行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
台灣西南部活動斷層之長期滑移速率及其相關之構造地形
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC92-2116-M-002-023-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 94 年 03 月 31 日
執行單位： 國立臺灣大學地質科學系暨研究所
計畫主持人： 陳于高
共同主持人： 侯進雄，陳文山
計畫參與人員： 綿貫拓也,陳雅雯
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 5 月 10 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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(地震及活斷層研究)-台灣西南部活斷層研究-
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台灣西南部活動斷層之長期滑移速率及其相關之構造地形
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Long-term Slip Rates of the Active Faults and their Related Morphotectonic, Southwestern Taiwan※
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計畫類別： 個別型計畫 5整合型計畫
計畫編號：NSC 92－2116－M－002－023－
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 94 年 3 月 31 日
計畫主持人： 陳于高教授
本成果報告包括以下應繳交之附件：
5赴國外出差或研習心得報告一份
赴大陸地區出差或研習心得報告一份
5出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立台灣大學地質科學系
中 華 民 國 94 年 5 月 8 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
(台灣地震地質研究)-台灣西南部活斷層研究-
台灣西南部活動斷層之長期滑移速率及其相關之構造地形
Long-term Slip Rates of the Active Faults and their Related
Morphotectonics, Southwestern Taiwan
計畫編號：NSC 92－2116－M－002－023
執行期限：92 年 8 月 1 日至 94 年 3 月 31 日
主持人：國立台灣大學地質科學系陳于高教授
(ygchen@ntu.edu.tw)
!計畫參與人員：國立台灣大學地質科學系陳文山教授
(wenshan@ntu.edu.tw)
經濟部中央地質調查所侯進雄科長
(hcs@linx.moeacgs.gov.tw)
國立台灣大學地質科學系博士後研究綿貫拓也
(wata@v7.com)
國立台灣大學地質科學系博士生陳雅雯
(f90224212@ntu.edu.tw)
! 一、中文摘要 本計畫配合整合型研究計畫的相互合作，進 行台灣西南部麓山帶與平原地區的活動斷層的精 確調查，目前雖由中央地質調查所發表了四十二條 活動斷層，然而除了對車籠埔斷層外，其他斷層的 構造型態及活動性皆了解有限，本研究希望藉車籠 埔斷層近年來之研究經驗，在台灣西南部找出破壞 性高之地震斷層，並希望在其發生破壞之前，確實 掌握每一條構造斷層之位置與其特性。 首先，對於遼闊的台灣西南地區的構造地 形，以現有的地理資訊系統軟體與數值高程模型資 料(40m DEM)先將其依構造地形豐度分區，再利用 航照圖及高解析衛星影像(Ikonos 或 QuickBird)，生 產局部地區高解析度(<5m in grid)之數值高程模型 資料(DEM)，以進一步判讀精確的構造地形及活動 斷層可能發生之位置。第二步，再適當選擇槽溝挖 掘位置，作淺部沈積層序的分析，了解古地震事件 所造成的地層錯動，進而利用碳十四、熱螢光、光 螢光等定年法測定年代，以推估地震斷層之再發生 週期。此外，對現有的河階與台地作更精細的對 比，並採取適當的定年材料進行年代研究，利用其 高程差異與年代資料，來計算活動構造長時間的滑 移速率。 因此，本計畫規劃利用四年的計劃執行期 間，針對台灣西南部的九條活動斷層與存疑性活動 斷層確實進行上述的工作內容，並進行新定年技術 的發展，以期不但可確實了解更多構造活動特性， 亦能提升定年技術的效率與精度。 關鍵詞：新期地體構造運動、地理資訊系統、數值 高程模型、槽溝、碳十四定年、光螢光定 年、熱螢光定年。This project will collaborate with the other principal investigators to work on the neotectonics of southwestern Taiwan. There are 42 active faults have been identified by Central Geological Survey, ROC. Except for the Chelungpu fault, the 1999 earthquake fault, we only have insufficient information on the others. Based on the Chi-Chi experience, this project aims to find out the potential earthquake faults located in the proposed area. Hopefully, we can understand more and prepare well before next disaster coming.
The methods of Geomorphology, Trenching, and Geochronology will be adopted in this project. First of all, the GIS software and 40m DEM of Taiwan will be used to roughly divide the neotectonic domains by the abundance of tectonic features. The high priority domain will further be studied by high resolution DEM (<5m), produced by aerial photos and high-resolution satellite imagery (Inokos or QuickBird). The result will provide precise tectonic features that can be linked to active faults. Following the above results, we therefore can make better decision to find the trenching sites along the high potential seismogenic faults. Paleoseismology study (trenching) will be then conducted to retrieve the relevant information with respect to the paleo-events. For the purpose of computing the recurrence interval, dating methods of radiocarbon, optical stimulated luminescence (OSL), and thermoluminescence (TL) are used to build up the time frame. The dating methods can also be applied to the river terraces and tablelands in the surrounding area to derive the long-term slip rates of the active structures, which is of great importance in evaluating the current situation of the active faults.
This project plans four years to accomplish the goals: 1) evaluation of characteristics and recurrence intervals on all reported active faults; 2) improve the
information system (GIS), digital elevation model (DEM), trench, 14C dating, optically stimulated
luminescence dating (OSL), thermoluminescence dating (TL). 二、緣由與目的 經過 1999.9.21 的集集地震之後，活動斷層與 所伴隨的地震作用被大家所重視，本計畫將利用未 來的四年時間，藉車籠埔斷層研究的經驗，將目標 設定為台灣西南部的活動構造，因為此區人口密集 且為台灣主要農產經濟重鎮，活動斷層的特性與其 再發週期的判定是刻不容緩的。 本研究的目的即針對台灣西南部的十數條活 動斷層與存疑性活動斷層做更詳細的研究與週期 性的推估。 A.地形: 針對現在已知的活動斷層地區，先利用航照 影像資料來做地形上的判別，由於現有之航照與衛 星影像資料較多年前精密而準確，不僅可利用現在 的資料來加以判讀地形之特徵，亦可利用衛星影像 軟 體 來 生 產 出 更 為 精 準 之 資 料 ， 解 析 度 可 高 達 61cm，且其所使用之衛星為太陽同步衛星，平均 4 至 6 天即可拍攝同一地點的影像，因此有了這樣堅 實的資訊後，再配合野外工作的驗證與調查，可將 台灣西南地區的活動斷層位置，從過去藉由「點」 的野外露頭推斷，推進至確定的斷層「線」之繪製， 甚或「面」的地下構造解釋，剔除過往地質調查對 於斷層位置晦暗不明的缺點，在學術上可對斷層之 發展與演化有更清楚的了解，在國家發展上則對於 經濟建設，與國土規劃方面的評估有極大助益。 B.槽溝: 由於活動斷層所造成的地表破裂，僅紀錄了 最後一次之斷層運動，而槽溝開挖面上的地層變形 與錯動，可記錄過去數次斷層活動的結果，所以要 對斷層過去的活動有更進一步的了解與分析，並探 討它可能的再發週期，槽溝的挖掘工作是最為直接 的方法，因此古地震的研究主要著重於槽溝的挖掘 研究，主要為開挖地下活動斷層的地層剖面，從分 析剖面中受到擾動的沈積層來判斷地震斷層的新 老與特性，並以碳 14 或光螢光定年方法定出地層 年代，再由斷層與地層交集的關係來判斷斷層活動 的年代，古地震研究的主要目的乃在針對地震潛能 的評估，而其槽溝研究便可以知道古地震的時間與 滑移量，進一步可以提供斷層演化、古地震規模、 再現週期、及地震位置等等的地震潛能評估。 C.定年: 第四紀地質工作一直苦於年代資料的缺乏， 傳統之碳十四定年法具有五萬年年代上限，及標本 不易尋得的缺點，而目前國際間最新的光螢光定年 方法，正好可以彌補前述兩項的缺憾，相信可以針 對研究區域的新構造活動有更深入的了解。本計畫 對於河階樣本的定年工作，是採集上覆於岩底階地 (strath terrace)之河階礫石層間的粗砂標本，由於一 般岩底階地上覆之薄層礫石，據信與階地形成年代 十分接近，而台灣之河階則主要是因為構造運動所 造成，在此前提下，經由計算不同時期階地面間之 年代閒距，可推測斷層活動的週期性，此外各階地 面與現生沖積面的高差，即為斷層活動累積之位 移，將之除以階地形成時間，就可推算斷層活動的 長時間滑移速率。 三、結果與討論 分別就三部分標本進行論述: A. 新竹地區: 於新竹篤行營區一號槽溝中共採四樣本(Fig. 1)，由上到下年代各為 35.4ka、63.4ka、66.9ka 及 63.4ka，說明了該階地應形成於 63 至 67ka 之前， 上覆年輕樣本應為頭前溪北移後，臨近地區小水系 沖積而來。 Figure 1. 新竹科學園區篤行營區一號槽溝之標本採樣點及年 代。 另於頭前溪旁之兩處河階露頭，採集了五個 階地沉積物標本進行光螢光的年代測試，圖五中分 別標示出 Site 1、Site 2、Site 3 與槽溝三者的相對 位置(Fig. 2)。在 Site 1 中(Fig. 3)的頂部紅土風化層 最底部，其標本年代結果約為 33.3ka，而下部的礫 石層中所夾之透鏡狀砂層標本則為 66.6ka。Site 2 中亦採集了紅土風化層最底部的標本，標本年代結 果約為 38.4ka。Site 3 中的厚層礫石層中，可發現 明顯的假整合面，因此分別於上部礫石層與下部已 部分膠結的礫石層中，分別選取適合進行螢光定年 之砂層標本，年代測試結果分別為 2.7ka 和 67.8ka， 五個螢光年代結果表現於 Fig. 3 的柱狀圖中。在採 集上部年輕礫石標本的同時，亦於沉積中發現瓷器 破片的存在，預估年代範圍應小於 300 年，故對於 此年輕標本進行訊號分析的動作，去除標本沉積時 的訊號殘存影響。 與篤行營區一號槽溝之標本相比較，可知道 三處階地雖然岩盤出露位置高差很大，但均發現 60ka 至 70ka 的河階沖積層，故推測頭前溪多層次 階地的形成機制，應與新期構造活動有關。
Figure 2. 新竹階地之標本採樣位置圖。 Figure 3. 新竹階地之採樣岩性柱狀圖。 B.台中地區: 去年於台中霧峰鳳梨園槽溝之工作中發現， 樣本之測定結果因不完全曬褪之故，年輕於 10ka 之樣本的光螢光年代，與碳十四法比較均有偏老的 趨勢，因此今年採用新發表之等效劑量檢定法，利 用訊號分離的步驟再重新計算年代，目前已完成之 年代有五(Fig. 4)，由上至下各為 3.1ka、4.0ka、 18.8ka、12.0ka、16.0ka，顯示年輕於 5ka 之樣本仍 然偏老約 2~3ka，不過較老樣本之年代應影響不 大，可推知底部礫石層上覆之第一層河相砂層，應 沈積於上次冰期最盛期，亦即 12ka 至 19ka 之間。 另 於 第 一 階 挖 掘 時 取 得 一 黑 陶 樣 本 ， 其 年 代 為 1.7ka，與文山農場及豐原一帶所採陶片年代一致。 Figure 4. 台中霧峰鳳梨園三號槽溝之標本採樣點及年代。 在霧峰文山農場槽溝中所採陶片之年代，約 期，又與本計畫於霧峰鳳梨園三號槽溝中所發現之 陶片年代相當，另外，於豐原一帶亦曾發現同一時 期的陶片，不過上述二時期均老於在霧峰僑榮國小 所發現之九百年的陶片。然文山農場之地層年代， 應不老於陶片製成年代，即下部應於 4ka 以後的沈 積，而上部則應不老於 1.7ka。 Figure 5. 文山農場二號槽溝之標本採樣點及年代。 C.嘉義地區: 分 別 於 華 山 橋 與 蜈 蜞 坪 (20030715-01; 20030715-02)兩處，發現古沖積扇之沉積露頭，年 代分別為 113ka 與 126ka(Fig. 6)。進行古劑量測定 前，經由成長曲線確定標本的累積訊號並未達飽和 上限；再者，曬褪不完全所殘存之劑量，對於如此 老之標本的影響，應是微乎其微，因此無須對此兩 標本進行訊號分離篩選。配合地調所地下水觀測網 所鑽取的嘉義鑽井岩心(CY)，建立斷層前緣層位落 差檢定，以等時面求得斷層上下盤垂直相對位移， 並依所獲得之年代，計算出九芎坑斷層的長時間滑 移速率之垂直分量為 1.6-2.1 m/ka。 此外，於白河地區採集兩河流沖積層標本 (20040112-01; 20040112-02)，年代分別為 13.1ka 與 8.3ka，其海拔高度約為 190m，鄰近之現升河床高 度約為 160m，故由其下切侵蝕距離，初步估計本 區域之抬升速率至少有 1.4-2.4 m/ka。 Figure 6. 嘉南地區的階地標本採樣位置圖。 四、成果自評 1. 工作完成項目:
著手進行分析比對。 ii. 針對台灣西南地區的各活動斷層，以及其附屬 其他活動構造，在地表可能出露位置，作高解 析度的判別與製圖。 iii. 於現有的光螢光實驗室中，計畫增購更具有發 展潛力，與適用性更為廣泛之單顆粒光螢光定 年儀。 iv. 在古地震事件的研究資料累積後，可對各個斷 層的活動週期作最為準確的估計，並對於整個 台灣西南部的新期構造活動有進一步的認識。 v. 目前完成第一年的研究，對於完成台灣西南區 域之活動斷層與存疑性活動斷層之長期滑移速 率與週期性的推估已有具體方向，期望在往後 的三年可完成先前預計之九條斷層的特性研 究。 2. 發表文章:
Chen, Y.G., Shyu, J.B.H., Ota, Y., Chen, W.S., Hu, J.C., Tsai, B.W., and Wang, Y. (2004) Active structures as deduced from geomorphic features: A case in Hsinchu Area, northwestern Taiwan. Quat. Intl. 115-116, 189-199.
Chen, W.S., Lee, K.J., Lee, L.S., Ponti, D.J., Prentice, C., Chen, Y.G., Chang, H.C., and Lee, Y.H. (2004) Paleoseismology of the Chelungpu Fault For the Past 1900 Years. Quat. Intl. 115-116, 167-176.
Lee, J.C., Rubin, M.C., Mueller, K., Chen, Y.G., Chan, Y.C., Sieh, K., Chu, H.T., and Chen, W.S. (2004) Quantitative analysis of movement along an earthquake thrust scarp: a case study of a vertical exposure of the 1999 surface rupture of the Chelungpu fault at Wufeng, Western Taiwan. J. Asian Earth Sci. 23, 263-273.
3. 未來發展方向: 經過一年計畫的研究，對光螢光定年法已有 一定的認識與初步的結果，活動斷層方面的研究是 刻不容緩的，對於年代資料的需求更是日益增加， 因此急需增購一台光螢光定年儀，提供足夠的年代 資料，加速台灣的研究腳步。 此外，增購儀器除了滿足地質應用上的需求 外，對於螢光訊號的物理性質研究，亦可有極大的 幫助，更能針對不同地區、不同環境的地質標本， 提供最佳的處理流程，精準的掌控年代的準確性。 台灣是個地狹人稠的島嶼，其具有特殊的地 體構造條件，所以斷層幾乎廣佈於全島，因此在人 口密集且為主要農產經濟來源的西南平原，針對活 動斷層的各項特徵與其再發週期的判定是刻不容 緩的。筆者便欲利用先前針對車籠埔斷層的整合研 究經驗，確實拓展至台灣西南地區活動構造的研究 分析，以掌握活動地質構造的分布情況，與了解各 部分的活動特性與復發活動週期，並確實設立監測 系統，可對於經濟建設與國土規劃方面的評估有極 大的助益。 五、參考文獻
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