宜蘭紅柴林地區現地應力與導水裂隙關係之研究
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(2) 誌謝 本論文得以完成感謝葉恩肇老師。謝謝葉老師這三年來的指導，不管是學術 上或是做人處事的道理，這幾年學生在研究室受益良多，您總是不厭其煩教導學 生，在這幾年老師的訓練下，學生了解獨立思考問題以及解決問題的方法，學生 非常有幸在老師的指導下畢業，未來學生必定謹記老師之教誨邁向人生的下一個 階段 感謝財團法人中興工程顧問社俞旗文副主任於口詴時給予寶貴的建議與指正， 也感謝台北科技大學王泰典教授提供岩石力學資料以及口詴時給予的評價與建 議。 謝謝研究室成員：方義學長、天祥學長、偉誠學長、東晉學長、致柔學姊、 筱君學姊、啟舜學長、亞彤、朝彥、育愷、穎蓉、致緯、承哲、傳立、炳權、傑 笙及士寬，這幾年有你們陪伴研究室總是充滿歡笑，讓我順利完成學業。感謝釗 鳴學長、方義學長、承哲及士寬，有你們的協助讓我在紅柴林的岩心描述才能順 利結束。也感謝雅筑及翊筑兩位學妹協助彙整龐大的紙本資料。感謝方義學長及 偉誠學長，有你們兩位幫忙現地應力實驗才得以完成。感謝中央大學建宏學長與 信強學長提供電測方面的協助，電測方面有兩位學長協助才能如此順利。特別感 謝詠恬學姊在行政與論文上的協助，有您的協助我總是能放心準備口詴，謝謝您。 感謝聖宗學長、文斌、力發、煒翔、彥良、振源、毓均、佳柔、心蘭、家孙、商 策、等好友這幾年的支持與鼓勵。 最後感謝我的家人，你們是我最強大的後盾，也謝謝你們支持我完成碩士學 位，謝謝！. I.
(3) 中文摘要 臺灣東北部宜蘭平原歷經造山擠壓與弧後張裂的影響，有較高的地溫梯度， 因而產生豐富的地熱資源。透過現地應力場評估可以瞭解現今應力狀態，有助於 地熱資源探開與開發，同時也對地熱鑽井工程提供重要資訊。導水裂隙發育與現 地應力有密不可分的關係，為了使地熱發電達到最高產能。本研究利用非彈性應 變回復法(Anelastic Strain Recovery )評估現地應力狀態進，而瞭解三維應力方向與 大小，同時也對結元井 200 米岩心與養鴨場 150 米岩心進行岩心中視構造分析， 詳細觀察並測量記錄岩心中各個地質構造的特徵與位態，探討地質構造於地底下 的分布狀況。最後整合應力場評估與岩心中視構造分析結果，探討其地下構造與 應力之關係。 研究結果指出 ASR 實驗明顯單純受到板劈理異向性的影響，推測岩心板劈理 中水分的逸散會使岩心體積收縮，ASR 紀錄並非現地應力釋放所產生之應變。岩 心中視構造分析結果指出，結元井底下板劈理構造發達，因此大多數非充填裂隙 與斷層泥主要順著板劈理面發育，而開口充填裂隙具有平行板劈理及垂直板劈理 兩個群集。養鴨場井中開口充填裂隙亦具有兩群集分佈，與結元井不同的是，養 鴨場井岩心有急折帶的產生。斷層擦痕反演指出，結元井過去曾有南-北方向拉張 之正斷層應力場，以及南-北擠壓之逆斷層應力場。為了探現地應力與導水裂隙之 關係，本研究利用 DCDA、應力多邊形及斷層擦痕反演提供現地應力大小及方向， 並透過 3D-stress 分析不同情境下開口充填裂隙成為導水裂隙之潛能。結元井與養 鴨場開口充填裂隙屬於高擴張趨勢之開口充填裂隙，意味著現地應力具有高潛能 使結元井與養鴨場井中切過劈理之開口充填裂隙成為導水裂隙。 綜合上述成果，斷層擦痕結果中逆斷層可能與早期板劈理同時形成；蘭陽平 原正斷層應力場可能為沖繩海槽向西南延伸至之後所致，將應力場由南-北方向擠 壓之逆斷層應力場轉變為南-北向拉張正斷層應力場；應力演化推測為早期劈理之. II.
(4) 逆斷層應力場演變至現今正斷層與走向滑移斷層應力場混合帶。. 關鍵字：加強型地熱工程、現地應力、岩心中視構造分析、宜蘭. III.
(5) Abstract Ilan plan in northeastern Taiwan possesses abundant geothermal resources resulted from a higher geothermal gradient due to the influences of compression of mountain building and extension of back-arc rifting. Understanding in-situ stress field can evaluate current stress state for benefiting geothermal exploration and development and providing important information to geothermal engineering. Because development of geothermal fluid conduits is highly depended on in-situ stress, for enhancing geothermal productivity, this study conducted Anelastic Strain Recovery (ASR) to evaluate direction and magnitude of in-situ stress. Simultaneously, core description and investigated structure characteristic in JY-01 and 102-01 wells. At last, integrate in-situ stress and core description to figure out relation of in-situ stress and underground structure. Based on results of ASR experiment, samples were affected by slaty cleavage.We speculate shrinkage of core due to dry out of core water escape from core that induce core volume shrink. Core descriptions indicate slaty cleavage were well development in JY-01. Therefore, most fracture and gouge were along slaty cleavage to develop. And open-filling fractures across and parallel to slaty cleavage in JY-01 well. Well 102-01 havs two open-filling groups, and well 102-01 also has kink structure. According to stress inversion of fault slip, there reverse and normal faulting stress states in JY-01. We exploit DCDA, stress polygon and slickenside inversion to provide direction and magnitude of in-situ stress, Then, 3D-stress analysis potential of slip and dilation tendency of open filling become fluid conduits in different stress regime. Open- filling fractures high dilation tendency in JY-01 and 102-01. This result signify that in-situ stress has high potential to make fracture perpendicular to slaty cleavage becoming fluid. IV.
(6) conduits. In summary, we speculate reverse faulting and early stage slaty cleavage were develop in same time. Okinawa trough elongate to S-W induce normal faulting stress regime in Ilan plain that induce S-N reverse faulting stress state turn into S-N normal faulting stress state. We speculate earlier reverse faulting evolution to normal and strike-slip faulting stress state. keywords: Enhanced Geothermal System, In-Situ Stress, Core Description, Ilan, Taiwan. V.
(7) 目錄 誌謝 ........................................................................................................................... I 中文摘要 .................................................................................................................. II Abstract ................................................................................................................... IV 目錄 ........................................................................................................................ VI 圖目錄 ..................................................................................................................VIII 表目錄 ................................................................................................................... XII 第一章. 緒論 .......................................................................................................... 1. 1.1. 研究動機與目的 ..................................................................................... 1. 1.2. 研究位置與交通 ..................................................................................... 5. 第二章. 地質背景 .................................................................................................. 7. 2.1 地體架構 ................................................................................................... 7 2.2 區域地質概況 ........................................................................................... 7 2.3 地層 ........................................................................................................... 8 2.4 前人研究 ..................................................................................................11 第三章. 研究方法 ................................................................................................ 17. 3.1 非彈性應變回復法 ................................................................................. 17 3.1.1 概念 .............................................................................................. 17 3.1.2 非彈性應變回復程序 .................................................................. 19 3.1.4 實驗流程 ...................................................................................... 30 3.2 岩心中視構造分析 ................................................................................. 37 3.2.1 岩心中視構造分析方法 .............................................................. 37 3.3 斷層擦痕反演 ......................................................................................... 41 3.3.1 原理 .............................................................................................. 41. VI.
(8) 3.3.2 資料來源 ...................................................................................... 42 3.3.3 程式反演 ...................................................................................... 42 第四章 結果 .......................................................................................................... 43 4.1 岩心定向 ................................................................................................. 43 4.2 非彈性應變回復法結果 ......................................................................... 45 4.2.1 結元井 ASR 結果 ........................................................................ 49 4.3 岩心中視構造分析 ................................................................................. 56 4.3.1 結元井岩心中視構造分析 .......................................................... 56 4.3.2 養鴨場井 ...................................................................................... 70 4.3.3 結元井與養鴨場井構造 .............................................................. 79 4.4 斷層擦痕 ................................................................................................. 80 第五章. 討論 ........................................................................................................ 85. 5.1 ASR 結果與板劈理之關係...................................................................... 85 5.1.1 應變方向 ...................................................................................... 85 5.1.2 應變量 .......................................................................................... 86 5.2 現地應力與導水裂隙關係 ..................................................................... 91 5.2.1 應力場分析 ................................................................................... 91 5.2.2 滑動趨勢及擴張趨勢 .................................................................. 96 5.3 應力演化史 ........................................................................................... 102 第六章. 結論 ...................................................................................................... 105. 參考文獻 .............................................................................................................. 106. VII.
(9) 圖目錄 圖 1.1、加強型地熱示意圖。 ....................................................................................... 2 圖 1.2、現地應力與導水裂隙關係圖。 ....................................................................... 2 圖 1.3、現地應力與加強型地熱井孔配置示意圖。 ................................................... 2 圖 1.4、應力集中造成井壁破壞示意圖。 ................................................................... 3 圖 1.5、研究流程圖。 ................................................................................................... 4 圖 1.6、宜蘭三星地區各井位置圖。 ........................................................................... 5 圖 2.1、台灣板塊構造示意圖。 ................................................................................... 9 圖 2.2、三星與蘇澳地質圖幅。 ................................................................................. 10 圖 2.3、蘭陽平原構造及斷層位置示意圖。 ............................................................. 12 圖 2.4、宜蘭平原地表位移量、震源機制解與斷層模擬圖。 ................................. 13 圖 2.5、宜蘭三星地區反射震測測線分布圖。 ......................................................... 14 圖 2.6、反射震測剖面圖以 C 測線為例。 ................................................................ 14 圖 2.7、台灣東北部區域應力圖。 ............................................................................. 15 圖 3.1、岩心應力與應變關係圖。 ............................................................................. 18 圖 3.2、彈性應變及非彈性應變關係圖。 ................................................................. 18 圖 3.3、非彈性應變回復法計算應力流程圖。 ......................................................... 20 圖 3.4、現地實驗室儀器配置圖。 ............................................................................. 23 圖 3.5、實驗器材。 ..................................................................................................... 23 圖 3.6、資料擷取器。 ................................................................................................. 24 圖 3.7、恆溫水箱。 ..................................................................................................... 25 圖 3.8、恆溫器。 ......................................................................................................... 26 圖 3.9、不斷電系統。 ................................................................................................. 27 圖 3.10、一字應變規。 ............................................................................................... 28. VIII.
(10) 圖 3.11、十字應變規。 ............................................................................................... 28 圖 3.12、白金測溫棒。 ............................................................................................... 29 圖 3.13、繪製紅藍參考線。 ....................................................................................... 30 圖 3.14、ASR 參考線關係圖。 .................................................................................. 31 圖 3.15、繪製參考線於岩心上。 ............................................................................... 31 圖 3.16、應變計測量方向與 ASR 參考線關係圖。 ................................................. 32 圖 3.17、樣本黏貼應變計。 ....................................................................................... 32 圖 3.18、PE 袋密封樣本。 ......................................................................................... 33 圖 3.19、鋁袋密封樣本。 ........................................................................................... 34 圖 3.20、PE 料袋包覆樣本。 ..................................................................................... 35 圖 3.21、樣本放置浸水箱後。 ................................................................................... 36 圖 3.22、應變規接上資料擷取器。 ........................................................................... 36 圖 3.23、繪製紅藍參考線。 ....................................................................................... 38 圖 3.24、測量構造與藍線之夾角。 ........................................................................... 38 圖 3.25、測量傾角示意圖。 ....................................................................................... 39 圖 3.26、測量線理示意圖。 ....................................................................................... 39 圖 3.27、岩心中視構造分析構造定義分類表。 ....................................................... 40 圖 3.28、安德森斷層原理。 ....................................................................................... 41 圖 3.29、T-TECTO3.0 軟體介面。 ............................................................................. 42 圖 4.1、超音波影像定向圖。 ..................................................................................... 44 圖 4.2、岩心板劈理位態下半球赤平投影圖。 ......................................................... 44 圖 4.3、樣本 A2 之 18 個應變規數據及水溫隨時間之變化圖。 ............................ 47 圖 4.4、樣本 A2 之 18 個應變規(9 個方向)應變釋放隨時間之變化圖。............... 47 圖 4.5、樣本 A2 應變釋放隨時間變化之關係圖。 .................................................. 48 圖 4.6、樣本 A2 主應變軸位態投影圖。 .................................................................. 48 IX.
(11) 圖 4.7、結元井 ASR 主應變下半球赤平投影圖。 ................................................... 50 圖 4.8、結元井 ASR 應變主軸隨深度變化圖。 ....................................................... 51 圖 4.9、結元井 ASR 應變隨時間釋放關係圖。 ....................................................... 52 圖 4.10、102-1 井 ASR 主應變下半球赤平投影圖。 ............................................... 54 圖 4.11、養鴨場井 ASR 應變主軸隨深度變化圖。.................................................. 54 圖 4.12、102-1 井 ASR 應變隨時間釋放關係圖。 ................................................... 55 圖 4.13、非充填裂隙產狀。 ....................................................................................... 57 圖 4.14、結元井非充填裂隙結果圖。 ....................................................................... 58 圖 4.15、開口裂隙於岩心中的產狀。 ....................................................................... 60 圖 4.16、結元井開口裂隙結果圖。 ........................................................................... 61 圖 4.17、礦脈於岩心中產狀。 ................................................................................... 62 圖 4.18、結元井礦脈結果圖。 ................................................................................... 63 圖 4.19、砂層於岩心中產狀。 ................................................................................... 64 圖 4.20、結元井砂層結果圖。 ................................................................................... 65 圖 4.21、岩心中砂層傾角在不同深度時有所改變。 ............................................... 66 圖 4.22、砂層之傾沒方向隨深度變化圖。 ............................................................... 67 圖 4.23、斷層泥於岩心中之產狀。 ........................................................................... 68 圖 4.24、結元井斷層泥結果圖。 ............................................................................... 69 圖 4.25、急折帶於養鴨場井中之產狀。 ................................................................... 71 圖 4.26、養鴨場井急折帶結果圖。 ........................................................................... 72 圖 4.27、開口裂隙於岩心中產狀。 ........................................................................... 73 圖 4.28、養鴨場井開口裂隙結果圖。 ....................................................................... 74 圖 4.29、褶皺於岩心中產狀。 ................................................................................... 75 圖 4.30、養鴨場井褶皺結果圖。 ............................................................................... 76 圖 4.31、養鴨場井斷層泥結果圖。 ........................................................................... 77 X.
(12) 圖 4.32、養鴨場井斷層泥結果圖。 ........................................................................... 78 圖 4.33、斷層擦痕於岩心中產狀。 ........................................................................... 81 圖 4.34、結元井岩心斷層擦痕蝌蚪圖。 ................................................................... 82 圖 4.35、逆斷層應力場反演結果。 ........................................................................... 83 圖 4.36、正斷層應力場反演結果。 ........................................................................... 84 圖 5.1、結元井主應變軸與板劈理關係圖。 ............................................................. 85 圖 5.2、DCDA 測量岩心應變釋放完畢後之直徑變形量示意圖 ............................. 89 圖 5.3、測量岩心直徑變化之設備。 ......................................................................... 89 圖 5.4、DCDA 數據與岩心飽和度之關係圖。 ......................................................... 90 圖 5.5、利用安德森臨界斷層理論繪製應力多邊形之邊界。 ................................. 93 圖 5.6、鑽井誘發裂隙及井口崩落的應力範圍於應力多邊形之分布。 ................. 94 圖 5.7、結元井應力多邊形結果圖。 ......................................................................... 95 圖 5.8、情境 1 之解算結果之滑動及擴張趨勢圖。 ................................................. 99 圖 5.9、情境 2 之解算水之滑動及擴張趨勢圖。 ..................................................... 99 圖 5.10、情境 3 之解算滑動及擴張趨勢圖。 ......................................................... 100 圖 5.11、情境 4 之解算滑動及擴張趨勢圖。 ......................................................... 100 圖 5.12、原始砂層被板劈理截切。 ......................................................................... 103 圖 5.13、結元井中原始層理傾沒方向與劈理傾沒方向之深度變化圖。 ............. 103 圖 5.14、褶皺演化示意圖。 ..................................................................................... 103. XI.
(13) 表目錄 表 1、樣本資訊表。 .................................................................................................... 46 表 2、ASR 樣本 A2 於不同飽和度下 DCDA 之結果。 ........................................... 90 表 3、應力多邊形之應力參數及來源。 .................................................................... 95 表 4、滑動趨勢與擴張趨勢應力資料表。 ................................................................ 98 表 5、結元井與養鴨場於情境 1~4 開口裂隙滑動趨勢與擴張趨勢統計表。 ...... 101. XII.
(14) 第一章. 緒論. 1.1 研究動機與目的 隨著科技進步，能源需求量逐漸增加，全球石油消耗量持續攀升，同時衍生 出二氧化碳排放及全球暖化的問題，讓世人對石化燃料產生疑慮，因此，尋找替 代能源為當前課題，地熱能源也得到關注(Tester et al., 2006；鄧屬予等人，2013)。 台灣位於菲律賓海板塊及歐亞板塊交會處(Angelier, 1986；鄧屬予，2007)，地 熱資源豐富，菲律賓海板塊向北隱沒至歐亞板塊之下形成大屯火山群(Teng, 1996)， 而宜蘭平原地下有許多深切的伸張性斷層，替深部熱泉提供上湧之管道，甚至岩 漿侵入，進而在地表噴發形成火山，如：龜山島，或潛伏地下成為侵入岩體，(Yu and Tsai, 1979；Yeh et al., 1989；Tong et al., 2008；鄧屬予等人，2013)。大屯火山 群位於陽明山國家公園內，現今依國家公園法地熱開發受到限制，地熱探勘因而 轉移至蘭陽平原發展。為了避免傳統型地熱發電的結垢問題，地熱發電改以加強 型工程地熱系統(Enhanced Geothermal System, EGS 圖 1.1)延長發電廠壽命。 為了提高加強型工程地熱產能以及提供廠址的選定，現地應力佔有十分重要 的角色。岩石在地底下存在裂隙，導水裂隙需要應力或/和孔隙水壓撐開方能形成 (圖 1.2)，一但了解導水裂隙位於地底下的方向，便可鑿穿導水裂隙進而提升 EGS 產能。EGS 地熱井口配置如圖 1.3 所示，地底下裂隙會與最大應力軸方向平行，因 此端視現地應力方向即可提供地熱井場址選定資訊。在鑽井過程中，若應力集中 大於岩石強度，井壁便會破裂，井壁破裂會造成井孔不穩定性問題(圖 1.4)，現地 應力提供應力場方向及大小，進而可以計算井孔之軸差應力，並給予適當之鑽井 方向，降低應力集中便可降低其意外發生。本研究流程圖如圖 1.5。. 1.
(15) 圖 1.1、加強型地熱示意圖(摘自 Zhang et al., 2015)。. 圖 1.2、現地應力與導水裂隙關係圖。. 圖 1.3、現地應力與加強型地熱井孔配置示意圖。. 2.
(16) 圖 1.4、應力集中造成井壁破壞示意圖。. 3.
(17) 圖 1.5、研究流程圖。. 4.
(18) 1.2 研究位置與交通 本研究區域位於宜蘭紅柴林地區，此區域北臨雪山山脈，南面脊樑山脈，介 於兩山脈之間為平原地形，由於平原地表無明顯露頭，故地熱探勘須倚靠鑽井工 程探勘地下構造及地熱資源。各井分布於蘭陽溪南岸及北岸(圖 1.6)。藉由現地應 力實驗及岩心中視構造分析進行資料收集。 本研究區域主要交通可經由國道 5 號至繫東交流道後轉台七丙，往三星方向 改行宜 47 縣道(建富道路)至底右轉沿紅柴林河堤並可到達結元井與養鴨場井。. 圖 1.6、宜蘭紅柴林地區井位分布圖。. 5.
(19) 6.
(20) 第二章. 地質背景. 2.1 地體架構 台灣地處太平洋之西側，介於歐亞板塊及菲律賓海板塊斜向碰撞帶之交界(圖 2.1)，就板塊構造而言，台灣南端由於歐亞板塊向東隱沒至菲律海板塊之下，形成 馬尼拉海溝，而在台灣東北端，由於菲律賓海板塊向北塊隱沒於歐亞板塊之下， 因而形成琉球海溝(Angelier, 1986；鄧屬予，2007)，菲律賓海板塊以每年 8.2 公分 之速率往西北方向移動(Yu et al., 1997)，使台灣島上產生劇烈之構造活動。 在上新世至更新世時期，菲律賓海板塊碰撞點向西南移動，在台灣東北部板 塊隱沒方向反轉成北琉球島弧隱沒系統隨之西移，弧後張裂進而延伸至台灣東北 外海，本來碰撞造山之宜蘭地區轉變為伸張作用而開始塌陷(Teng,1990；1996；鄧 屬予，2002)，應力場由逆斷層應力場轉變為正斷層應力場，因此造山活動停止， 山脈開始垮塌，而在山脈間形成裂谷，進而形成宜蘭平原。. 2.2 區域地質概況 本研究區域主要位於宜蘭平原中央，並無實際岩石露頭，因此透過鑽取岩心 進行現地應力實驗及岩心中視構造分析。此區地層可分為雪山山脈與脊樑山脈， 年代由老至新分別為西村層、四稜砂岩、乾溝層及廬山層(林啟文與林偉雄，1995， 林啟文與高銘健，1997)其詳細地層描述於下個小節中描述(圖 2.2)。. 7.
(21) 2.3 地層 (一)雪山山脈 西村層：始新統中晚期地層，岩性以粉砂岩質硬頁岩與細粒變質砂岩之互層， 後層硬頁岩或板岩偶夾博層變質砂岩為主，分佈於中嶺背斜兩翼，厚度約 550 公 尺。 四稜砂岩：始新統晚期至漸新統地層，岩性以灰色或灰白色中粒至粗粒或粒 質之後層變質砂岩為主，本層完整出露於西村背斜兩翼，分佈於厚度約 680 公尺。 乾溝層：漸新統早期地層，岩性以硬頁岩或板岩為主，偶夾博層之細砂岩， 厚度不詳。 (二)脊樑山脈 廬山層：中新統早中期地層，岩性以板岩或硬頁岩為主，本層又可分為清水 湖段與仁澤段。 清水湖段：岩性以黑至深灰色板岩，具有發育良好之板劈理，岩層下限並未 出露，以包絡面估計厚度約 1500 公尺以上。 仁澤段：岩性以淺灰色至灰色硬頁岩，或硬頁岩與薄層變質砂岩戶層為主， 由於，岩層中等斜褶皺分布廣泛，岩段之上界並亦未出露，透過包絡面估計岩層 厚度約 1200 公尺以上。. 8.
(22) 圖 2.1、台灣板塊構造示意圖(修改自 Anglier, 1986)。. 9.
(23) 圖 2.2、三星與蘇澳地質圖幅(修改自林啟文與林偉雄，1995，林啟文與高建銘，1997)。. 10.
(24) 2.4 前人研究 邱詠恬(2008)利用地質調查所位於蘭陽平原 35 個 GPS 測站，及中央氣象局 12 個和宜蘭大學 2 個 GPS 連續觀測站計算宜蘭的位移速度場，速度場結果顯示 蘭陽平原速度場具有由北向南遞增及由西向東遞增的現象，且蘭陽平原南部(牛 鬥至蘇澳)速度場方向具有順時鐘旋轉的特性。應變分析結果表示蘭陽平原具有 左移分量之剪應變變形，表示可能為左移斷層系統(圖 2.3)。 Kang et al., (2015)分析蘭陽平原 2004-2008 年地表位移量，並探討下陷速率、 震源機制及斷層之關係，結果指出蘭陽平原下陷中心應從蘭陽平原北邊，移往至 蘭陽溪南岸，以 18mm/yr 之速率下陷，並且，地表下陷速率受到沖繩海槽延伸 至蘭陽平原，與向南傾沒的正斷層有關(圖 2.4)。 黃家齊(2015)在宜蘭三星地區收集七條反射震測測線探究宜蘭平原地下構 造(圖 2.5)，指出蘭陽平原底下存在背斜構造，其背斜軸東傾沒 12 度，背斜傾角 由西向東逐漸遞減，而濁水斷層為一向北傾沒的高角度斷層(圖 2.6)，黃家齊認 為濁水斷層為雪山山脈及中央山脈地層之界面。 Huang et al., (2012)分析 1994-2005 年 12030 筆地震資料，結果顯示蘭陽平原 具有兩個地震帶，北部以正斷層機制為主而平原南部以走向滑移斷層機制為主， 黃信樺認為前者可能受沖繩海槽張裂作用延伸至蘭陽平原所致，後者則可能是地 質上的弱帶(圖 2.7)。. 11.
(25) 圖 2.3、蘭陽平原構造及斷層位置示意圖。紅色箭頭表示該研究速度場，淺藍色 為該研究推論之斷層位置，深藍色箭頭表示塊體旋轉方向及沖繩海槽不對稱張裂 (摘自邱詠恬，2008)。. 12.
(26) 圖 2.4、宜蘭平原地表位移量、震源機制解與斷層模擬圖。圖中紅色為地表抬升 量，藍色為地表下陷量，黑點為 2004-2008 年間 50km 內地震分佈位，圖右上為 模擬之斷層參數。 (摘自 Keng et al., 2015)。. 13.
(27) 圖 2.5、宜蘭三星地區反射震測測線分布圖(摘自黃家齊，2015)。. 圖 2.6、C 測線之反射震測剖面圖。雪山山脈及中央山脈地層以濁水段層為界， 濁水段層向北傾沒(摘自黃家齊，2015)。 14.
(28) 圖 2.7、台灣東北部區域應力圖。圖中黑色方框為最大主應力軸，紅色三角形為 次大主應力軸，藍色圓框為最小主應力軸，黑色及藍色箭頭分別代表擠壓及拉張 方向，應力場由宜蘭至花蓮依序為正斷層機制、走向滑移機制及逆斷層機制(摘 自 Huang et al., 2012)。. 15.
(29) 16.
(30) 第三章. 研究方法. 本研究主要分為現地應力實驗及岩心中視構造分析兩部分，現地應力實驗主 要之目的在取得研究區域的應力場形式、方向及大小，而岩心中視構造分析則是 觀察並記錄岩心上構造的位態並探討其構造於地底下之分布狀況，最終將兩種方 法所得到的結果進行比對，進一步探討現地應力與岩心地質構造之間的關係。. 3.1 非彈性應變回復法 3.1.1 概念 岩石於地底下受到周圍應力擠壓，在岩心進入岩心管後，周圍應力隨即消逝 而隨即產生應變回復(strain recovery)。縮點應變定義為正號，且ε1 ≥ ε2 ≥ ε3，岩 心之應變回復量大小根據其當時岩心所受應力大小及材料性質有所不同，而應變 回復方向依照當時應力場方向亦有所不同(圖 3.1)。 應變回復可分成彈性應變回復(elastic strain recovery)及非彈性應變回復 (anelastic strain recovery；ASR)。彈性應變於岩心進入岩心管後隨即釋放完畢， 且釋放時間過於短暫而無法測量，然而非彈性應變回復則隨著時間逐漸釋放(圖 3.2)。Voight (1968) 提出彈性應變量及非彈性應變量具有一定的比例，故非彈性 應變回復量足以代表岩心應變回復量，因此藉由量測非彈性應變回復足以用來計 算應力場大小。. 17.
(31) 圖 3.1、岩心應力與應變關係圖。岩心受到相對較大應力場其應變回復亦相對較 大，圖中箭頭分別代表岩心於地底下應力大小及方向，紅色、綠色及藍色分別代 表應力最大、次大及最小。. 圖 3.2、彈性應變及非彈性應變關係圖。岩心進入岩心管後應力即為 0 且彈性應 變隨即釋放完畢，非彈性應變隨時間逐漸釋放。. 18.
(32) 3.1.2 非彈性應變回復程序 岩石之應變回復大小與地下應力大小及材料參數有關，而應變回復方向則與 應力方向有關，因此透過量測應變回復便可得知地底下應力大小及方向。式 3.1 說明若可以知道材料參數，之後再藉由測量其應變回復量即能評估應力大小。 𝜎𝑖𝑗 = 𝐶𝑖𝑗𝑘𝑙 𝜀𝑘𝑙. (式 3.1). 𝜎𝑖𝑗 為岩石所受應力大小，𝐶𝑖𝑗𝑘𝑙 為岩石材料參數，𝜀𝑘𝑙 為岩石應變量，然而岩 石材料參數不易得知，因此本研究利用樣本深度的靜水壓與靜岩壓數據評估柔度 參數，來取代岩石力學參數以計算應力大小。Matsuki (1991)提出了 ASR 量測三 維應力場的方法，並假設均質等向且具黏彈性物質而言，此物質應該具有非彈性 剪力柔度(Jas)及非彈性體積變形柔度(Jav)。Jas 及 Jav 組成律為： 𝑒𝑖𝑗 (𝑡) = 𝐽𝑎𝑠(𝑡)𝑆𝑖𝑗. (式 3.2). 𝜀𝑚 (𝑡) = 𝐽𝑎𝑣(𝑡)(𝜎𝑚 − 𝑝𝑓 ) + 𝛼 𝑇 ∆𝑇(𝑡). (式 3.3). σm = 1/3(σxx +σyy + σzz ). (式 3.4). 𝑆𝑖𝑗 = 𝜎𝑖𝑗 − 𝜎𝑚. (式 3.5). 𝑒𝑖𝑗 (𝑡)為非彈性偏差應變，𝑆𝑖𝑗 為偏差應力，𝜀𝑚 (𝑡)為平均應變，𝜎𝑚 為平均應 力，𝑝𝑓 為孔隙水壓，𝛼𝑇 為岩石之熱膨脹係數，∆𝑇(𝑡)為溫度變化量。 進一步，此物質可利用線性黏彈性原理計算 XYZ 座標系統中其任一方向(l, m, n)的非彈性應變回復量： 𝜀𝑎 = (1/3)[(3𝑙 2 − 1)𝜎𝑥𝑥 + (3𝑚2 − 1)𝜎𝑦𝑦 + (3𝑛2 − 1)𝜎𝑧𝑧 + 6𝑙𝑚𝜏𝑥𝑦 + 6𝑚𝑛𝜏𝑦𝑧 + 6𝑛𝑙𝜏𝑧𝑥 ] × 𝐽𝑎𝑠(𝑡) + (𝜎𝑚 − 𝑝0 )𝐽𝑎𝑣(𝑡) + 𝛼 𝑇 ∆𝑇(𝑡). (式 3.6). 𝜎𝑥𝑥 、𝜎𝑦𝑦 、𝜎𝑧𝑧 、𝜏𝑥𝑦 、𝜏𝑦𝑧 及𝜏𝑧𝑥 皆代表應力張量，由式 3.6 可知影響非彈性應 變回復的參數有現地應力張量、柔度、孔隙水壓、溫度變化及岩石熱膨脹係數。 若得知上述參數並測量六個不同方向的非彈性應變量即可計算出現地應力張 量。. 19.
(33) 對於等向黏彈性材料而言，現地應力主應力方向與非彈性應變主應變方向一 致，因此藉由量測六個不同方向的非彈性主應變，其主應變方向以及三維現地應 力主應力方向可以確定。 將式 3.2 及式 3.5 結合便可得到式 3.7，便可計算空間中三維現地應力。 ei t. σi = J. as t. ε. + Jm av. t t. + p0 − 𝛼𝑇 ∆𝑇(𝑡). (式 3.7). (i=1,2,3) ASR 應力計算過程如圖 3.3 所示。. 圖 3.3、非彈性應變回復法計算應力流程圖。. 20.
(34) 本實驗樣本製作完畢後放置於恆溫水槽中並由恆溫器維持溫度穩定，因此溫度效 應(∆𝑇 = 0)校正量為 0，因此式 3.7 可改寫成： ei t. σi = J. as t. e. + Jm av. t t. + p0. (式 3.8). 透過實驗測量岩心樣本的 9 個方向非彈性應變回復量的 18 組應變量數據(ɛxx、 ɛxy、ɛxz、ɛxy、ɛyy、ɛyz、ɛzx、ɛzy、ɛzz)，之後再利用數據計算主應變場方向及大小： εxx ε 應變張量 ε = yx εzx. εxy εyy εzy. εxz εn εyz = 0 εzz 0. 0 εn 0. 0 0 εn. l m n. (式 3.9). 主應變場之方向及大小，以本徵值方式解算： εxx − εn εyx ε = εzx. εxy εyy − εn εzy. εxz εyz εzz −ε n. l m =0 n. (式 3.10). 根據克拉瑪公式求 l 解時可知：. l=. 0 ε xy ε xz 0 ε yy −ε n ε yz 0 ε zy ε zz −ε n ε xx −ε n ε xy ε xz ε yx ε yy −ε n ε yz ε zx ε zy ε zz −ε n. =0. (式 3.11). 由於分子永遠為 0，此式若要有 nontrivial solution 則分母必須為 0 εxx − εn εyx εzx. εxy εyy − εn εzy. εxz εyz εzz −ε n. =0. (式 3.12). 展開式 3.12 後可得 ɛ 的一元三次方程式，其解為 ɛ1、ɛ2 及 ɛ3，分別代表空間 中最大、次大及最小非彈性應變主應變的值，之後再將 ɛ1、ɛ2 及 ɛ3 分別帶回式 3.10 便可求得各個非彈性主應變的三個分向餘弦(l,m,n)。 非彈性平均應變回復量可利用三軸主應變回復量的平均值求得： εm = 1/3(ε1 + ε2 + ε3 ). (式 3.12). 利用三軸主應變回復量減去平均應變量即可求得應變偏差量： ei = εi − εm. (式 3.13). i = 1,2,3. 21.
(35) 有關靜水壓部分，本實驗假設地下水面深度為 hw，則樣本之靜水壓可表示 為： p0 = ρg(h − hw ). (式 3.14). ρ 為水的密度(1.0g/cm3)；g 為重力加速度(9.8g/cm3)；h 為樣本深度(m)。 由式 3.8 可知，如果能求得Jas t 及Jav (t)便能計算出三軸主應力的大小。 Matsuki (1991)提出在實驗室內以相同岩心進行三軸加壓後並同時測量其岩心解 壓後的非彈性應變回復量，以求得岩心之柔度與時間的關係(Jas t 及Jav (t))。但 若利用上述實驗來求得樣本柔度，必須以迭代方法逐步進行實驗以逼近現地應力 來求得準確的柔度，此過程必須花費大量的時間及樣本。因此，Lin et al., (2007) 提出改良方法以取代上述方法。其方法提出兩點假設(1)非彈性應變體積柔度及 剪力柔度(Jav 及 Jas)具有一定的比值。Matsuki (2008)透過室內岩石力學詴驗得知 Jas t 及Jav (t)比值介於 1 至 3 之間，因此本研究假設Jas t 及Jav (t)比值為定值 c： J. c = J as. av. t t. = 1.9. (式 3.17). (2)鉛直方向之現地應力等同於上覆岩壓，鉛直應力與三個主應力的關係式 可改寫為： σv = l2p σ1 + m2p σ2 + n2p σ3. (式 3.15). lp 、mp 及np 分別表示三個主應力軸分別對鉛直方向的方向餘弦，由於應力 軸平行應變軸，lp 、mp 及np 等於三個非彈性主應變軸對鉛直方向的方向餘弦， 因此透過式 3.8 可將式 3.15 改寫為： 2 2 l2 p ε 1 +m p ε 2 +n p ε 3. σv =. c. +e m (t). J av. + p0. (式 3.16). 最後，可以用式 3.18 算出應力比值。 ∅ = σ2 − σ3 / σ1 − σ2. (式 3.18). 22.
(36) 3.1.3 實驗儀器與現地實驗室配置 本研究之實驗儀器如圖 3.4 所示，圖中數字 a、b、c、d 及 e 分別為資料擷取 器主機、資料擷取器副機、恆溫水箱、恆溫加熱器及不斷電系統。圖 3.5 中 f、g 及 h 分別為一字應變規、十字應變規及白金測溫棒，以下分別對實驗器材進行說 明。. 圖 3.4、現地實驗室儀器配置圖。. 圖 3.5、實驗器材。. 23.
(37) a&b. 資料擷取器主機及副機 資料擷取器主機(圖 3.6 左)包含 30 個頻道及相關設定功能，可以連接副機(圖 3.7 右)，進而擴充 50 個頻道進而測量更多數據。其詳細規格如下： 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。左圖為主機右圖為副機。. 24.
(38) c. 恆溫水箱 主要為樣本放置處，水箱(圖 3.7 上)具有入水孔及出水孔連接恆溫加熱器達 到定溫循環的效果，使樣本恆溫。. 圖 3.7、恆溫水箱。上圖為水箱外觀，下圖為樣本放置於水箱內之相片。. 25.
(39) d. 恆溫器 本研究必須讓樣本處於恆溫狀態，因此使用恆溫器(圖 3.8)使恆溫水槽溫度 穩定。其詳細規格如下： 操作溫度範圍：-10℃-80℃ 溫度精度：±0.1K 加熱功率：1.5KW 冷卻功率：20℃ - 220W 0℃ - 60W. 圖 3.8、恆溫器。. 26.
(40) e. 不斷電系統 由於本實驗樣本無法重複施測，因此資料尤其珍貴，為避免現地實驗室電壓 不穩及跳電等問題，故實驗儀器皆連接不斷電系統(圖 3.9)，以確保資料完整性。. 圖 3.9、不斷電系統。. 27.
(41) f&g. 應變規 應變規可分為一字(圖 3.10)及十字(圖 3.11)兩種規格，使用方法為使用制式 膠水黏貼於待測樣本之上，之後將另一端連接至資料擷取器。其詳細規格如下： 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)：11.7m/℃. 圖 3.10、一字應變規。. 圖 3.11、十字應變規。. 28.
(42) h. 白金溫度計 本實驗樣本需要維持恆溫狀態，為避免樣本受到溫度變化影響，因此使用白 金溫度計(圖 3.12)紀錄水箱水溫，以利之後校正溫度變化。其詳細規格如下： 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、白金測溫棒. 29.
(43) 3.1.4 實驗流程 (a) 樣本選取 在實驗開始前，根據鑽井汲取岩心之深度，規畫取樣數量及深度間距，ASR 實驗假設樣本為均質等向性，因此在挑選樣本時需選取完整岩心並避免樣本有礦 脈、裂隙及岩性互層，此外應要避免選取夾頭附近岩心，以確保岩心不受扭斷時 應力影響，樣本長度約 20 公分最為適宜。取樣時需紀錄深度、時間、地點、岩 性及樣本長度，並於拍照紀錄後隨即進行實驗。 (b)製作樣本 (1) 繪製紅藍參考線 岩心在鑽取拉回至地表時並未定向，而 ASR 實驗結束後需要將分析結果回 歸至地理座標上。因本研究區域之岩性為板岩，所以可以利用板劈理當作校正依 據並繪製參考線，藍線沿著板劈理傾沒方向繪製，而紅線平行於藍線並繪製在於 藍線右邊，方便判讀岩心的頂部及底部位置(圖 3.13)，之後利用電測影像取得劈 理之傾沒方向，便可將板劈理位態回歸至地理座標。. 圖 3.13、繪製紅藍參考線。. 30.
(44) (2) 繪製 ASR 參考線 在樣本上繪製 4 條 ASR 參考線(圖 3.14，3.15)，其目的使應變規黏貼於設定 方向(圖 3.16)。當岩心頂部朝上，並以順時針的方式紀錄 ASR line 與藍線之夾角， 有利於日後進行地理座標校正。. 圖 3.14、ASR 參考線關係圖。每條參考線彼此夾角 45 度。. 圖 3.15、繪製參考線於岩心上。 31.
(45) (3) 黏貼應變規 根據圖 3.16 標示黏貼應變規於樣本上，特別注意黏貼時應避免礦脈、裂隙 及其他因素可能會影響測量結果之位置。由於 ASR 實驗具有時效性且無法重複 測量，因此在 9 個方向黏貼 18 個應變規(圖 3.17)，以預防資料發生問題導致無法 分析。. 圖 3.16、應變計測量方向與 ASR 參考線關係圖。. 圖 3.17、樣本黏貼應變計。. 32.
(46) (4) PE 袋密封 由於應變規專用膠水接觸到水後會導致應變規脫膠，造成樣本數據出現問題， 因此本實驗使用 PE 袋(圖 3.18)將樣本密封，以避免樣本接觸到水。又因板岩劈 理構造發達，本實驗於 PE 袋底部放置海綿以防板劈理將 PE 袋刺破，且放置樣 本過程中必須注意使應變規朝上，以免擠壓到應變規導致數據受到影響，最後使 用膠布進行封口，以防樣本進水導致上述提及的問題。. 圖 3.18、PE 袋密封樣本。. 33.
(47) (5) 鋁袋密封 應變規原理是利用樣本在膨脹時，改變應變規電阻值來測量應變量，為避免 儀器接地不良以及靜電問題影響其測量值，本實驗使用鋁袋將樣本密封(圖 3.19)， 防止上述問題發生，最後依舊使用膠布將鋁袋末端密封。. 圖 3.19、鋁袋密封樣本。. 34.
(48) (6) PE 料袋密封 孫天祥(2012)及李偉誠(2015)於其他地區進行 ASR 實驗時，樣本進水問題是 影響數據最大因素，其原因可能是水滲透至袋子內部造成，因此本研究額外使用 PE 料袋將樣本進行第三層的防水措施(圖 3.20)，與前二種袋子不同的是此 PE 料 袋包覆樣本後，其袋口是露出水箱的，在袋子沒有破損的情況下可將樣本進水可 能性降到最低。. 圖 3.20、PE 料袋包覆樣本。. 35.
(49) (7) 樣本放置水箱&接上資料擷取器 密封完畢後，將樣本朝上放置於恆溫水箱(圖 3.21)且避免與其他樣本互相接 觸而影響實驗數據，最後並依照頻道編號將應變規連接至資料擷取器(圖 2.22)。. 圖 3.21、樣本放置浸水箱後。. 圖 3.22、應變規接上資料擷取器。. 36.
(50) 3.2 岩心中視構造分析 3.2.1 岩心中視構造分析方法 結元井(JY-01)總深 1490 公尺，實際取心深度為 720~920 公尺，養鴨場(102-01) 總深 702 公尺，實際取心深度為 350~702 公尺，詳細岩心中視構造分析步驟如下： (1)繪製參考線 進行岩心中視構造分析前須制訂依基準，方便日後將岩心地質構造位態回歸 至地理座標，以便與區域構造及現地應力進行對比與討論。本區岩心之岩性為板 岩，因此使用板劈理為基準繪製紅藍參考線(圖 3.23)，沿劈理傾沒方向(down dip) 繪製藍色參考線，紅線為平行並位於藍線右側繪製，由藍線及紅線關係即可迅速 得知該岩心頂部及底部相對位置。 (2)量測構造傾沒方向 完成參考線的繪製後，使用自製工具量測藍線與待測構造傾沒方向之夾角 (圖 3.24)。本研究以岩心頂部朝上逆時鐘方式測量構造與藍線之夾角，日後得知 其藍線於地理座標之方向後，即可將岩心上的構造位態校正到地理座標上。 (3)量測構造傾角 傾沒方向量測完畢後，使用量角器測量其構造的傾角(圖 3.25)，本研究測量 時直接紀錄垂直岩心軸方向跟構造的夾角，若該井孔為鉛直，則該角度及為一般 習慣使用之傾角。 (4)脆性構造 若構造於岩心上已裂開，需特別觀察是否有擦痕，要是具有線理則需量測傾 伏角(rake)及滑動方向(圖 3.26)，有利於之後進行擦痕古應力分析。 (5)構造特性判別 測量其構造之後，針對不同產狀給予其名稱並詳細記錄特性，如裂隙使否充 填礦物、礦物充填的程度及充填礦物為石英或方解石等等，有利於後續進行分類 並了解其空間分布之特性。. 37.
(51) 圖 3.23、繪製紅藍參考線。. 圖 3.24、測量構造與藍線之夾角。. 38.
(52) 圖 3.25、測量傾角示意圖。. 圖 3.26、測量線理示意圖。. 39.
(53) 3.2.2 岩心中視構造分析構之造定義及分類 本研究岩心中視構造分析之構造定義如圖 3.27 所示。若判斷構造為脆性構 造且具有相對錯移時，其定義為斷層(fault)。若單純為脆性構造而無相對錯移時， 其定義為裂隙(fracture)。裂隙依其產狀將再細分成礦物充填(filling)及非礦物充填 (non-filling)，礦物充填顧名思義代表裂面具有新形成之礦物，再根據其充填程度 細分成開口充填裂隙(open filling fracture)及閉合充填裂隙(close filling fracture)， 開口充填裂隙定義為該裂隙尚未被礦物充填完畢且具有空間讓液體流通的通道 (fluid conduit)，若現地應力方向有利於導水裂隙形成可進一步定義該裂隙為現生 導水裂隙(current fluid conduits)。閉合裂隙為裂隙被礦物完全充填完畢，亦可以 礦脈(vein)稱呼，然而礦脈已完全填滿裂縫空間，無法讓液體流通且無法確定何 時填滿，但在礦脈尚未填滿前可能為導水裂隙。. 圖 3.27、岩心中視構造分析構造定義分類表。. 40.
(54) 3.3 斷層擦痕反演 3.3.1 原理 斷層擦痕反演的原理是根據 Wallace-Bott 假說(Wallace, 1951; Bott, 1959)，當 應力大於岩石強度將產生破裂面，其岩石裂面滑動時產生擦痕，而滑動面上會有 最大剪應力與正應力，其最擦痕平行於大剪應力方向滑動，因此擦痕的滑動方向 及滑動面分別提供了該應力場的最大剪應力與正應力的方向的相關資訊，古應力 反演因此可根據擦痕提供的資料，反演古應力場之應力方向與應力比值。 應力大小可分為最大主應力(σ1)、次大主應力(σ2)及最小主應力(σ3)，依據安 德森斷層理論(Anderson, 1951)，地表為自由面無剪應力存在，因此近地表處一應 力軸垂直地表，而其他應力軸平行地表。應力方向又可分為鉛直(SV)、水平最大 (SHmax)及水平最小(Shmin) 且應力軸彼此互為 90°(圖 3.28)。應力大小在不同的方 向的分布得以產生不同形式的應力場模式，這三種應力場形式可分為逆斷層應力 場、走向滑移應力場及正斷層應力場。當最大主應力方向為鉛直時，應力場為正 斷層應力場；當次大主應力方向為鉛直時，應力場為走向滑移應力場；當最小主 應力方向為鉛直時，應力場為逆斷層應力場。. 圖 3.28、安德森斷層原理。由左至右分別為正斷層、走向滑移及逆斷層應力場。. 41.
(55) 3.3.2 資料來源 本研究資料皆來自於結元井岩心觀察所紀錄，然而這些擦痕並沒有明確截切 關係，且斷層擦痕資料數量較少，無法使用以統計方式反演古應力場，因此利用 T-TECTO 進行古應力場反演。 3.3.3 程式反演 T-TECTO 3.0(圖 3.29)為多功能計算應力反演軟體(Žalohar and Vrabec, 2007)， 將斷層擦痕的面資料，及滑動方向與剪動方向輸入軟體，再將其相容角 (compatibility angle)設定為 15°進行古應力反演，程式會將符合同一應力場資料分 為同一期，並將剩餘未分期資料重複上述動作直至所有資料分期完畢，使斷層擦 痕分類成不同期的應力場資料，但這些結果不代表其先後順序，只能得知有多少 期應力場。. 圖 3.29、T-TECTO3.0 軟體介面. 42.
(56) 第四章 結果 4.1 岩心定向 岩心定向的目的在於，將岩心中視構造分析與現地應力實驗結果回歸到地理 座標，以便跟區域的應力/應變場進行比對。岩心到地表後無法立即定向，因此 必須仰賴其他方式將岩心方位回歸至地理座標上。國立中央大學地球科學系曾於 結元井進行超音波影像電測，藉由超音波探棒於深度 700m~900m 進行井壁影像 測量，其影像結果如圖 4.1，可發現劈理構成黑色正弦曲線，正弦曲線的波谷代 表該構造傾沒方向，發現超音波影像中劈理傾沒方向為 166°，將該井之岩心劈 理以極點表示法投影(圖 4.2)，因此，透過超音波影像的校正可將本研究現地應 力實驗與岩心中視構造分析的資料回歸至地理座標中。. 43.
(57) 圖 4.1、超音波影像圖。由圖所示該井岩心板劈理傾沒方向約為 166°。. 圖 4.2、岩心板劈理位態下半球赤平投影圖。黑點為板劈理法線向量之投影。. 44.
(58) 4.2 非彈性應變回復法結果 本研究於宜蘭紅柴林地區進行 15 個 ASR 實驗，詳細樣本資訊詳見表 1，其 中 8 個樣本由於實驗儀器出現問題，因此實驗數據無法進行分析，之後僅說明其 他 15 個樣本的分析結果。 從圖 4.3 樣本 A2 可發現樣本接上資料擷取器時應變量回復有明顯增加，在 5500 小時後應變量不再增加，由此可知本區域岩心非彈性應變量在 4 天左右會 釋放完畢。實驗期間，恆溫水槽的水溫變化小 0.1°C，板岩之熱膨脹係數為 4~9 × 10−6 (1/℃)(顏建忠，1998)，因此後續分析不需要校正溫度效應。當樣本 應變釋放完畢後，將應變規於資料擷取器卸除，並把樣本移出恆溫水箱，拆封後 檢查應變規在實驗中有無起泡、脫膠，或密封樣本之袋子是否進水，因為上述因 素皆會影響後續樣本分析的結果，所以必須詳細記錄有問題之應變規，移除有問 題應變規之數據後，才進行數據分析。如圖 4.4，ZY1 方向應變規應變值相較於 另外相同方向之應變規數值較大，以及樣本拆封檢查時，Y2，Z1 及 YZ1 方向應 變規具有氣泡，因此上述有問題之數據在分析前必須給予刪除。將有問題應變歸 之數據刪除後，軟體以對稱矩陣的方式，分析 9 的方向(6 個獨立方向)非彈性應 變回復張量的主應變數值及方向。該樣本解算結果如圖 4.5，結果顯示樣本初期 應變釋放並未達到穩定，且因應變釋放規模較小，解算的結果亦不穩定，如圖 4.5 樣本釋放應變至 500 分鐘左右，應變量依然尚未釋放完畢，因此，本研究繪 製應變隨著時間之變化曲線圖(圖 4.5) ，了解其應變釋放過程中應變軸的方向變 化。 因為樣本在應變釋放途中應變軸有時會所浮動，所以，利用圓形、矩形及三 角形分別代表最初、平均及最終應變軸之位置，將其方位投影至赤平投影圖，根 據 Matsuki(1991)之研究，均質等向樣本之非彈性主應變方向與現地應力的方向 為一致，因此可將非彈性主應變軸方向視為現地應力主應力軸方向，進而得知該 地區現地應力場之形式，從圖 4.6 中可知，A2 樣本次大主應力軸趨近鉛直，其 45.
(59) 最大、次大及最小主應變軸地方向角與傾角分別為 250°/28°,83°/61°,343°/5°，根 據安德森斷層理論，該樣本應力場結果屬於走向滑移應力場。. 表 1、樣本資訊表。紅色標示之樣本由於儀器出現問題，因此數據無法分析。 編號. 頂深(m). 底深(m). 長度(m). 井名. ASR line 與藍線之 夾角. A1. 722. 722.2. 0.2. 結元. 240. A2. 734.3. 734.6. 0.3. 結元. 265. A3. 789.35. 789.55. 0.2. 結元. 125. B1. 853.6. 853.85. 0.25. 結元. 130. B2. 858. 858.24. 0.24. 結元. 130. B3. 860.75. 861.1. 0.35. 結元. 150. A4. 871.45. 871.7. 0.25. 結元. 270. A5. 890.75. 891. 0.25. 結元. 135. A6. 892.54. 892.7. 0.16. 結元. 270. B4. 894.7. 895. 0.3. 結元. 135. B5. 899.9. 900.16. 0.26. 結元. 135. B6. 903. 903.24. 0.24. 結元. 270. A8. 487.94. 488.14. 0.2. 102-1. 135. A9. 489.36. 489.6. 0.24. 102-1. 135. A10. 525. 525.5. 0.5. 102-1. 180. 46.
(60) 圖 4.3、樣本 A2 之 18 個應變規數據及水溫隨時間之變化圖。. 圖 4.4、樣本 A2 之 18 個應變規(9 個方向)應變釋放隨時間之變化圖。. 47.
(61) 圖 4.5、樣本 A2 應變釋放隨時間變化之關係圖。ɛ1、ɛ2、ɛ3 及 ɛm 分別為最大、 次大、最小及平均應變。. 圖 4.6、樣本 A2 主應變軸位態投影圖。紅色、綠色及藍色分別代表最大、次大 及最小主應變軸。 48.
(62) 4.2.1 結元井 ASR 結果 本研究於結元井中進行 12 個樣本的非彈性應變回復實驗，其擠壓方向及拉 張方向如圖 4.7 表示。根據三軸主應變量大小於空間位態的分佈(圖 4.8)，該井應 力場型態屬於逆斷層及走向滑移應力場，除了 B1、B2 及 B6 樣本之外，其餘樣 本擠壓方向為南北方向，拉張方向為東西向，而 B1、B2 及 B6 這 3 個樣本，擠 壓方向為東西方向，拉張南北方向。12 個樣本應變量隨時間釋放量如圖 4.10 所 示，該井岩心ε3 為負值，代表樣本於測量階段體積是隨時間收縮而不是膨脹，關 於此現象，本研究推測ε3 方向的收縮與此井板劈理具有特定關係，該現象將於後 續章節中討論。. 49.
(63) 圖 4.7、結元井 ASR 主應變下半球赤平投影圖。. 50.
(64) 圖 4.8、結元井 ASR 應變主軸隨深度變化圖。. 51.
(65) 圖 4.9、結元井 ASR 應變隨時間釋放關係圖。. 52.
(66) 4.2.2 養鴨場井 ASR 結果 本研究於養鴨場井(102-01)中進行十個樣本的非彈性應變回復實驗，但是， 其中七個樣本由於資料擷取器出現問題，故數據無法分析使用，剩餘三個樣本擠 壓方向及拉張方向如圖 4.10 表示，根據主應變大小於空間的位態分佈(圖 4.11)， 該井應力場型態屬於逆斷層及走向滑移應力場，其擠壓方向為南北方向，拉張方 向為東西向。應變量隨時間釋放量如圖 4.12 所示，該井岩心ε3 為如同結元井出 現負值，代表樣本於測量階段ε3 是隨時間收縮而不是膨脹，關於此現象本研究推 測ε3 方向收縮與此井板劈理具有特定關係，該現象詳將於後續章節中詳細討論。. 53.
(67) 圖 4.10、養鴨場井 ASR 主應變下半球赤平投影圖。. 圖 4.11、養鴨場井 ASR 應變主軸隨深度變化圖。. 54.
(68) 圖 4.12、養鴨場井 ASR 應變隨時間釋放關係圖。. 55.
(69) 4.3 岩心中視構造分析 4.3.1 結元井岩心中視構造分析 4.3.1.1 非充填裂隙 於結元井進行岩心中視構造分析時，非充填裂隙(圖 4.13)數量最多，將結果 以其分佈與位態方式表示(圖 4.14)，由圖 4.14-C 可知，此井非充填裂隙主要順著 板劈理面破裂，傾角介於 45°至 75°，由此可知，板岩的板劈理是主要弱面，容 易使岩體沿著板劈理破裂。. 56.
(70) 圖 4.13、非充填裂隙產狀。上圖及下圖分別為平行板劈理裂隙及截切板劈理裂 隙。. 57.
(71) 圖 4.14、結元井非充填裂隙結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、 傾沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪頭部及尾巴分別代表地質構 造之傾角與傾沒方向。. 58.
(72) 4.3.1.2 開口充填裂隙 本研究定義開口充填裂隙(圖 4.15)為裂隙受礦物充填，但未完全充填完畢， 且可提供液體流通管道，其可能為過去或者現生導水裂隙。 由統計結果顯示，該井開口充填裂隙約有兩個群集(圖 4.16-D 紅色與藍色圈)； 其傾沒方向垂直板劈理傾沒方向及平行板劈理傾沒方向(圖 4.16-B,D)，深度分佈 於 820m~830m 及 850m~870m。由於岩心中開口充填裂隙並無截切關係，無法確 定其先後順序，但開口裂隙容易垂直於σ3 方向形成，由此可知該區域過去至少存 在兩種應力場，才能形成兩種不同方向的導水裂隙。針對此兩種導水裂隙何者為 現生導水裂隙，將於後續章節中討論。. 59.
(73) 圖 4.15、開口裂隙於岩心中的產狀。上圖及下圖分別為開口裂隙遠照及近照。. 60.
(74) 圖 4.16、結元井開口裂隙結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、 傾沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 61.
(75) 4.3.1.3 礦脈 於岩心中視構造分析時，也詳細測量及記錄礦脈(圖 4.17)之位態，本研究中 定義礦脈為：裂隙完全被礦物充填，且並無殘留孔隙。結元井中的礦脈含有石英 及方解石之成分，然而石英與方解石並無明顯截切關係，無法探討其形成先後順 序。礦脈分佈於 790m~830m、850m~860m 及 880m~890m。該井岩心中礦脈之位 態大致平行板劈理傾沒方向(圖 4.18-C)，推斷可能礦脈與劈理同時生長，或礦脈 於劈理生成後由於孔隙水壓過高，於板劈理弱面上形成礦脈。. 圖 4.17、礦脈於岩心中產狀。. 62.
(76) 圖 4.18、結元井礦脈結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、傾沒 方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 63.
(77) 4.3.1.4 砂層 結元井中岩心具有原生砂層(圖 4.19)的存在，本研究亦對其進行測量及分析， 由圖 4.20-A 可知，砂層普遍分佈於此岩心中，但值得注意的是，砂層的傾角在 不同深度有所改變(圖 4.21)，多數砂層傾沒方向與板劈理傾沒方向大致相同，但 少數砂層傾沒方向有所改變，因此，本研究繪製砂層傾沒方向隨深度變化圖(圖 4.22)，從該圖可發現砂層在 800m 時傾沒方向反轉了 180°，有此可推論地表下可 能具有向斜及背斜的構造存在，其構造型態與分佈將於後續做探討。. 圖 4.19、砂層於岩心中產狀。. 64.
(78) 圖 4.20、結元井砂層結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、傾沒 方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.8。. 65.
(79) 圖 4.21、岩心中砂層傾角在不同深度時有所改變。圖中黑線及紅線分別代表板 劈理傾角與砂層傾角，在(B)圖中褶皺於岩心中出現。. 66.
(80) 圖 4.22、砂層之傾沒方向隨深度變化圖。. 67.
(81) 4.3.1.5 斷層泥 在進行岩心中視構造分析時，亦發現斷層泥於結元井中(圖 4.23)，將資料以 蝌蚪圖及傾沒方向玫瑰圖呈現後，發現斷層泥在 810~850m 與 870~910m 這區間 群聚(圖 4.24-B)，從傾沒方向玫瑰圖可知，斷層泥傾沒方向普遍相似於板劈理之 傾沒方向，本研究推斷於變質岩板岩區中，板劈理為強烈裂弱面，在發育構造時 容易在板劈理面形成。. 圖 4.23、斷層泥於岩心中之產狀。. 68.
(82) 圖 4.24、結元井斷層泥結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、傾 沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 69.
(83) 4.3.2 養鴨場井 4.3.2.1 急折帶 急折帶為一脆韌性構造。養鴨場井之急折帶皆為正斷層應力場方式形成(圖 4.25)，其位態與分佈狀況可由圖 26 可知，養鴨場井中急折帶走向大致為 N30W， 並且切過板劈理(圖 4.27-A)，傾角介於 45°~70°(圖 4.27-A)，急折帶分佈於養鴨場 井中 480~520m(圖 4.27-B)，並在 520m(圖 4.27-B)富集。透過急折帶形成機制， 推斷該應力場擠壓及拉張方向分別為東北向拉張及西北向擠壓。. 70.
(84) 圖 4.25、急折帶於養鴨場井中之產狀。上下圖分別為岩心遠照及近照，下圖中 紅色箭頭表示急折帶以正斷層應力場方式形成。. 71.
(85) 圖 4.26、養鴨場井急折帶結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、 傾沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 72.
(86) 4.3.2.2 開口充填裂隙 養鴨場開口充填裂隙皆以晶洞方式形成，可在岩心中觀察到單晶(圖 4.27)， 代表形成時有足夠空間使礦物結晶。由統計結果顯示(圖 4.28)，開口充填截切板 劈理，主要分佈於 580m~590m，且具有 c、d 兩個群集分佈。開口充填裂隙於形 成時，其走向平行於σ1 方向，而開孔充填裂隙拉張拉張方向垂直於σ3，從玫瑰圖 可推測開口充填形成時，應力場拉張方向為東西方向，擠壓方向為南北方向。. 圖 4.27、開口裂隙於岩心中產狀。. 73.
(87) 圖 4.28、養鴨場井開口裂隙結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、 傾沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 74.
(88) 4.3.2.3 褶皺 本研究於觀察養鴨場岩心時，發現具有韌性構造之褶皺，由劈理被褶皺折曲 之產狀，可判斷該褶皺屬於正斷層應力場(圖 4.20)，其統計結果顯示，該褶皺伸 向朝北(圖 4.30-C)，分部深度為 560m 及 570m(圖 4.30-B)。由此可知該褶皺形成 是擠壓方向為東西方向，拉張方向為南北方向。. 圖 4.29、褶皺於岩心中產狀。. 75.
(89) 圖 4.30、養鴨場井褶皺結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、傾 沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 76.
(90) 4.3.2.4 斷層泥 養鴨場井中亦在岩心中觀察到斷層泥(圖 4.31)，其結果以圖 4.32 呈現，斷層 泥於 500m~520m 及 550m~560m 富集(圖 4.32-A,B)，其傾沒方向約為 0°及 166°， 與結元井相似，斷層泥主要於劈理面形成，然而養鴨場可能存在另一組共軛之斷 層泥。透過斷層泥之傾沒方向可推測其當時形成之應力方向，擠壓方向為東西方 向，拉張方向為南北方向，然而並無明顯錯動之證據無法判別其斷層形式為何 者。. 圖 4.31、養鴨場井斷層泥結果圖。斷層泥於岩心中之產狀。. 77.
(91) 圖 4.32、養鴨場井斷層泥結果圖。A、B、C 及 D 分別為蝌蚪圖、密度統計圖、 傾沒方向玫瑰圖與極點分佈下半球赤平投影圖，蝌蚪圖說明請詳見圖 4.12。. 78.
(92) 4.3.3 結元井與養鴨場井構造 將結元井與養鴨場地質構造以蝌蚪圖呈現(圖 4.33)後可發現，斷層泥、礦脈 及開口充填裂隙分佈之深度有所不同。. 圖 4.33 結元井與養鴨場井地下構造蝌蚪圖。. 79.
(93) 4.4 斷層擦痕 本研究針對斷層與剪動方向進行量測及記錄(圖 4.33)，取得走向、傾角、傾 伏角及剪動方向，將其分佈與位態繪製蝌蚪圖(圖 4.34)，圖中藍色及紅色蝌蚪分 別代表正斷層及逆斷層。將結果以傾沒方向玫瑰圖呈現後，該井斷層擦痕主要沿 著板劈理方向滑動，並且在逆斷層資料中有共軛斷層產生(圖 4.35 上)，且共軛斷 層面的夾角約 80°。 將資料整理經由 T-TECTO 進行古應力反演後，目前可分為兩期應力場，分 別是正斷層應力場及逆斷層應力場(圖 4.35 及圖 4.36)，逆斷層擠壓方向為東北至 西南方向，正斷層拉張方向為東北至西南方向，然而這兩期應力場並無截切關係， 因此無法得知其先後關係，在後續的章節會再深入探討此結果。. 80.
(94) 圖 4.33、斷層擦痕於岩心中產狀。(A)及(B)分別為逆斷層及正斷層擦痕，紅色箭 頭表示擦痕滑動方向。. 81.
(95) 圖 4.34、結元井岩心斷層擦痕蝌蚪圖。NF 及 RF 分別代表正斷層與逆斷層，蝌 蚪圖說明請詳見圖 4.8。. 82.
(96) 圖 4.35、逆斷層應力場反演結果。上圖為逆斷層傾沒方向玫瑰圖，下圖為逆斷 層擦痕古應力反演結果。. 83.
(97) 圖 4.36、正斷層應力場反演結果。上圖為正斷層傾沒方向玫瑰圖，下圖為正斷 層擦痕古應力反演結果。. 84.
(98) 第五章. 討論. 5.1 ASR 結果與板劈理之關係 5.1.1 應變方向 由於本研究之 ASR 實驗結果中，ɛ3 應變量為負值，且其方向於西北方向群 集之特性，因此將應變方向與結元井中板劈理極點以投影方式呈現如圖 5.1，圖 中紅色、綠色及藍色分別代表 ɛ1，ɛ2，ɛ3 應變主軸，黑色圓點代表結元井之板劈 理極點，從下半球赤平投影圖可觀察到，結元井 12 個 ASR 實驗結果中有 9 個樣 本 ɛ3 應變主軸與結元井板劈理極點投影位置大致相同。因此，本研究推斷結元 井 ASR 結果有受到板劈理的異向性影響。ASR 樣本應變為收縮的現象將於下個 小節討論. 圖 4.37、結元井主應變軸與板劈理關係圖。圖中藍、綠及紅分別代表最大、次 大及最小主應變軸，黑色方框為結元井板劈理極點投影圖。. 85.
(99) 5.1.2 應變量 從 5.1.1 討論結果中可以得知，ASR 實驗結果受到板劈理的影響，其解算出 之應力方向與劈理具有特定關係。為了探討 ASR 實驗結果是否為現地應力，結 元井 ASR 樣本在應變釋放完畢後，於日本高之岩心研究所進行岩心直徑變形分 析(Diametrical Core Deformation Analysis；DCDA)。DCDA 其原理描述如下：在 鑽取岩心過程中，空心之鑽頭以旋轉方式持續向下鑽取，使岩心在進入岩心管時 為完整的圓形，但地下受應力擠壓之岩心在進入岩心管後應力隨即消逝，而岩心 應變隨時間釋放，然而地下應力並非等向性，所以，當岩心應變釋放完畢時，岩 心會產生不對稱之膨脹(圖 5.2)，其膨脹最大直徑(dmax)與最小直徑(dmin)分別與水 平最大應力(SHmax)與水平最小應力(Shmin)方向相同。因此，應變釋放完畢之岩心 的最大直徑與最小直徑，與地下之現地應力值有明顯的關係。 DCDA 假設樣本為均質等向性，其應力釋放於SHmax 與Shmin 方向造成的伸張 應變(emax ，emin )為： 1. emax = 2. 1+ν. emin = 2. 1+ν. 1. SHmax − ν Shmin + Sν. (式 5.1). Shmin − ν SHmax + Sν. (式 5.2). 其中ν為柏松比，Sν 為鉛直應力。此外，岩心最大與最小直徑與應變具有以 下關係： emax =. d max −d 0 d0. (式 5.3). emin =. d min −d 0 d0. (式 5.4). 其中d0 為岩心原始直徑。經由式 5.1 至 5.4，垂直於岩心軸向之平面上的軸 差應力可用下式表示： SHmax − Shmin = 2G. dmax − dmin dmax − dmin E dmax − dmin ≈ 2G = d0 dmin dmin 1 + ν (式 5.5). 86.
(100) E 為楊氏模數，G 為減力模數。由於鑽頭於鑽進過程中會晃動，精確的d0 無 法得知，且假設應力釋放於dmin 方向上之變形量為非常小，因此式 5.5 中d0 可用 dmin 取代。於是本研究藉由精密量測岩心之直徑，進而評估SHmax 與Shmin 之方向， 便可求得軸差應力。 DCDA 實驗過程簡述如下：將應變釋放完畢之岩心放置於滾輪載臺上以定速 旋轉，並用光學微測設備測量岩心直徑，設定每旋轉 1°測量岩心直徑一次。在 開始測量前，將岩心上的藍線(即紅藍參考線中之藍線)定為 0°，其目的與 ASR 相同，之後透過電測方式可得知藍線於地理座標中之方位角，藉此獲得SHmax 與 Shmin 之方位角。理論上，量測岩心旋轉 180°時足以得知岩心之dmax 與dmin 值與 其方向。但為了檢核岩心在測量過程中是否正常，本研究測量岩心旋轉 0°~720° 或 0°~1080°的直徑變化，即測量岩心旋轉 2 或 3 圈。 由於 DCDA 在 ASR 實驗完畢之後過了數個月才進行，且進行 DCDA 時， 岩心濕度可能與當時 ASR 實驗時有所不同，顯示岩心含水量有可能所變化，為 了瞭解 DCDA 實驗於不同飽和度下測量之結果，本研究針對樣本 A2 額外進行不 同飽和度之 DCDA 詴驗，其結果如表 5-1。結果顯示，透過式 5.1 計算出 DCDA 的岩心伸張應變，與 ASR 解算結果與ε3 應變量數值進行比較，ε3 數值為為 −14.1424 × 10−6，而 DCDA 於飽和度 8.6%及 88.6%解算結果之岩心伸張應變介 於409~2492 × 10−6，意味著岩心於不同飽和度之體積變形量比岩心受到應力後 之應變回復量數值大。將岩心於不同飽和度下進行 DCDA 測量後發現，隨著岩 心之飽和度增加，其 dmax 亦隨之增加(圖 5.4)。，且最大值徑在飽和度 57%時， 最大方向由 80°轉至 165°，因此，岩心含水量的變化大於 ASR 實驗結果，ASR 結果推測為岩心飽和後乾燥的體積變化結果。 綜合上述，ASR 岩心應變收縮可能因於岩心在 ASR 實驗過程中，由於岩心 水分逸散使岩心體積收縮，進而使應變量為負值，且本研究區域板劈理發達，潛. 87.
(101) 在弱面容易含水，因此，當水逸散時，垂直於板劈理面之方向的收縮量相較於其 他方向大。 因此，未來於板岩或其他具有異向性構造之岩性地區進行 ASR 實驗時，必 須考量其水分逸散之影響，本研究建議使用防水膠將岩心完全密封，盡可能不讓 水分從岩心中逸散，使 ASR 量測到該地區之現地應力。. 88.
(102) 圖 4.38、DCDA 測量岩心應變釋放完畢後之直徑變形量示意圖(修改自 Ito et al., 2013)。. 圖 4.39、測量岩心直徑變化之設備(修改自 Ito et al., 2013)。. 89.
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