間，進一步利用 Yabe et al.(2010)提出的方法， 可推估主應力之方向與量值。潘紹勇(2013)在深度 505-506 m 岩芯 AE 實驗求得 的鉛直、水平最大與水平最小主應力分別為 12.5、9.15、7.09 MPa，對應的方向 分別為鉛直、 152 °、62 °。深度 531-532 m 岩芯 AE 實驗求得的鉛直、水平最 7.
(23) 大與水平最小主應力分別為 13.0、9.06、7.44 MPa，對應的方向分別為鉛直向、 78°、168°。深度 535-536 m 岩芯 AE 實驗求得的鉛直、次水平最大與水平最小 分別為 13.0、9.39、7.86 MPa，對應的方向分別為鉛直向、78°、168°。 花蓮和平地區最大主應力方向在鉛直方向，大致上等同於岩覆應力，為正斷 層應力型態；水平向最大主應力方向在不同深度大致相同。. 1.4.4 井孔崩落 劉建麟(2014)在彰濱地區利用電測資料推估彰濱地區鑽井場址的地下應力 場，將各方法所求得的水平最大應力方向畫出玫瑰圖，如圖 1.4。判斷 1500 -3000 m 的中的井孔崩落及橢圓形坍孔。在 1500-1960m 共有 26 段井孔崩落與 3 段橢 圓形坍孔，累積長度為 73m 與 25 m，平均水平最大應力方向為 175 度。1960-2135m 共有 3 段井孔崩落，沒有橢圓形坍孔，累積長度為 6m，平均水平最大應力方向 為 80 度。在 2135- 2295m 共有 15 段井孔崩落與 5 段橢圓形坍孔，累積長度為 22m 與 7m，平均水平最大應力方向為 75 度。在 2295-2800m 共有 15 段井孔崩 落與 17 段橢圓形坍孔，累積長度為 22m 與 39m，平均水平最大應力方向為 85 度。在 2800-3000m 共有 6 段井孔崩落與 4 段橢圓形坍孔，累積長度為 12m 與 8m，水平最大應力方向為 70 度。由圖 1.4 之玫瑰圖可以明顯看出，除了較淺層 的水平最大應力方向為北北西-南南東走向，其餘各地層的水平最大應力方向皆 為東北-西南走向，且更傾向於東西走向。 另外劉建麟(2014)也利用電測資料推估台灣彰濱地區鑽井場址的地下應力 規模，其利用密度電測計算鉛直應力，由於 1500-3000 m密度電測變化相對較大， 因此計算前需要參考密度修正值△ρ(density correction)，將△ρ超過±0.05 g/cm3 以及異常的地層密度值去除，再用密度對深度做積分求得彰濱地區之鉛直應力梯 度為 21.9 MPa/km (圖 1.5)。水平最小應力則是利用彰濱工業區水力破裂試驗所 得之滲漏壓力值，再進一步換算而求得。水力破裂量測得結果求得水平最小應力. 8.
(24) 值如表 1.1，其中泥漿壓力(P0)是由泥漿對深度積分求得，而井頭試壓(Pt)則直接 讀取瞬間閉合壓力值，兩者相加就等於該深度水平最小應力，其迴歸獲得梯度值 為 14.1 MPa/km。至於水平最大應力的部分，先量測 FMI 影像中顯示的井孔崩落 (borehole breakout)之長度與寬度，並利用台灣電力公司由井下岩心所測得之單軸 抗壓強度(C0)；(圖 1.6)，將頁岩之單軸抗壓強度與深度迴歸進行分析(圖 1.7)。 進而計算水平最大應力梯度為 20.3 MPa/km (圖 1.8)。進一步比較井孔崩落求得 之水平最大應力 (SHmax)、水力破裂試驗求得之水平最小應力(Shmin)及密度電 測積分求得之鉛直應力(Sv)，結果顯示 Sv > SHmax > Shmin，顯示彰濱地區的現 地應力狀態為正斷層應力場。. 9.
(25) 圖 1.5 彰濱井場四臂井徑儀與 FMI 影像判釋水平最大應力方位(0°~180°) 隨深 度之變化。藍點為利用井徑電測判別井孔崩落(BB)的水平最大應力方位，紅點為 利用橢圓形坍孔(WA)判別水平最大應力方位。綠點為利用 FMI 影像之井孔崩落 判別大水平應力方位，依據顏色由淺至深分為 A、B、C 級，右圖為各地層中水 平最大應力方位玫瑰圖。(摘自劉建麟，2014)。. 10.
(26) 圖 1.6 左圖為密度電測隨深度分布圖，右圖為鉛直應力隨深度分布圖。(摘自劉 建麟，2014)。. 圖 1.7 岩心之單軸抗壓強度 C0 隨深度之分佈。顏色表示不同伽瑪值範圍，0-30 gAPI 為藍深色，30-60 gAPI 為淺藍色，60-90 gAPI 為桃紅色，90-120 gAPI 為綠 色，120-150 gAPI 為咖啡色(資料來源：台灣電力公司(2014)，摘自劉建麟， 2014) 。 11.
(27) 圖 1.8 頁岩之單軸抗壓強度(C0)隨深度分佈圖(摘自劉建麟，2014)。. 圖 1.9 彰濱地區推估之現地應力場。淺藍線為靜水壓，深藍線為由水力破裂獲 得的水平最小應力迴歸線，紅點為由井孔崩落求得水平最大應力值，而紅線為水 平最大應力值的迴歸線，綠線為鉛直應力(摘自劉建麟，2014)。. 12.
(28) 表 1.1 水力破裂量測結果(摘自劉建麟，2014)。. 1.4.5 側向應力與應力比值 Brown and Hoek (1978)蒐集了多處的現地應力量測資料，討論水平應力分量 與鉛直應力分量比值隨深度變化之關係。結果顯示鉛直應力分量大致上隨著覆蓋 深度增加而變大，水平應力分量與鉛直應力分量的比值則在覆蓋較小時變異較大， 覆蓋愈深，變異愈小。不同覆蓋深度的現地應力變化常被用來討論現地應力分佈 的複雜性，又因鉛直應力分量不易直接量測，所以常直接假設為岩覆應力，導致 水平應力分量與鉛直應力分量的比值變異較大。有鑒於此，本研究可以利用 ASR 量測結果所計算出來兩個研究地區的側向應力係數與應力比值之經驗公式，可用 來評估實驗場址及其附近的應力場。. 13.
(29) 14.
(30) 第二章 研究區域. 2.1 地體架構介紹 台灣為一活動造山帶，位處於菲律賓海板塊與歐亞板塊的斜向聚合帶上，連 接著馬尼拉海溝與琉球海溝島弧系統(圖 2.1； Chai,1972； Biq, 1972; Bowin et al., 1978; Barrier and Angelier, 1986;Ho, 1986; Teng,1990)。在臺灣的南邊，位於歐亞 板塊上的南中國海板塊向東隱沒到菲律賓海板塊之下，形成南北向的馬尼拉海溝 與呂宋島弧。菲律賓海板塊每年以 80~90mm 的速度(Yu et al., 1997; Sella et al.,2002)向西北方向移動(305°~310°；Seno et al.,1993)，與東北向的歐亞大陸邊 緣發生碰撞擠壓，造成地殼增厚與變形而形成臺灣造山帶。而在臺灣東北部，菲 律賓海板塊向北隱沒到歐亞大陸板塊之下，形成東西向的琉球島弧與沖繩海槽弧 後盆地，此一張裂作用由東向西逐漸影響著北臺灣，造成北臺灣的山脈崩陷(Teng et al., 2000)。這兩組的隱沒作用產生了兩隱沒方向相反的島弧系統。由於台灣板 塊聚合方式為斜向聚合，造山帶存在著一種時間—空間對比的關係，因此從南到 北，一系列的東西向剖面代表著臺灣造山帶的演化史中不同的時間切面(Suppe, 1981)。由於在臺灣東北部有板塊隱沒反轉的現象(Suppe, 1984)，臺灣造山帶從南 到北可以分為碰撞前、活躍碰撞到碰撞後期等不同階段(Huang et al., 2006；葉恩 肇，2012；鄧屬予，2007) 臺灣造山帶由西到東可以分為海岸平原區、西部麓山帶、中央山脈(雪山山 脈與脊樑山脈)、花東縱谷與海岸山脈(Ho, 1986)。由於斜向聚合作用來自東邊， 臺灣造山帶的熱流量與變形強度由西向東逐漸增加(Yen, 1967; Ho, 1986; Lee and Cheng, 1986; Tsao et al.,1993,1998; Chen and Wang, 1995; Yui, 2005; Beysaac et al., 2007; Chi and Reeds, 2007)。呂宋的火山島弧向北延伸，經過一連串的火山島列， 通過蘭嶼和綠島，銜接到臺灣東部的海岸山脈（Yang et al.,1996） ；馬尼拉海溝向 北可連接臺灣山脈的變形前緣（Reed et al., 1992；Liu et al., 1997）；北呂宋海槽 15.
(31) 則延伸到臺灣的東南海域（Huang and Yin, 1990；Lundberg et al., 1997 ） 。此外， 呂宋島弧下方向東傾斜的班尼奧夫帶也可延伸到臺灣南部（Tsai, 1986；Kao et al., 2000） 。不過在呂宋地區，向東隱沒的是南海的海洋地殼（Bowin et al., 1978; Hayes and Lewis, 1984）；在臺灣，則是歐亞板塊的大陸地殼。由於大陸地殼的比重較 輕，無法像海洋地殼一樣順利進入隱沒帶，因此被壓縮與抬升，而形成臺灣的碰 撞造山帶（Chai, 1972；Suppe, 1981） 。在弧陸碰撞的構造框架中，臺灣東部的花 東縱谷可視為島弧和大陸之間的縫合線（何春蓀，1986）；縱谷東邊的海岸山脈 屬於呂宋島弧，縱谷以西的地區則屬大陸邊緣。如今在臺灣造山帶的西方，臺灣 海峽和西部平原尚未捲入造山運動，仍保有原來歐亞大陸邊緣的構造形態；其地 層大致平整，除了些微的撓曲和下陷外，並沒有明顯的褶曲現象（Chow et al.,1991； Lin et al., 2003） 。往東進入造山帶，大陸邊緣的岩層就受到擠壓和抬升，形成一 系列北北東向的褶皺和斷片，出露在西部麓山帶和中央山脈。(葉恩肇，2012； 鄧屬予，2007). 圖 2.1 台灣板塊構造示意圖。台灣島經由歐亞板塊及菲律賓海板塊擠壓碰撞而形 成，板塊隱沒方向於南北兩側不同，菲律賓海板塊以每年約 80~90mm 的速度朝 歐亞板塊前進(Angelier, 1986；何春蓀, 1986)。 16.
(32) 2.2 地質背景 以下分述本研究區域(花蓮和平與彰濱工業區)的基本地層與構造分布以及 演化史。圖 2.2 為台灣地質圖，紅色框的位置是花蓮和平區域位置，黑色框的位 置是彰濱工業區崙尾區位置。. 圖 2.2 台灣地質圖。紅色框的位置是花蓮和平區域位置，黑色框的位置是彰濱 工業區崙尾區位置。(改繪自 Yeh,2004) 17.
(33) 2.2.1 花蓮和平 現今臺灣造山帶的地層分布，除了脊樑山脈東翼為古生代—中生代大南澳變 質雜岩基盤(包含黑色片岩、綠色片岩、矽質片岩、大理岩、片麻岩、變質花崗 岩、角閃岩、蛇紋岩與變質基性岩)，由其岩性分布的差異可分為西側太魯閣帶 與東側玉里帶(Yen, 1963)，其他部分原為第三紀以來的沉積蓋層，之後受到弧陸 碰撞的影響，西部麓山帶成為未變質的褶皺逆衝帶，雪山山脈與脊樑山脈因受到 較高的溫壓作用，形成不同程度的變質岩，從硬頁岩、板岩到片岩。而海岸山脈 為呂宋島弧的向北延伸，所以，花東縱谷為菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊的交界 (Ho,1988)。詳細而言，區域葉理面於脊樑山脈一般呈現東北走向，大致平行山 脈方向，而其傾斜方向從西邊的向東傾斜到東邊的向西傾斜，呈一扇狀構造 (Stanley et al., 1981; Faure et al., 1991; Clark et al.,1992)。但是，由於斜向碰撞點 的關係，葉理面走向於蘇澳到和平之間，由東西走向逐漸轉為東北—西南走向(Lu and Malavieille, 1994)(葉恩肇，2012)。 花蓮和平地區位於臺灣東北部的脊樑山脈，正好處於菲律賓海板塊與歐亞大 陸板塊隱沒反轉的轉折帶，演化史複雜。和平地區的岩層，西部一部分為板岩帶， 其餘部分皆為大南澳片岩的太魯閣帶。和平地區地層年代由東向西遞減，由東部 之古生代晚期至中生代之地層向西成為中新世及現代之地層。由於和平地區位於 現今隱沒反轉的轉折帶，新生代受弧陸碰撞與隱沒反轉作用，造山演化史複雜， 曾歷經擠壓碰撞，由向西的逆衝擠壓轉成向東的背衝褶皺，形成扇狀構造(焦中 輝，1991)，之後，受到隱沒反轉與弧後張裂作用逐漸形成張裂構造。同時，由 於碰撞點以北的南北向擠壓關係，和平以北的葉理面為東西走向。藉由區域震源 機制的應力反演，其結果顯示現今花蓮以南仍處於西北—東南向的碰撞擠壓，花 蓮至蘇澳之間為東西向擠壓與南北向拉張的走向滑移應力場，而蘭陽平原中央為 西北—東南向拉張的正斷層應力場(Huang et al,2012)。同時，於花蓮以北的地區， GPS 分析結果也顯示為西南方向的位移場(Yu et al., 1997; Rau et al., 2008)。綜合. 18.
(34) 地質演化史、現今 GPS 應力場與速度場之研究結果顯示和平地區處於活動碰撞 與碰撞後期的轉換帶，現今的應力場多為東西向擠壓與南北向拉張的走向滑移應 力場。(葉恩肇，2012) 本研究地區位於脊樑山脈之太魯閣帶，圖 2.3 為井場附近區域岩層分佈圖， 井場和平溪上游為黑色片岩、綠色片岩區、片麻岩，井場和平溪下游河口為變質 花崗岩-變質石灰岩與沖積層，鑽孔位置皆為位於花崗片麻岩，而此鑽井進行 600m 取芯，除表層為沖積層，以下岩性皆為變質花崗岩。特別的是，這裡原來 是個花崗岩體，蓬萊造山運動之後，靠近剪切帶的會看到片麻岩，遠離的話會看 到變質花崗岩，這時再結晶作用比較發達，地下水面為 21m。圖 2.4 與 2.5 為淺 部及深部的岩心樣本。圖 2.6 及 2.7 為和平井場相片。. 圖 2.3 和平地區地質圖。藍色點的位置是井場的所在位置。(修改自羅偉，2012). 19.
(35) 圖 2.4 淺部岩心。. 圖 2.5 深部岩心。. 20.
(36) 圖 2.6 和平井場相片。. 圖 2.7 和平井場井架照片。. 21.
(37) 2.2.2 彰濱工業區崙尾區 本研究的第二個研究區域位於台灣西部彰化縣濱海工業區的崙尾區(圖 2.8)， 鑽井位置位於西部海岸平原區，圖 2.9 與圖 2.10 彰濱工業區井場的現地照片，該 地區屬於填海造陸區域，根據中油在此探勘井進行超微化石分析結果說明書，鑽 井地層以西部麓山帶的地層為主，地層深度由淺至深分別為：頭嵙山層、卓蘭層、 錦水頁岩、桂竹林層、觀音山砂岩、打鹿頁岩和北寮層(表 2.1)。此地區的岩芯 岩性主要是以砂岩和頁岩為主。 前人已在西部麓山帶地層進行多項研究，例如陳振華(1993)針對西部麓山帶 地層做過岩象學砂岩分類分析，了解不同時期此區域沉積物的來源。楊志成(1997) 藉由野外地質調查、超微化石分析和磁性地層資料對於頭嵙山層、卓蘭層和錦水 頁岩層這些地層的沉積環境演化過程進行研究。江紹平(2007)則是將野外量測到 的露頭資料與數口井測資料比對，針對錦水頁岩、桂竹林層和南莊層的地層層序 演變做進一步的推演。王順民(2006)利用車籠埔斷層鑽井岩心和電測資料建立頭 嵙山層、卓蘭層、錦水頁岩和桂竹林層地層柱，提出西部麓山帶沉積體系和沉積 相，並且探討這四個地層的沉積環境。 以下依據地層深度分別描述西部麓山帶各地層的特性(陳培源，2006)： 頭嵙山層命名是因為此地層源自於台中市豐原區東南面的頭嵙山，地層上段 有數百公尺厚之塊狀礫岩，大多為厚層構造，中間夾雜薄砂岩或頁岩；地層中段 則有泥質砂岩和礫石互層，地層中含有貝類化石，為一過渡層；而地層下段則是 以青灰色砂岩、頁岩夾薄礫岩，地層下段的厚度可達 900 公尺左右。由於表層裸 露的地層是頭嵙山層的上部構造，露出的礫石是其最大特徵，所以常在山路旁、 河岸邊可見大量崩落的礫石堆積而成的扇狀堆積地。頭嵙山層沈積時的環境有河 相、濱海相以及淺海相。 卓蘭層是烏居敬造(1935)命名的地層，它的標準地點在苗栗縣南部的卓蘭鎮。 卓蘭層平均厚度為 2000 公尺，是由砂岩、粉砂岩、泥岩、和頁岩的互層所組成。. 22.
(38) 在這個巨厚的碎屑沉積岩層中，岩相變化得很快，又缺少指準層，所以很難把它 細分為若干較明顯的岩段。砂岩常呈淡青灰色或淡灰色，細粒，略含雲母質，層 厚為數 10 公分到 2 公尺不等，有些較厚的砂岩可以達到 5 公尺以上的厚度。砂 岩的種類有混濁砂岩到亞混濁砂岩等，少數白色正石英砂岩互層也出現在本層內。 頁岩和泥岩呈現青灰色或暗灰色，一般層厚在 20 至 50 公分間，部分地方也出現 有較厚的頁岩層。卓蘭層內具有交錯層和波痕，顯示本地層大部是淺水相的沉積 物。卓蘭層為一系列向上顆粒變粗序列，向上砂岩逐漸變厚。每個向上變粗的地 層層厚分別由數 10 公尺到 80 公尺不等。在每個序列中，單層砂岩的層厚最小為 數公分，最大可達 20 公尺(楊志成，1997)。卓蘭層和頭嵙山層兩地層的中間並 沒有明顯的沉積間斷和分界線。 錦水頁岩最早為安藤昌三郎(1930)在苗栗油田地質研究報告中提出來的，它 的標準地點錦水是錦水天然氣田中央的一個小村莊，由於它的特殊岩性和化石群， 這一個頁岩單位可以作為臺灣西部地層對比上的重要指準層，本層向上向下分別 和卓蘭層及桂竹林層整合接觸。頁岩呈深灰色，具有發育良好的球狀剝離構造， 通常夾有暗灰色凸鏡狀砂岩層以及粉砂岩和泥岩的薄層。在臺灣中部，錦水頁岩 的厚度約在 80 至 100 公尺之間。錦水頁岩是在淺海或較其略深的環境中沉積而 成，富含各種海相生物。錦水頁岩之中上段，有兩組向上變粗序列，沉積環境為 淺海大陸棚(Huang, 1976)。 桂竹林層以淺海相的砂岩和頁岩為其代表，整合在南莊層的上面。本層的名 稱最早由烏居敬造和吉田要(1931)用在苗栗縣的出礦坑油田。沉積環境為淺海至 濱海相(陳培源，2006)。該層在臺灣的中部和中南部被分為三個岩段，分別是下 部的關刀山砂岩段、中間的十六份頁岩段、和上部的魚藤坪砂岩段。它們的標準 地點在苗栗縣的三義和臺中縣的豐原一帶。關刀山砂岩是林朝棨(1935)所創用的 名稱，本層是由細粒到中粒的淡青灰色砂岩組成，間夾少許深灰色頁岩和少量的 礫石條帶，全厚大約是 250 到 300 公尺，向南可以增加到 500 公尺。砂岩通常為. 23.
(39) 厚層塊狀，常常形成陡壁，主要部分為泥質砂岩，並且含有頁岩碎片和薄煤線。 關刀山砂岩底部含薄層的化石層，往上接一系列的向上變粗砂岩序列，愈往上砂 岩厚度愈厚(Huang, 1976)。十六份頁岩為張麗旭和何春蓀(1948)命名的地層，大 部分由深灰色頁岩組成，本頁岩發育最好的地方是苗栗縣的南部和臺中縣，向北 就逐漸尖滅。在它的標準地點，十六份頁岩有 100 到 200 公尺的厚度。魚藤坪砂 岩是林朝棨(1954)提出來的名稱，這是一個以砂岩為主的地層，但含有較多頁岩 的夾層。砂岩是灰色到淡灰色，細粒，厚層到中層。砂岩比較不純，含有相當多 的泥質填充物，所以有人稱之為泥質砂岩。在本地層內砂岩和頁岩所成的薄互層 或薄葉互層很多，砂岩中也有一些炭粒。魚藤坪砂岩的厚度可以從 250 公尺變化 到 550 公尺左右。 觀音山砂岩為張麗旭(1959)所命名，標準地點出露於苗栗縣出磺坑南方約四 公里處之觀音山。年代為中新世中期。觀音山砂岩主要由青灰色至淡灰色細粒石 灰質砂岩之厚層組成，夾灰色頁岩及頁岩薄砂岩之互層，且岩層中常夾有非常多 的貝類化石。觀音山砂岩之厚度約為 150 至 300 公尺。 打鹿頁岩為安藤昌三郎(1930)所命名。標準出露地點在後龍溪畔福基與出磺 坑之間的打鹿坑。年代為中新世中期。打鹿頁岩主要由暗灰色頁岩組成，時夾有 灰色粉砂岩及薄層混濁砂岩，厚度約 300 至 400 公尺。在桃園、新竹、苗栗及臺 中各區臺灣西半部地下之打鹿頁岩之下部，夾有灰白色中粒凸鏡狀副石英砂岩， 名之為打鹿砂岩。這些砂岩往西邊增厚，但向東砂岩層就變薄而很少出露。 北寮層為安藤昌三郎(1930)所命名。標準地點在苗栗縣後龍溪畔之北寮村， 年代為中新世早期。主要由淺灰色到淡青灰色的細粒砂岩所組成，砂岩部分為泥 質或石灰質，層理不明顯，只有在頁岩和砂岩成為互層的部分有層理可見。上部 的砂岩比較富於泥質，常夾有深灰到灰黑色頁岩。厚約 300 至 400 公尺。. 24.
(40) 表 2.1 彰濱地區鑽井地層層位表。(摘自台灣電力公司-期末報告，2014). 25.
(41) 圖 2.8 彰濱井場位置圖。紅色點的位置是彰濱現地井場的所在位置。(摘自 1/25000 臺灣全覽百科地圖集 2，2012). 26.
(42) 圖 2.9 彰濱現地相片右邊的建築為彰濱現地居住區、實驗室，左邊的建築物為 岩芯處理廠。. 圖 2.10 彰濱現地井架相片。 27.
(43) 28.
(44) 第三章 研究方法. 3.1 ASR 方法介紹 岩石應力是固體地球科學與科技的重要參數之一。為了釐清現地應力狀態， Matsuki (1991)提出利用量測解壓岩芯所釋放的非彈性應變量來估計岩芯在地底 下所承受的應力大小與方向，此研究方法稱為非彈性應變回復法 (Anelastic Strain Recovery，ASR)。 首先介紹 ASR 的原理，當岩芯從地層被鑽取進入岩芯套管中時，岩芯會因 為本來在地層中所承受的外在周圍應力的釋放而發生解壓的狀況，使鑽取的岩芯 發生應變回復的情況。而應變回復(Strain recovery)的大小與岩芯在地底下所承受 的應力大小以及岩體強度有關，至於應變回復的方向則是與岩芯於地下所承受的 應力方向有關係，但如果樣本深度太淺，可能會因為樣本釋放的回覆量值低於儀 器可以接受到的最小數值，使儀器接收不到數據。 岩石的應變回復是來自於解壓前所承受各方向的應力(圖 3.1 與圖 3.2)。應變 回復可以拆解為兩個部分，分別是彈性應變回復(elastic strain recover)與非彈性應 變回復(anelastic strain recover)；彈性應變回復會在岩芯從岩層進入岩芯套管時瞬 間釋放完畢，由於釋放時間短暫，所以很難量測到釋放的應變量，至於非彈性應 變回復的部分則是岩芯在釋放彈性應變回復之後，應變繼續隨著時間逐漸的釋放 (Matsuki, 2008)。非彈性應變量與總應變回復量之間為一固定的比例(Voight,1968)， 所以量測非彈性應變回復張便足以代表總應變回復，進而用來計算現地應力場的 大小。 影響非彈性應變回復的因素主要有：現地應力張量、非彈性柔量、孔隙水壓、 溫度變化量與熱膨脹係數。所以，我們可以藉由獲得孔隙水壓、熱膨脹係數、溫 度變化量與非彈性柔量，以及非彈性應變回復法所量測六個不同方向的非彈性應 變量，透過計算，獲得三維的現地應力張量。 29.
(45) 本研究的實驗原理以及計算方式參考自 Lin (2007)、葉恩肇(2012)以及孫天 祥(2014)。. 圖 3.1 應力與應變回復示意圖。當岩芯所受的應力釋放為 0 時，彈性應變會瞬 間釋放完畢，之後再隨時間逐漸釋放非彈性應變。(改繪自孫天祥，2014). 圖 3.2 應力與應變關係圖。空間中，受到最大應力的方向會產生最大應變回復， 最小應力方向則會產生最小的應變回復。(改繪自孫天祥，2014). 30.
(46) 3.2 ASR 試驗原理 應變回復大小與岩芯在地底下所承受的應力大小及材料參數有密切的關係， 而應變回復的方向則是和岩芯於地底下所承受的應力方向有關，因此我們可以藉 由量測岩芯的應變回復來估計岩芯於地底下所承受的應力大小與方向。應力釋放 後，非彈性應變皆小於彈性應變。因此，明顯地，非彈性應變回復法較適用於高 應力的狀況，例如地下深處，或勁度相對較小的岩石，例如軟弱的岩石。. σij C ε ………….(式3.1) ijkl kl 式 3.1 說明利用應變量和材料參數可以求得應力大小，但由於我們無法得知 研究地區的材料參數，所以我們利用靜岩壓、靜水壓、柔度來代替材料參數，計 算應力。 式3.2，岩芯在地底下所受到三維空間中的現地應力場，可以用三維應力張 量來表示：. σ xx σ σ yx σ zx. σ xy σ yy σ zy. σ xz σ1 0 σ yz 0 σ 2 σ zz 0 0 . 0 l 0 m ………….(式3.2) σ3 n . xx、 yy、 zz、 xy、 yz、 zx 表應力張量，對於均質黏彈性材料而言，當現地應 力、水壓與溫度隨時間釋放而改變時，其黏彈性回復變形可分為剪力與體積變形 模式這兩部分(Matsuki，1991)。隨著時間延長，剪力 Jas (t ) 與體積 Jav(t ) 變形 模式的非彈性回復柔量可分別定義為：. eij (t) Jas(t)Sij …….(式3.3) εm (t) Jav(t)(σ m p ) αT ΔT(t) ……..(式3.4) f 其中 S ij 為偏差應力，σm為平均應力， eij (t ) 非彈性偏差應變， m (t ) 為非彈性 平均應變， Pf 為孔隙水壓， T 為岩石的熱膨脹係數， T (t ) 為溫度改變量。 31.
(47) . σ m 1/3 σ xx σ yy σ zz. ……..(式3.5). Sij σij σ m …….(式3.6) 利用線性黏彈性對等原理，對給定的XYZ三軸，其方向餘弦為l，m，n的非 彈性法向應變(anelastic normal strain)為式3.7：. εa (1/3)[(3l 2 1)σ xx (3m 2 1)σ yy (3n 2 1)σ zz 6lmτ xy 6mnτ yz 6nlτ zx ] Jas(t) (σ m p0 )Jav(t) αT ΔT(t) 影響非彈性應變回復大小的因素取決於現地應力張量、非彈性柔量、孔隙水 壓、溫度變化量與熱膨脹係數。如果可以知道孔隙水壓、熱膨脹係數、溫度變化 量與非彈性柔量等數據，再量取至少六個不同方向的非彈性方向應變，就可以計 算三維的現地應力張量。 對於等向黏彈性物質而言，現地應力主應力方向將與非彈性應變主應變方向 一致。藉由量測至少六個不同方向的非彈性法方向應變，將可以決定主應變方向 以及三維現地應力主應力方向。只要知道非彈性主偏差應變(eij)，即使不知道物 質的柔量，主偏差應力的比值仍可藉由非彈性主偏差應變的比值計算而得。另一 方面，如果知道柔量、孔隙水壓與熱膨脹係數與溫度變化量，則三維現地主應力 規模可以由式3.8計算(Matsuki and Takeuchi,1993)：. σi ei (t)/Jas(t) εm(t)/Jav(t) p0 ……(式3.8) 另外由於本次實驗中，岩芯持續置於恆溫環境下，故排除溫度效應，所以公 式可簡化為式3.9：. σ i ei (t)/Jas(t) ε m (t)/Jav(t) p …….(式3.9) f. 32.
(48) 3.3 實驗儀器介紹 首先圖 3.3 及圖 3.4 呈現的分別是花蓮和平地區及彰濱工業區崙尾區兩個實 驗場址的現地實驗室實驗設備配置。1、2 分別為資料擷取器(Data Logger)的主 機 與 副 機 ， 3 是 恆 溫 水 循 環 系 統 ， 4 是 不 斷 電 系 統 (Uninterruptible Power Supply ,UPS)，5 則是恆溫水槽，此外，圖 3.5 中的 6、7 分別是一字和十字的應 變規，8 是白金電阻測溫棒。以下會針對各儀器做詳細介紹。. 圖 3.3 花蓮和平井場設備圖。1 資料擷取器主機、2 資料擷取器副機、3 恆溫水 循環系統、4 不斷電系統、5 恆溫水槽。. 33.
(49) 圖 3.4 彰濱井場設備圖。. 圖 3.5 實驗器材。6 一字應變規、7 十字應變規、8 白金電阻測溫棒。. 34.
(50) 1.& 2. 資料擷取器 (Data Logger )：接收實驗數據的主機，機器有可連接 30 個應 變規的頻道連接頭。另外資料擷取器的副機是主機專用的擴充模組，可以額外追 加 50 個連接頻道。 詳細規格： 量測範圍：0 to ±500,000μm/m；-200 to 510℃ 量測精度：±0.05%,(1μm/m)；±0.3℃ 量測最高解析：0.1μm/m；0.1℃ 掃描速率：50ms/CH. 圖 3.6 資料擷取器。左圖為資料擷取器之主機，右圖為資料擷取器副機。. 35.
(51) 3. 恆溫水循環系統：調節與維持水箱中水溫的機器，利用連接機器後方的出水 孔及進水孔使水箱內的水達到循環且恆溫。 詳細規格： 操作溫度範圍：-10℃ to 80℃ 溫度精度：±0.1K 加熱功率：1.5KW 冷卻功率：20℃ - 220W 0℃ - 60W. 圖 3.7 恆溫水循環系統。左圖型號為 Accel 250 LC，右圖型號為 EZ COOL80。. 36.
(52) 4. 不斷電系統(Uninterruptible Power Supply ,UPS)：為了防止跳電、停電等突發 狀況使得數據不連續，所以架設了不斷電系統，希望保持資料完整性。UPS 的規 格需配合現地實驗場址的電壓及所乘載的儀器數量做調整。. 圖 3.8 不斷電系統。上面三台為現地實驗室所使用之不斷電系統。. 37.
(53) 5. 恆溫水槽：放置實驗中樣本的恆溫水槽，內部的水是利用外接的水管和恆溫 器做循環，使水溫保持在一定溫度。. 圖 3.9 恆溫水槽。上圖為恆溫水槽外部照片，下圖為恆溫水槽內部，放入樣本 後。. 38.
(54) 6.&7. 應變規(Strain Gage)：有單軸與雙軸兩種規格，使用方式是將應變規的背 面塗上三秒膠後黏貼在待測樣本上，之後將電線端連接在資料擷取器上接收數 據。 應變計長度：10mm 工作溫度：-10℃ to 80℃ 應變常數：2±1% 工作熱膨脹係數(adoptable thermal expansion)：11.7PPM/℃. 圖 3.10 單軸應變規。(改繪自三聯科技股份有限公司). 圖 3.11 雙軸應變規。(改繪自三聯科技股份有限公司). 39.
(55) 8. 白金電阻測溫棒：主要是用來測量溫度，使用方式是將白金電阻測溫棒前端 放入水中，再將電線端接上資料擷取器來接收數據。 測溫範圍-200.℃ to 510.0℃ 測溫最高解析：0.1℃ 測溫精度：±0.3℃. 圖 3.12 白金電阻測溫棒。. 40.
(56) 3.4 實驗流程 ASR 實驗流程說明如何透過量測出來的非彈性應變回復量來解算應力張量， 圖 3.13 為計算的流程圖。. 圖 3.13 非彈性應變回復法之三軸主應力計算流程圖。(改繪自孫天祥，2014). 關於溫度效應這一點，在本次實驗中，由於岩芯樣本製作完成後會放入恆溫 的水箱中，所以我們假設實驗過程在正常的情況下，溫度都不會發生變化。所以 在 ΔT = 0 的狀況下，溫度效應校正量為 0。. 41.
(57) 藉由 ASR 實驗可得到岩芯樣本九個方向上之非彈性應變回復量(εxx、εxy、εxz、 εyx、εyy、εyz、εzx、εzy、εzz)，由於每個方向都可量測到兩組數據，所以總共會有 18 組數據，之後會以這 18 組數據之平均值做計算。 ε xx 總應變場 ε ε yx ε zx. ε xz ε n ε yz 0 ε zz 0. ε xy ε yy ε zy. 0 εn 0. 0 l 0 m …………..(式 3.10) ε n n. 可將矩陣轉換成： ε xx ε n ε yx ε zx. ε xy. l ε yz m 0 ……………..(式 3.11) ε zz ε n n ε xz. ε yy ε n ε zy. 解算 l 時，由克拉瑪公式(Cramer’s rule)可知(式 3.12)： ε xy. 0. l. ε xz. 0 ε yy ε n 0 ε zy ε xx ε n ε yx ε zx. ε yz ε zz ε n. ε xy. ε xz. ε yy ε n ε zy. ε yz. 0 ………….(12). ε zz ε n. 由於分子永遠為 0，所以此式若要有線性代數(nontrivial solution)，分母必須 為 0。 ε xx ε n. ε xy. ε xz. ε yx. ε yy ε n ε zy. ε yz. ε zx. 0 ………………….(式 3.13). ε zz ε n. 將此式展開後為一 m 的三階方程式，可得 1 、 2 、 3 ，分別代表空間中的 最大、次大、最小非彈性主應變值。然後再將 1 、 2 、 3 分別代回上述公式即 可求得代表非彈性主應變方向之三個方向餘弦(l,m.n)。 將主應變回復量 1 、 2 、 3 平均之後可求得平均非彈性應變回復量：. ε m 1/3(ε1 ε 2 ε3 ) ………..(式 3.14) 42.
(58) 將三軸主應變回復量分別減去平均非彈性變回復量後便可得三軸非彈性應 變偏量：. ei εi ε m …………..(式 3.15) i=1,2,3 至於淨水壓的部分，我們將地下水面假設為地表，則淨水壓可表示為：. p0 ρgh …………..(式 3.16) 其中 為水的密度 1.0g/cm3；g 則是重力加速度 9.8m/s2；h 為樣本的平均取 樣深度(m) 在計算應力值時，岩石所受到的三軸主應力與其非彈性應變回復量可以表示 成式 3.17：. i ei (t ) / J as (t ) em (t ) / J av (t ) p0 ………….(式 3.17) i=1,2,3 如果我們能求得 Jas(t)與 Jav(t)之值，就可以計算出三軸主應力大小。 Matsuki(1991)提出，可以藉由將相同的岩芯作三軸加壓與解壓的岩石力學試驗， 量測岩芯解壓時的非彈性應變回復量，進而求得其柔度與時間的關係(Jas(t)與 Jav(t))。 雖然利用上述方法可求得柔度，但由於實驗過程相當複雜，需耗費大量的樣 本、時間與努力。因此，為了提高效率，Lin(2006)提出改良的方法。 藉由各主軸方向的非彈性組成律與鉛直應力和三個主應力的關係式可以獲 得鉛直應力、柔度、非彈性偏差應變 ei (t )、非彈性平均應變 m (t ) 與水壓的關係(式 3.18、式 3.19)。. σ v l 2p σ i m 2p σ 2 n 2p σ 3 ……….(式 3.18). l 2p e1(t) m 2p e2 (t) n 2p e3 (t)/c em (t) σv p Jav(t). 43. f ………(式 3.19).
(59) 其中 l、 p m p 與 n p 為三個主應力軸分別對鉛直方向的方向餘弦，因應力軸平行 應變軸， l、 p m p 與 n p 等於三個非彈性主應變軸分別對鉛直方向的方向餘弦。藉由 鉛直應力和水壓與解算的非彈性偏差應變、平均應變和主應變方向等資料的連結， 將可以計算 Jav(t ) ，進而使用式 3.9 估計另兩個主應力規模，最後再依據公式計 算出應力比值。. φ. σ2 σ3 σ1 σ3. ………………….(式 3.20). 對於柔度比值為定值的假設，Matsuki (2008)對八種不同岩性的岩石進行室 內非彈性應變回復實驗，研究成果顯示剪力與體積變形柔量行為非常相似，尤其 對於每一岩性任意時間下，其剪力與體積變形柔量比值為一定值。雖然不同岩性 的柔量比值略微不同，但是不同岩性之間的柔量比值變化僅介於 1~3。因此，本 研究假設 Jas(t)與 Jav(t)的比值為一定值(式 3.21)： c J as (t)/J av (t) 1.9 ……..(式 3.21). 由前人模擬結果可知(Lin et al.,2006)，剪力與體積柔量比值 c 對於現地應力 的估計並沒有明顯的影響。因此本研究取其平均值 1.9。. 44.
(60) 3.5 樣本製作. 圖 3.14 非彈性應變回復法實驗流程，(a)清洗岩芯。(b)繪製岩芯方向線，藍線平 行葉理面傾角方向，紅線繪製於右側。(c)繪製 ASR 參考線。(d)黏貼應變計。(e)PE 塑膠袋密閉。(f)鋁箔袋密封。. 45.
(61) ( a ) 挑選岩芯樣本 ASR 現地應力分析工作預計以等間距方式進行採樣，由於 ASR 的原理是假 設岩芯是均質等向，所以每次試驗選取岩芯時要挑選均質且完整無裂隙長度約 20 公分剛鑽取之定向岩芯。同時，為了縮短應力釋放的時間，以增加應變回復 量測的完整性，所以當岩芯一回到地表，立即選取較深部的岩芯，但不選用每次 鑽取最底部 6 cm 的部分，避免應力未完全釋放或受到卸除夾頭時的扭力。取樣 時記錄採樣地點、日期、時間、深度、岩性、岩性組成且於每步驟需拍照存證， 並於現地立即進行 ASR 量測。. ( b ) 繪製紅藍參考線 繪製岩芯方向參考線，藍色參考線是沿著葉理面傾沒方向繪製，而紅色參考 線則繪製於藍線的右側。紅藍參考線有助於判斷樣本的頂部和底部，判斷方式是 把岩芯直立起來，岩芯頂部朝上時藍色參考線會在紅色參考線的左側。. 圖 3.15 岩芯紅藍參考線圖。藍色參考線為葉理面傾沒方向。. 46.
(62) ( c) 繪製 ASR 參考線 在樣本上畫上四條 ASR 參考線，這四條參考線是用來標示應變計。黏貼的 方向在繪製這四條參考線時要注意為了避免岩芯的局部非均質造成應變計量測 結果不具代表性，其 ASR 參考線可調整至合適方向，以利應變計黏貼。. 圖 3.16 岩芯 ASR 參考線示意圖。(右圖改繪自孫天祥，2014). ( d ) 黏貼應變規 因為 ASR 實驗具有時效性，無法重複進行量測，為了避免應變規失效，並 且考慮岩芯樣本潛在不均質的可能性。所以我們在每個岩芯樣本的 9 個方向每個 方向上皆黏貼兩支應變規，總共 18 支應變規，用以檢驗其資料的重複性與分析 的完整性。黏貼應變規的時候須注意，盡量黏貼在岩芯的主要岩性上，且應變規 的參考線應對齊岩芯上的參考線。且由於裂隙不會產生應變回復，所以黏貼應變 規時一定要避開裂隙。為避免應變計電阻率改變的影響，本研究使用三線應變規 與對應的電橋電路，黏貼時使用應變規專用膠水。應變規黏貼的配置方式如圖 3.17。 47.
(63) 圖 3.17 岩芯黏貼應變規示意圖。左圖為實際黏貼情形，右圖為應變規配置圖(改 繪自孫天祥 2014)。. ( e ) PE 塑膠袋密閉 黏貼完應變計的樣本應該要加以密封，以避免進水或水氣的逸散，影響量測 的精準度。將岩芯以應變計朝上的方式裝進 PE 塑膠袋中，靜置時岩芯不得壓到 應變計，並將電線留在袋外。使用防水膠布捆緊袋口，務必確定其無法進水，且 注意膠帶不得貼得太緊以免壓迫到應變計。. ( f ) 鋁箔袋密封 以 PE 塑膠袋密封好後，再以鋁箔袋密封一次。務必確定岩芯上下方之位置， 不得將應變計壓在岩芯下方。註明參考樣本並將日期、樣本製作者寫於防水膠布 上，並貼在樣本的上方以便辨識。 將已經包裝好的樣本放進恆溫的水箱，並將應變計接上資料擷取器的頻道進 行量測。 48.
(64) 圖 3.18 實驗樣本放入水箱。. 圖 3.19 應變規接上資料擷取器。. 49.
(65) 3.6 岩芯定向 由於 ASR 試驗是以岩芯為參考座標系統，需要將岩芯座標系統與地理座標 系統連結，才能將 ASR 三軸應力結果應用到實際狀況。之前台灣科學鑽探研究， 岩芯皆以區域地質中高傾角之層面或葉理面傾沒方向當作參考方向，將岩芯定向。 和平地區用地層傾角定向結果不佳，所以利用鑽井的井下電測影像進行岩芯定向； 而彰濱地區因為地層傾角小於 5o，無法利用地層傾角方向將岩芯定向，以至於 ASR 水平最大與最小主應力的方向角無法確定，應力方向無法對應到地理座標 系統。和平地區定向方式是使用電測影像，校正時，先使用孔內攝影影像挑選出 葉理位態，接著將所挑選出的葉理位態利用 Matlab 進行運算處理，以設定的有 效視窗大小與移動間距，進行傾沒方向角的移動平均計算，之後利用回歸擬合的 方式求得最佳傾沒方向分佈趨勢線。彰濱地區則是利用古地磁進行岩芯定向，前 人研究顯示(Yamamoto, 2013)可以利用古地磁自然殘磁方式將岩芯定向，在 ASR 試驗完成後，將 ASR 分析結果良好之樣本鑽取古地磁樣本，以交流去磁量測岩 芯各階段的殘磁方向，以求樣本可信的自然殘磁方向，並將岩芯方向旋轉至地磁 極方向，以獲得岩芯真實方向，進而將 ASR 三維應力結果轉移至地理座標。. 50.
(66) 第四章 實驗結果. 本研究分別在和平以及彰濱兩個井場的鑽探計畫各取了 10 個以及 30 個岩芯 樣本來進行 ASR 試驗，兩個實驗地區的取樣明細見表 4.1 以及表 4.2。本張先以 和平及彰濱兩個研究地區分別各取一個樣本做分析說明，在呈現所有樣本的分析 成果。 我們以樣本深度 530.39-530.60 m 的 ASR 樣本 HP-08 作為和平地區的例子， 至於彰濱地區則是用取樣深度 1794.2~1794.43m 的 ASR 樣本 ASR-006 說明分析 方法與三維現地應力場評估的結果。. 4.1 花蓮和平 4.1.1 岩芯定向 首先我們需要將岩芯定向，才能了解與探討 ASR 分析結果於地理座標下的 分佈與意義。 本研究利用電測影像進行岩芯定向工作，先使用孔內攝影影像挑選出葉理位 態，接著將所挑選出的葉理位態利用 Matlab 進行運算處理，以設定的有效視窗 大小與移動間距，進行傾沒方向角的移動平均計算，之後利用回歸擬合的方式求 得最佳傾沒方向分佈趨勢線。雖然孔內攝影影像的深度只有 60~511m，而 ASR 有兩個標本實驗涵蓋 511m 以下之量測結果，利用內差與外差公式將岩芯進行定 向(圖 4.1)依然可以合理地將整段深度的數據當作校正值。詳細藍線方位值見表 4.1。. 51.
(67) 圖 4.1 和平岩芯方向校正圖。紅色圈則代表該岩芯的預測葉理傾向方向，藍色 線代表葉理面傾沒方向移動平均的數值與標準偏差。. 4.1.2 分析結果 從圖 4.2 樣本 8 應變數據可以看出，除了在 90hr 處，由於實驗室電壓不穩造 成訊號異常，其他曲線大致上都是呈現平滑增加的趨勢，於量測時間近乎 7天時， 大多應變數據可達到穩定釋放完畢的狀況。同時溫度數據顯示，恆溫水槽效用良 好，可將水溫變化控制在 0.13 ℃以內，所以不需要進行溫度校正。空白對照組 樣本(Dummy Sample)的數據沒有明顯飄移的現象，因此也不需要進行飄移校 正。 另外從圖 4.2 可以發現，隨著時間逐漸的增加，樣本 8 所有方向的非彈性應 變都是向外膨脹的，同時其應變回復量的增加率隨著時間的增加而逐漸降低。此. 52.
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