行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
車籠埔斷層活動相關之光螢光法年代學研究(2/2)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC91-2119-M-002-024-
執行期間： 91 年 08 月 01 日至 93 年 01 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
計畫參與人員： 陳雅雯
報告類型： 完整報告
報告附件： 國外研究心得報告
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 93 年 4 月 15 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)-地震地質- ※
※ 車籠埔斷層活動相關之光螢光法年代學研究 ※
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OSL geochronological study on relevant problems of the Chelungpu fault
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計畫類別： 個別型計畫 5整合型計畫
計畫編號：NSC 90－2119－M－002－009
NSC 91－2119－M－002－024
執行期間：
90 年 8 月 1 日至 93 年 1 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
93 年 3 月 18 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
(地震及活斷層研究)-地震地質-
車籠埔斷層活動相關之光螢光法年代學研究
OSL geochronological study on relevant problems of the
Chelungpu fault
計畫編號：NSC 90－2119－M－002－009
NSC 91－2119－M－002－024
執行期限：90 年 8 月 1 日至 93 年 1 月 31 日
主持人：國立台灣大學地質科學系陳于高教授
(ygchen@ccms.ntu.edu.tw)
!計畫參與人員：國立台灣大學地質科學系陳雅雯
(f90224212@ntu.edu.tw)
! 一、中文摘要 本計劃著眼於地震地質與活斷層運動學之整 合型計畫對於地質年代的需求，所採用之方法以90 年代快速發展之光螢光定年法，希望藉此方法於晚 更新世年代範圍中的優勢，延長碳十四法所不能達 到的極限，另外亦可補足無法連續取得樣本的困 擾。 地震地質與活斷層運動學研究的主題，不外 乎同震活斷層再發週期的研究，以及活斷層長期之 滑移速率的探討，這些與時間相關的課題，都需要 有良好的年代學研究來加以配合，傳統上碳十四定 年法是最主要的手段，但其使用上有諸多限制，例 如標本取得不易及年代上限僅及五萬年，都不足以 滿足相關研究的需要。光螢光定年法近年來積極的 發展，可以改善年代學在上述問題方面的缺憾，如 它的定年上限至少可達十五萬年之久，所使用樣本 為最常見的石英與長石顆粒，又不似熱螢光法受限 於環境易有曬退不完全的疑慮，再加上分析效率 高，相對成本較低，其可行性自不在話下。 本計劃初步規劃優先配合古地震研究中槽溝 開挖的工作，輔以河階之定年並配合其他地形學研 究以達整合之目的，其中槽溝的開挖以車籠埔斷層 沿線為主要目標，河階定年則是由北往南逐年進 行，保守估計至少有一百五十個光螢光年代可於三 年執行計劃期間完成，希望能對地震地質與活斷層 運動學的研究，做出具體的貢獻。 關鍵詞：地震地質、活斷層、光螢光法、槽溝、河 階 AbstractThis proposal will focus on age determination, which is eagerly needed in the integrated project “Earthquake Geology and Kinematics of Active Faults”. Adopted method is Optical Stimulated Luminescence (OSL) method, which has been rapidly
knowledge into much older past. It is also expected that the advantage in sampling would fill up age void during late Pleistocene.
The major subjects on earthquake geology and kinematics of active fault are recurrence interval of coseismic faulting and long-term slip rate. These time related subjects need to cooperate with useful geochronological study. In the past, radiocarbon method was commonly used; however, its short dating limit and restricted sample requirement made widely using unable. On the other hand, recent progress on OSL method seems able to make up these deficiencies. Its oldest limit can reach 150ka. Its dating materials are common minerals that are widely distributed elsewhere in sediments. Furthermore, not like TL method, it is applicable to sediments collected from different sedimentary environments. One more advantage worthwhile to mention is its highly efficient analyzing processes. It further results in a relative low cost. All these above-mentioned advantages indicate that the OSL method is unequivocally useful.
During the coming year, this project plans to firstly collaborate with the other principal investigators who are working paleoseismology, the trenching excavation along the chelungpu fault. The second goal is to work on samples collected from river terraces, which can provide more age data to decipher the neotectonics in central Taiwan. Hopefully, this project can provide at least 150 OSL ages in coming three years to help understanding more details regarding to earthquake geology and kinematics of active faults in central Taiwan.
Keywords: earthquake geology, active fault, OSL, trench, river terrace
二、緣由與目的
台灣地處碰撞造山帶，地震與地殼活動是威 脅我們正常生活及生命財產最大的劊子手，1999 年9 月 21 日所發生的集集大地震再一次提醒了我
的位置與活動性，是科學家責無旁貸的使命。 在活動斷層活動性的研究當中，年代學是不 可或缺的一部份，常用的定年方法有碳十四定年 法、鈾系不平衡定年法、氬氬及鉀氬定年法等，上 述方法雖然都有較高的精確度，但在適當的樣本取 得方面，卻總不能盡如人願，因此使用沈積物中最 主要的石英、長石為主要測試對象的螢光定年法 (Aitken, 1985; 1998; Lamothe and Auclair, 1999; Prescott and Robertson, 1997; Stokes, 1999; Chithambo and Galloway, 2000)，便是解決標本不 足、年代缺失的最佳選擇。近年來光螢光定年儀器 的改良，使得該法對於適用的樣本選擇更具多樣 性，年代的範圍更寬廣，定年的精度也大幅提昇 (McKeever et al., 1997; Murray and Roberts, 1997; Rhodes and Bailey, 1997; Duller et al., 2000)，終於能 在年代學的領域中與其他成熟而且已廣為應用的 方法相提並論(Stokes et al., 1997; 1998)。
光螢光法蛻變自為陶器定年量身訂製之熱螢 光法，可解決熱螢光定年法應用於沈積物時起始點 的 不 確 定 與 標 本 的 敏 化 問 題(Murray and Olley, 2002)，新式的光螢光定年儀更增加藍光、綠光與 紅外光雷射激發源(Murray, 1996; Rieser et al., 1999; Bøtter-Jensen et al., 2000)，適用的標本種類更為廣 泛(Yoshida et al., 2000)。台灣大學地質科學系於 1994 年引進第一套定年專用的熱螢光儀器，現已完 成三位碩士研究生論文，並於國內外會議、期刊發 表數篇文章，從事國內第四紀地質的定年工作，協 助中央地質調查所做岩心標本的年代測定，針對考 古陶片的研究，與中央研究院歷史語言研究所、台 灣大學人類學系及台北、宜蘭、台東等縣政府單位 合作，均有關於遺址研究的年代測定。 古地震學的年代需求往往都是沖積層與崩積 層為主的材料(Porat et al., 1996)，碳十四定年法受 樣本尋求不易的影響，光螢光法可提供快速且有效 的資訊。再者，活動斷層長期滑移速率的取得，是 在斷層活動性研究上不可或缺的資料(Toyoda et al., 2000)，利用古地形(如河階面)之生成年代來演繹其 結果也是常用的手段(Balescu et al., 1997; Porat et al., 1997; Tanaka et al., 2000; Lehmkuhl et al., 2000)，故而河階上覆河相沈積的定年就成了關 鍵。本研究第一年將針對車籠埔斷層相關河階以及 配合古地震開挖之槽溝，進行光螢光法年代學研 究，希望能提供有價值之年代學結果，使台灣地震 地質之研究能更進一步。 三、結果與討論 1. 儀器簡介: 本 計 劃 所 購 買 的 光 螢 光 定 年 儀 之 系 統 為 Automated TL/OSL Dating System(Model RISØ TL/OSL-DA-15B/C; Fig. 1) ， 由 丹 麥 的 RISØ National Laboratory 所製造，儀器改進後的優點為： 1.以藍色發光二極體(LED)取代原有的鹵素燈泡---激發速度較原始儀器快三倍；2.以雷射紅外線取代 紅外線發光二極體(LED)---使長石訊號激發完全並 增高靈敏度；3.另外增加一螢光計讀器，可讀取 532nm 的雷射光束訊號---在測試單顆粒礦物時無 須更換激發源。 Figure 1. 光螢光定年儀。 2. 放射源的申購與操作: 本儀器中包含有兩種放射源，分別為提供α射 線的Am-241 和提供β射線的 Sr-90，在整個自動化 的操作過程中，兩射源對於標本的輻射控制精準， 經測試後，鄰近主測試標本的非測試標本影響比例 為0.1735±0.0004%，因此在整體操作便利性與實驗 精準度的功能增強許多。 由於兩者均屬於管制性的輻射物質，因此必 須向原子能科學委員會申請使用執照，為合乎使用 操作環境的要求，實驗室的暗房規劃與整理均經過 詳細的安排，對於使用者的安全顧慮，則申請固定 的人員輻射劑量佩章加以監控，並督促使用者參與 專業之輻射防護講習，了解不當使用的後果，對於 整個實驗室的安全防護，均符合原子能科學委員會 之標準。 3. 實驗方法: 由於光螢光定年法對於光照的敏感度極高， 因此在暗房的設備方面來說，就必須依據我們所測 定的礦物來作規劃，現在我們所使用的光源均採用 標準暗房之安全燈(ILFORD Safelight)，針對石英和 長石礦物所做的選擇，使得標本的前處理過程中， 不會有任何的訊號遺失情況。 由於先前的熱螢光機器無法進行單一片子的 古劑量回推工作，因此必須採取細顆粒(4~11µm) 礦物，並假設標本於數十片子的訊號是均勻固定 的，才能經由多次測試後獲得一個古劑量值，也由 於礦物顆粒小，無法得到單一礦物的訊號，一直無 法將誤差值降低。目前礦物的分離方面，利用現在 新開發的重液粉末(Sodium Polytungstate)可免除有 機溶液對於人體的傷害，是屬於水溶性物質，使用 上較先前方便。再者，由於使用單一礦物的測定， 在顆粒度上就可做不同的分別，試驗出可行的顆粒 範圍，現在一般均分為 90~125µm、125~150µm、 150~250µm 等三種顆粒範圍。 測試步驟在儀器改良後，便吸引世界各國更 多人力投入研究，不論是石英或長石，在標本訊號 的分離與敏感度研究方面不計其數，因此在計劃進
行 中 便 採 用 目 前 最 廣 泛 使 用 的 單 片 再 生 法 (Single-Aliquot Regenerative dose protocol; Murray and Wintle, 2000)，分別針對岩心標本、槽溝標本與 河階標本作測試，並培養博士班學生熟悉整個處理 過程，比較台灣之沉機物標本與國外發表之標本訊 號差異，確實掌握不同標本的處理流程。 4. 結果與討論: 分別就三部分標本進行論述: i. 岩心標本: 本計畫初期必須有序列性的標本測試結果， 來建立一套標準的標本的處理流程，因此選擇地調 所地下水觀測網所鑽取的岩心標本，期盼從事光螢 光定年的測試，與岩心序列中已知的碳十四定年資 料相互比對，來確定其方法與標本訊號穩定性等資 料。其外，便是希望於傳統的岩性對比之下可以得 到更多年代數據的佐證，對於古沉積體系的變化能 有較準確的推論。 採樣位置為台灣西南平原的五口井(Fig. 2)， 共得到年代資料23 筆(Fig. 3)。經過三種基本方法 的 測 試(預熱坪區(Preheat Plateau)、劑量再生性 (Dose Recovery)、成長曲線(Growth Curve)，可以了 解在研究中所使用的石英礦物性質相當良好，因此 也可推論對於整個西南平原中所有的岩心標本，均 可使用相同的處理流程來進行年代的測定。 Figure 2. 採樣位置圖。採樣井位:HK-新港、MCH-馬稠後、TY-總爺、TW-大文、SF-十份。 湖底沉積物的校正(Kitagawa et al., 1998))、光螢光年 代-紅色。 由岩性層序與年代資料來看，以全球海水面 變化的分界來作基本的劃分比對，則可以看出馬稠 後地區約在 Marine Isotope Stage 5 之前為相對高 區，而本區的沉降中心應位於研究區域之西南方。 ii. 槽溝標本: 第二階段開始著手進行槽溝標本的測試，配 合先前國科會計畫中之新竹篤行營區槽溝，於槽溝 內共採集四樣本(Fig. 4)，標本的處理流程與上述方 法相同，同樣測試各個標本的光螢光訊號穩定性。 對於古地震與斷層活動性研究來說，缺乏良 好的年代控制，往往使得研究進度停滯不前，因此 使用石英與長石的光螢光定年法，在實驗室的設置 完成與各項標本的測試成功後，將會是研究斷層活 動性的一大福音。 實驗得槽溝標本之年代資料，由上到下分別 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，而上覆年輕樣本應為 頭前溪北移後，臨近地區小水系沖積而來。 Figure 4. 新竹科學園區篤行營區一號槽溝之標本採樣點及年 代。 iii. 河階標本: 第三階段則開始進行河階標本的研究，測量 三個草屯變形階地標本的光螢光年代(Fig. 5)，並配 合車籠埔斷層下盤與階地東方低位之鑽井標本資 料，期望獲得草屯變形階地之抬升速率。 Figure 5. 採樣位置圖。鑽井位置；BH-1-霧峰、BH-6-草
車籠埔斷層於草屯地區的構造情況，可由剖 面圖(Fig. 6)中大致了解，利用階面與斷層下盤的垂 直高差，配合變形階地東西方的鑽井年代資料，以 等時面的垂直高度差異，計算出整個階地的長時間 垂 直 位 移 速 率 ， 變 形 階 面 相 對 於 車 籠 埔 下 盤 為 2.4-2.9m/ka，同樣的，相對於階地東方地位的褶皺 柴升情況，其相對垂直位移速率則為1.5-1.8m/ka。 Figure 6. 草屯變形階地剖面圖與年代資料表。 四、成果自評 1. 工作完成項目: i. 光螢光定年儀架設完成，並開始進行標本測 試。 ii. 培養博士班學生陳雅雯至丹麥國家實驗室進行 人員訓練，熟悉基本的儀器操作與標本處理流 程。 iii. 與世界各光螢光研究室建立良好的溝通管道， 確實掌握國際發展趨勢。 iv. 在兩年的計畫時間中，完成約 50 個光螢光年代 資料。 v. 已將研究成果發表於國際期刊中。 2. 發表文章:
Chen, Y.G., Chen, W.S., Wang, Y., Lo, P.W., Lee, J.C., and Liu, T.K. (2002) Geomorphic evidence for prior earthquakes: Lesson from the 1999 Chichi earthquake in central Taiwan: Geology 30, 2, 171-174.
Chen, Y.G., Chen, Y.W., Chen, W.S., Zhang, J.F., Zhao, H., Zhou, L.P. and Li, S.H. (2003) Preliminary results of long-term slip rates of 1999 earthquake fault by luminescence and radiocarbon dating. Quaternary Science Reviews 22, 1213-1221.
Chen, Y.W., Chen, Y.G., Murray, A.S., Liu, T.K., Lai, D.J. (2003) Luminescence dating of neotectonic activity on the Southwestern Coastal Plain, Taiwan. Quaternary Science Reviews 22, 1223-1229. 3. 未來發展方向: 經過兩年計畫的研究，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。 五、參考文獻
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