全球海水面升降變遷曲線對比井測資料研究
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(2) 國 立 臺 灣 師 範 大 學 學 位 論 文 授 權 書. i.
(3) 碩士論文通過簽名表. ii.
(4) 致謝 能夠在二年取得學位，我感覺非常幸運和喜悅。多虧了細心審查的口試委員 李通藝教授、陳華玟博士及鄭懌教授，以及一路上指導我、支持我和陪伴我的師 長、家人和朋友們，這篇碩士論文才順利地產出。. 感謝師大地球科學系的師長、同學及行政人員的幫忙，讓我在這個陌生的環 境能快速地適應，順利的學習並取得學位。指導教授李通藝博士提供了良好的學 習環境，加上人性化的管理模式，幫助我在學習過程中獲得靈感。鄭懌教授撥空 傳授數位資料處理方法。二位教授的身教多過言語的指導，是我學習效仿的榜樣， 幫助我結合地質學、地球物理學及資料處理的知識與技術，提昇了地質資料對比 的效率與精確度。葉恩肇教授分享井測資料處理經驗，並提供了改良對比過程的 點子。劉德慶教授和謝奈特教授幫助我找尋自己學習的方向。地球物理實驗室的 夥伴們陪伴我學習與玩樂；多虧了志松、銘俊、竑旻、旂萍、妤諮、鈴媛、逸偉、 楚琳等學長姐的協助，我在師大愉快的度過二年歲月，並且提昇了數值軟體的操 作能力。感謝海洋組信廷學長與我討論氣候變遷與海水面變遷的議題。地質組的 同學與助理們也提供我許多協助，特別是羑律、嘉修、伯傑、福良、智宇、進達、 雅芬。感謝數學系的莊曜豪學長幫忙。. 台大的師長與同學對我的成長也有深遠的影響。特別感謝鄧茂華教授在我大 學階段時的指導與啟發。此外，劉平妹教授、謝孟龍教授和魏國彥教授激發了我 對地球歷史學與地表作用的興趣。感謝吳逸民教授、盧佳遇教授、洪淑惠教授、 劉雅瑄和林立虹教授對我的照顧。感謝湯瑞婷、林誼真、張冕、陳奕維和劉瀚方 的協助。呂睿晟、邱志成、莊智凱、張毓軒等學長為我解決了許多實驗問題，且 提供了許多新想法。感謝化學系同學茂麟、清樺、柏翰，從不同的角度與我討論 地球化學之議題，偶而也提供了一些化學新知與點心飲料。 iii.
(5) 台大模型社不僅提供了切磋模型製作技巧的機會，也讓我結識了來自不同校 系和工作領域的夥伴們，特別是哲剛、孟修、智閔、勻慈，激發了我對資料處理 的興趣，且提供許多相關書籍。另外，也多虧了他們的陪伴，使學習的過程多元 有趣。此外，在地球號模型船的製作過程中，也讓我對文獻上的海洋研究器材有 進一步的認識。. 感謝家人對我的支持。感謝我的母親，在我十六年渾渾噩噩的學習之後， 多提供了二年讓我專心尋找目標與夢想。. 在我成長與學習的過程中，要感謝的人非常多，套用陳之藩教授的名言：無 論什麼事情，得之於人者太多，出之於己者太少，因為要感謝的人太多了，不如 謝天吧！. iv.
(6) 摘要 層序地層學理論認為在海相的碎屑岩地層中，沉積物粒度變化主要受控於全 球海水面升降變遷；而珈瑪井測紀錄是推估沉積物顆粒大小排列變化時，常用的 一種工具。依照上述性質，全球海水面升降變遷將主導珈瑪井測紀錄的數值變化。 本研究選用二筆被廣泛使用的全球海水面變遷曲線作為標準，對比來自三個不同 海洋沉積環境的珈瑪井測紀錄。研究證實只要慎選研究地點，層序地層學理論應 該都能適用。 決定地層的年代是地質學研究與地質資源探勘的重要課題，地質資料對比是 其中一個常用的方法；由於海水面升降變化是全球一致的，全球海水面升降變遷 可以作為全球地層對比的標準；更進一步，透過井測資料對比全球海水面變遷可 以有效率地評估出地層的沉積年代。 面對兩筆取樣的時間或空間差異大的資料時，可以透過濾波降低對比的難度。 本研究採取經驗模組拆解法，藉著信號拆解與重構，可以將井測資料與海水面變 遷曲線中，具有已知地質意義或波型適合對比的分量獨立出來討論；此外，透過 信號拆解與重構，能讓人工直覺對比，工作速率加快且結果較為客觀。由井測資 料對比全球海水面變遷曲線的成果，基本上可以發現：在大陸邊緣具有穩定沉積 速率的地層中，大多數探測井的珈瑪射線紀錄，皆可能反應大尺度的海水面升降 週期變化。此外，即便理論基礎或牽涉到的變因都不是很清楚，此技術可以快速 且有效率地評估地層的沉積年代；就經濟效益觀點而言，應該可以廣泛地運用到 全球的探勘工作上。. 關鍵字：層序地層學、井測資料、對比、經驗模組拆解、數位信號處理、 珈瑪井測資料、全球海水面變遷. v.
(7) Abstract Sequence stratigraphic theory attributes the changes of sediment stacking patterns mainly to the global sea-level fluctuation. The gamma ray logs normally can reflect the shale content of the formation. Combine these two statements, the value of gamma ray logs may reflect the global sea-level changes. Global sea-level changes could have been used as the standard for establishing a stratigraphic correlation technique. The correlation between sea-level change curves and gamma ray logs may be an efficient and economically feasible method for obtaining chronological age of the sedimentary strata. In this study, we chose two global sea-level change curves and three gamma ray logs from three wells located at different oceanic environments. To improve the efficiency of the correlating process and the accuracy of the result, we use digital signal processing methods. For choosing suitable component of the data for correlation, we decompose and reconstruct the signals by empirical mode decomposition which is an adaptive filter. It is possible to prove that the pattern of gamma ray logs in ideal sedimentary environments is similar to the pattern of global sea-level curves. Therefore, global sea-level change curves can be used as a universal standard for the correlation of gamma ray logs. The correlation between global sea-level change curves and gamma ray logs can be develop as an efficient practice for deciphering the age of the strata and applying to resource exploration.. Keywords: Correlation, well logs, correlation, empirical mode decomposition, digital signal processing, gamma ray logs, and global sea-level change.. vi.
(8) 目錄 國 立 臺 灣 師 範 大 學 學 位 論 文 授 權 書................................................. i 碩士論文通過簽名表....................................................................................................ii 致謝.............................................................................................................................. iii 摘要................................................................................................................................ v Abstract ......................................................................................................................... vi 目錄..............................................................................................................................vii 圖目錄............................................................................................................................ x 表目錄........................................................................................................................ xiii 第一章 緒論................................................................................................................ 1 1.1. 研究動機與目的........................................................................................... 1. 1.2. 實驗方法....................................................................................................... 2. 1.3. 文獻回顧....................................................................................................... 3 1.3.1. 海水面升降變遷................................................................................ 3. 1.3.2. 海水面變遷對地層生成的影響........................................................ 5. 1.3.3. 地層循環與地球運行........................................................................ 9. 1.3.4. 地球物理井測.................................................................................. 10. 1.3.5. 珈瑪射線井測和珈瑪能譜井測...................................................... 13. 第二章 研究材料與研究方法.................................................................................... 15 2.1. 2.2. 研究材料..................................................................................................... 16 2.1.1. 井測資料.......................................................................................... 16. 2.1.2. 海水面變遷曲線.............................................................................. 18. 研究方法..................................................................................................... 18 2.2.1. 地層對比與井測資料對比.............................................................. 18. 2.2.2. 數位信號處理.................................................................................. 20 vii.
(9) 2.4. 2.2.3. 傅立葉轉換...................................................................................... 22. 2.2.4. 短時距傅立葉轉換.......................................................................... 22. 2.2.5. 經驗模組拆解法.............................................................................. 23. 實驗設計................................................................................................... 25 2.4.1. 理論基礎與實驗假設...................................................................... 25. 2.4.2. 實驗方法.......................................................................................... 27. 第三章 研究結果........................................................................................................ 29 3.1. 海水面變遷曲線的性質............................................................................. 29 3.1.1. SL05 的性質 .................................................................................... 29. 5.1.2. SL11 的性質 .................................................................................... 30. 3.2 井測資料的經驗模組拆解........................................................................... 44 3.2.1. ODP 1143A ...................................................................................... 44. 3.2.2. ODP 997B ........................................................................................ 44. 3.2.3. 測井 C .............................................................................................. 50. 3.3 井測資料對比海水面變遷曲線................................................................... 50 3.3.1. ODP1143A 對比海水面變遷曲線 .................................................. 50. 5.3.2. ODP997B 對比 SL05 ...................................................................... 60. 5.3.3. 測井 C 對比 SL05 ........................................................................... 64. 第四章 討論.............................................................................................................. 66 4.1. 全球海水面升降變化與氣候變遷的關聯性............................................. 66. 4.2. 全球海水面升降變遷與珈瑪射線井測數值的變化................................. 66. 4.3. 信號拆解與重構對於地質資料對比的影響............................................. 67. 4.4. 井測資料對比全球海水面變遷曲線法應用在初步鑑定地層年代的優勢. .............................................................................................................................. 68 4.5. 井測資料對比全球海水面變遷曲線的限制............................................. 68. 4.6. 建議的對比流程......................................................................................... 70 viii.
(10) 4.7. 未來值得進一步探討的項目..................................................................... 72. 第五章 結論.............................................................................................................. 74 參考文獻...................................................................................................................... 76 附錄一 使用 MATLAB 繪製頻譜 ........................................................................... 80 附錄二 使用 MATLAB 繪製時頻圖 ....................................................................... 82 附錄三 使用 MATLAB 進行經驗模組拆解 .......................................................... 83. ix.
(11) 圖目錄 圖 1.1. 全球海水面與相對海水面.............................................................................. 3. 圖 1.2. 影響海水面升降的因素.................................................................................. 6. 圖 1.3. 古海水面變遷曲線.......................................................................................... 6. 圖 1.4. 比較反剝法算得的古海水面資料和 EPR 的古海水面資料 ........................ 7. 圖 1.5. 納積空間受控於全球海水面變遷及沉降作用.............................................. 7. 圖 1.6. 相對海水面、全球海水面和沉降之間的關聯.............................................. 8. 圖 1.7. 全球海水面變遷與 coastal onlap.................................................................... 8. 圖 1.8. 地球物理井測示意圖.................................................................................... 10. 圖 1.9. 鈾、釷、鉀同位素衰變時所釋出的珈瑪射線強度不同............................ 14. 圖 2.1. 本研究的架構................................................................................................ 15. 圖 2.2. 測井位置........................................................................................................ 17. 圖 2.3. 全球海水面變遷曲線.................................................................................... 17. 圖 2.4. (A) 匹配 (B) 對比. 圖 2.5. 類比信號的數位處理技術............................................................................ 21. 圖 2.6. 理論基礎一.................................................................................................... 26. 圖 2.7. 理論基礎二.................................................................................................... 26. 圖 2.8. 實驗方法........................................................................................................ 28. 圖 3.1. SL05 的頻譜 .................................................................................................. 29. 圖 3.2. SL05 的經驗模組拆解成果 .......................................................................... 31. 圖 3.3. 透過減去分量使 SL05 曲線平滑化 ............................................................. 32. 圖 3.4. SL05 的時頻圖. 視窗 64 重疊 60 .............................................................. 33. 圖 3.5. SL05 的時頻圖. 視窗 128 重疊 120 .......................................................... 33. 圖 3.6. SL05 的 IMF 1 ............................................................................................... 34. 圖 3.7. SL05 的 IMF 2 ............................................................................................... 34. ................................................................................... 19. x.
(12) 圖 3.8. SL05 的 IMF 3 ............................................................................................... 35. 圖 3.9. SL05 的 IMF 4 ............................................................................................... 35. 圖 3.10. SL05 的 IMF 5 ............................................................................................. 36. 圖 3.11. SL05 的 IMF 6 ............................................................................................. 36. 圖 3.12. SL05 的 IMF 7 ............................................................................................. 37. 圖 3.13. SL05 的 IMF 8 ............................................................................................. 37. 圖 3.14. SL05 的 IMF 2 對照地球自轉軸傾斜度變遷 ............................................ 38. 圖 3.15. SL05 的 IMF3 對照地球繞日軌道橢圓度變遷 ......................................... 39. 圖 3.16. SL11 中 0 至 600 ka 的分量 ....................................................................... 40. 圖 3.17. SL11 中 600 至 1500 ka 的分量 ................................................................. 41. 圖 3.18. SL11 中 1.5 至 3 Ma 的分量 ....................................................................... 42. 圖 3.19. SL11 中 3 至 9 Ma 的分量 .......................................................................... 43. 圖 3.20. ODP 1143A 的標準珈瑪能譜井測資料 ..................................................... 44. 圖 3.21. ODP 1143A 的 HSGR 從 0 到 83.3628 公尺的分量 ................................ 45. 圖 3.22. ODP 1143A 的 HSGR 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 ................... 45. 圖 3.23. ODP 1143A 的 HCGR 從 0 到 83.3628 公尺的分量 ................................. 46. 圖 3.24. ODP 1143A 的 HCGR 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 .................... 46. 圖 3.25. ODP 1143A 的 HTHO 從 0 到 83.3628 公尺的分量 ................................ 47. 圖 3.26. ODP 1143A 的 HTHO 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 .................... 47. 圖 3.27. ODP 997B 的 SGR ...................................................................................... 48. 圖 3.28. ODP 997B 的 SGR 分量 ............................................................................. 48. 圖 3.29. ODP 997B 的 CGR 分量 ............................................................................. 49. 圖 3.30. ODP 997B 的 THOR 分量 .......................................................................... 49. 圖 3.31. 測井 C 珈瑪井測值 ..................................................................................... 50. 圖 3.32. 測井 C 的分量 ............................................................................................ 51. 圖 3.33. ODP1143. 的年代模式 .............................................................................. 52 xi.
(13) 圖 3.34. ODP1143A 的年代模式一 .......................................................................... 52. 圖 3.35. ODP1143A 的 HSGR 對比 SL05 ............................................................... 53. 圖 3.36. ODP1143A 的 HCGR 對比 SL05 .............................................................. 54. 圖 3.37. ODP1143A 的 HTHO 對比 SL05 .............................................................. 54. 圖 3.38. 對比 ODP1143A 的 HSGR、HCGR、 HTHO 和 SL05 ......................... 55. 圖 3.39. 對比 SL05、SL11、ODP1143A 的 HCGR ............................................... 56. 圖 5.40. ODP1143A 去除 IMF1 和餘值後與 SL05 對比 ..................................... 57. 圖 3.41. ODP1143A 年代模式二 .............................................................................. 57. 圖 3.42. ODP1143A 對比 SL05 ................................................................................ 58. 圖 3.43. ODP1143A 的 IMF1+2 對比 SL05 的 IMF2+3 ........................................ 58. 圖 3.44. ODP1143A 對比 SL05 ................................................................................ 59. 圖 3.45. ODP1143A 與 SL05 對比 (減去餘值) ..................................................... 59. 圖 3.46. ODP1143A 與 SL05 對比 (減去餘值、IMF1、IMF2) .......................... 60. 圖 3.47. ODP997B 的年代模式 ................................................................................ 61. 圖 3.48. ODP997B 對比 SL05 .................................................................................. 61. 圖 3.49. ODP997B 對比 SL11 ................................................................................. 62. 圖 3.50. ODP997B(扣除餘值與 IMF1) 對比 SL05 ................................................ 62. 圖 3.51. ODP997B (濾波後) 對比 SL05.................................................................. 63. 圖 3.52. ODP997B (濾波後) 對比 SL05 ( IMF2+IMF3+IMF4 ) ............................ 63. 圖 3.53. 測井 C 對比 SL05 ...................................................................................... 64. 圖 3.54. 測井 C(扣除餘值、IMF1 和 IMF2)對比 SL05 ........................................ 65. 圖 3.55. 測井 C(扣除餘值、IMF1、IMF2 和 IMF3)對比 SL05 ........................... 65. 圖 4.1 對比流程.......................................................................................................... 71. xii.
(14) 表目錄 表 1.1. 研究古海水面變遷的方法.............................................................................. 4. 表 1.2. 地球物理井測的用途.................................................................................... 11. 表 1.3. 地球物理測井的種類.................................................................................... 12. 表 1.4. 珈瑪射線井測的應用.................................................................................... 12. 表 1.5. 地球物理測井的種類.................................................................................... 13. 表 2.1. 研究測井........................................................................................................ 16. 表 2.2. 直接對比、間接對比和匹配的不同之處.................................................... 20. xiii.
(15) 第一章 緒論 1.1. 研究動機與目的 鑑定地層的年代是地質學研究的重要課題，常用的鑑定方法有化石定年. (Biochronology)、放射性同位素定年(Radiochronology)、對比法(Chronocorrelation) 等(Boggs, 1995)。 由於地層沉積的連續性、定年材料取得及定年方法本質上的 限制，對比(correlation)成為了建構年代模式非常重要的工作。. 鑽井是地質研究與探勘資源必要的手段，而地球物理井測(well logging)能夠 較連續地直接量取井下岩層的物理性質；相對的，透過研究露頭、分析岩芯、震 波探勘……等方法研究地下的地質架構，井測資料取得沒有地域限制、資料處理 快速而且獲取成本也較為低廉。珈瑪井測紀錄(gamma ray logs)主要在反應沉積物 排列顆粒大小，由於在任何型式的套管及測量環境皆可收集，是重要的地質紀錄 (Fleming, 1994; Bleuer, 2004)。層序地層學理論認為海水面升降變遷是影響沉積 作用的主要要素，因此，珈瑪井測資料理論上應當可以在特定的空間尺度上反映 古海水面升降變遷。. 整合層序地層學理論與地質資料對比方法，本研究有二個主要目的： 一、探討將全球海水面升降變遷，作為全球地層對比標準的可行性。 二、透過數位信號處理，提升地質資料對比工作的效率。 企圖藉由本研究的成果，可以建立出一套較為簡易且快速的全球地層對比方法， 期望能應用在地層學研究及地質資源探勘，以造福人群。. 1.
(16) 1.2. 實驗方法 本研究著重於探討層序地層學理論中「沉積物粒度變化主要受控於全球海水. 面升降變遷」 ，在碎屑性海洋沉積地層中的適用程度。為此，本研究選擇了二條 當今廣泛被使用的全球海水面升降曲線作為對比的標準，來對比三筆具有代表性 的井測珈瑪紀錄(gamma ray log)。 透過數位信號拆解與重構方法，來降低資料對比的困難程度、加快對比速度 和繪製簡單明瞭的對比成果圖。簡單明瞭的曲線圖，可以減少因人員素質與其情 緒的干擾，提昇人工直覺地資料對比的效率與精確度；除此之外，也為建立自動 化、科學化、趨近理想的地質資料對比方法，來尋找靈感。 本研究的實驗架構如下： 一、使用數位信號分析方法，來檢驗全球海水面升降曲線的頻域性質。 二、將海水面變遷曲線和井測資料，進行經驗模組拆解，以篩選出具地質意義且 適合對比的成分曲線。 三、將井測珈瑪資料對比海水面升降曲線，藉此檢驗「將全球海水面升降變遷， 當作是全球地層對比標準」的構想。 四、繪製簡單明瞭的對比成果圖。. 由於研究材料都是等間距採樣的數值資料，因此，本實驗採用數位信號處理 方法來分析它們的週期性，並透過濾波來獲得相同時間尺度或空間尺度變化的信 號，同時利用地質資料對比的概念進行「古海水面升降變遷曲線—井測資料對比」 。 然而在沉積過程中，可能會沉積間斷，且沉積速率不可能固定；所以，我們只能 挑選沉積速率穩定且沉積過程中比較沒有間斷、遠離河道且沒有不整合的井測資 料來進行研究分析。又由於影響井測資料的因素非常多，加上沉積速率會隨時間 變化，本研究擬採用較為直覺的對比方式(visual comparison)，認為沒有計算相關 係數(correlation coefficient)的必要。. 2.
(17) 1.3 1.3.1. 文獻回顧 海水面升降變遷 海水面升降變遷研究可分成全球海水面升降變遷(global sea-level change 或. eustasy)及相對海水面升降變遷(relative sea-level change)。全球海水面指的是相對 於固定一個基準面的海水面位置，因此全球海水面位置不會受到區域性的地質事 件影響。相對海水面變遷是地質剖面上的海水面的位置(圖 1.1） ，因此相對海水 面位置受區域性的地質作用影響，例如區域性的地殼隆起、沉陷、來自四方的沉 積物供應量增減…等區域性因素都會造成相對海水面的升降變遷 (Posamentier et al., 1988)。. 圖 1.1. 全球海水面與相對海水面 (摘自 Posamentier et al., 1988). 影響全球海水面變遷的因素分成兩大類：第一類是改變海洋中水量多寡的要 素，其中大陸冰河的影響最大，它的消長能造成快速且大幅度的海水面升降；第 二類是影響海洋盆地的形狀及大小，包含海洋地殼生成、沉積作用的強弱、板塊 聚合等因素 (Miller et al., 2011; 圖 1.2)。 3.
(18) Kendal 和 Lerche (1988) 整理出可以用來研究古全球海水面升降變遷的媒介 有五種(表 1.1)： 一、大陸邊緣的海岸上超(coastal onlap)。 二、海洋沉積物：包含沉積相循環的厚度、沉積物對於古海岸線指標的距離與高 程差距。 三、海床沉降(subsidence)：包含熱構造作用(thermo-tectonic)及地層堆疊(stacked crustal)所導致的沉降擾動。 四、海底沉積物中的氧同位素資料。 五、數值模擬：利用構造運動(tectonic movement)、沉積物累積(sediment accumulation)、全球海水面變遷(eustatic change)的數值資料可以模擬地層的 演化，再將模擬資料與觀測資料比較研究。. 表 1.1. 研究古海水面變遷的方法 (摘自 Kendal & Lerche, 1988). 4.
(19) 地質學家們利用不同媒介來建構全球海水面變遷曲線(圖 1.3)，其中最被廣 為引用的是 EPR (Exxon Production Research Company)所建構的曲線。Vail 等人 (1977a) 透過震波探勘研究海洋沉積地層的堆疊與不整合，發展出震測地層學 (seismic stratigraphy)和層序地層學(sequence stratigraphy)理論，認為研究地層剖面 的幾何形狀可以重建古海水面變遷歷史。Haq 等人(1987)則使用層序地層學方法， 建構了三疊紀以來的全球海水面變遷曲線，至今仍廣被地質學家們所採用。 Miller 等人(2005 和 2011)使用二種方法來建構古海水面變遷曲線。其中近 九百萬年以來的全球海水面變遷是由氧同位素經計算得到，他們認為氧同位素數 值資料反映了大陸冰河的消長及海溫的變化，想同位素數值經特定比例的換算後 即可重建全球海水面變遷。Miller 等人(2005)利用層序地層學方法研究紐澤西海 岸的鑽探資料，經反剝法(back-stripping)的校正之後得到了一億年前到七百萬年 前的古海水面變遷。比較幾個目前常被使用的海水面變遷曲線(圖 1.4)，Miller 等人(2005)主張自己的曲線進行過構造沉陷影響的校正，及考量到地球歷史上幾 次冷事件對區域的影響，因而較其他團隊的曲線更能反映全球性的變化；而 EPR 所算出的曲線振幅則為用反剝法算出的曲線的 2 倍以上。. 1.3.2. 海水面變遷對地層生成的影響 Jervey(1988)定義可以用來堆積沉積物的空間稱為納積空間(圖 1.5)；. Posamentier 等人(1988)指出影響地層堆疊形狀的要素是納積空間(accommodation) 的大小和納積空間的變化率，而相對海水面升降的變化率大致與納積空間的變化 率相同，相對海水面升降比全球海水面更為直接影響地層堆疊。相對海水面可視 作全球海面與構造沉陷(subsidence) 的結合(圖 1.6)，因此只要充分了解沉積物供 應、全球海水面變遷及構造沉陷，即可模擬地層的堆疊 (圖 1.7)。對於相同一個 位置來說，由於搬運力受海水面升降影響，海水面上升過程中，搬運力逐漸變弱， 沉積物會越堆越細；反之，海水面下降時沉積物會越堆越粗。. 5.
(20) 圖 1.2. 影響海水面升降的因素 (摘自 Miller et al., 2011). 圖 1.3. 古海水面變遷曲線 (摘自 Miller et al., 2005). 6.
(21) 圖 1.4. 比較反剝法算得的古海水面資料和 EPR 的古海水面資料 (摘自 Miller et al., 2011). 圖 1.5. 納積空間受控於全球海水面變遷及沉降作用 (摘自 Posamentier et al., 1988) 7.
(22) 圖 1.6. 相對海水面、全球海水面和沉降之間的關聯 (摘自 Posamentier et al., 1988). 圖 1.7. 全球海水面變遷與 coastal onlap (摘自 Posamentier et al., 1988) 8.
(23) 1.3.3. 地層循環與地球運行 地層循環(stratigraphic cycle)是層序地層學的核心理念之一，認為地球歷史中. 海水面呈現規律且不斷地升降變化。Vail 等人(1977b)將地層循環分成五個階層 (order)，其中第四階層為週期二十萬年至五十萬年的循環，第五階層是週期萬年 至二十萬年的循環。這些百萬年尺度以內的週期性變遷被認為與氣候變遷相關 (圖 1.2 )，可以用 Milankovitch (1941)的學說解釋。Milankovitch 學說認為，氣候 變遷與日光照射(insolation)有關。軌道離心率(orbital eccentricity)、地球自轉軸的 傾角(tilt)、地球自轉的進動變化(precession)，這三者都會造成太陽與地球間距離 和日光照射的角度的發生改變，是軌道作用力(orbital forcing)的三大要素；其中， 軌道離心率變化有大約 100 ka 的週期性，地球自轉軸傾角的變遷週期約 41 ka， 而進動有約 22 ka 的變化週期。 Hays 等人(1976)將過去五十萬年的氧同位素資料對比(correlate)軌道作用力， 證實 Milankovitch 學說適用在古氣候變遷研究，同時也讓 Milankovitch 學說開始 流行。 Keigwin (1998)發現井測珈瑪射線資料也有週期性的變化並推測與軌道作 用力有關；Raffi(2002)研究大洋鑽探計劃( Ocean Drilling Program，簡稱 ODP） 井位 1063A，他先利用化石定出特定深度的年代，再將珈瑪井測資料與氧同位素 資料對比，結果發現兩者的峰值大致對的起來，而且在特定深度區間井測珈瑪射 線有週期為四萬到十萬年的變化。Tian 等人(2008)將日光照射資料和掃描岩芯獲 得的自然珈瑪射線值(natural gamma radiation，簡稱 NGR ) 進行對比，並將得知 年代後的 NGR 資料進行傅立葉分析，結果發現 NGR 資料中可以看到顯著的四 十萬年、十萬年和四萬年週期。Laskar 等人(1993; 2004; 2011)近年來研究不同時 間尺度影響日光照射地球之要素的變化，並提供了相關的數值資料。. 9.
(24) 1.3.4. 地球物理井測 地球物理井測是將儀器放入測井中，連續地量測各深度的物理參數(圖 1.8)。. 由於各種岩石、礦物具有不同的物理性質，分析井測物理參數，將有助於我們了 解地質架構(表 1.2)。地球物理井測又稱作電測(electrical logging)，研究地球物理 井測方法及資料分析的學門就被稱作井中地球物理學( Ellis & Singer, 2007)。 地球物理井測可以量測的物理性質很多(表 1.3)，常見的有珈瑪射線、孔隙 率(porosity)、自發電位(spontaneous potential)及電阻率(resistivity)。. 圖 1.8. 地球物理井測示意圖 (摘自 Ellis & Singer, 2007 第 3 頁). 10.
(25) 表 1.2. 地球物理井測的用途(摘自 Ellis & Singer, 2007 第 14 頁). 11.
(26) 表 1.3. 地球物理測井的種類 (摘自 Rider, 2002 第 2 頁). 表 1.4. 珈瑪射線井測的應用 (摘自 Rider, 2002 第 68 頁). 12.
(27) 1.3.5. 珈瑪射線井測和珈瑪能譜井測 珈瑪射線井測(gamma ray logging) 是將儀器放如井中，以量取珈瑪射線的強. 度。地層中的珈瑪射線主要來自含鈾、釷、鉀的礦物，由於鈾、釷、鉀同位素衰 變時所釋出的珈瑪強度不同(圖 1.9)，因此量測時可以將它們的貢獻分開來呈現， 這樣的電測資料稱作珈瑪能譜井測資料(spectral gamma ray log)。珈瑪能譜井測中 量測到的總量稱作標準珈瑪射線(standard gamma ray，簡稱 SGR)或全珈瑪射線 (total gamma ray)，將總量扣除鈾的貢獻就稱為「計算珈瑪射線」(computed gamma ray，簡稱 CGR)。珈瑪射線井測和珈瑪能譜井測可以應用在岩石物理學、沉積學、 地層學……等各方面的研究上(表 1.4; 表 1.5 )。其中，鑑定地層偏砂質或泥質則 是常見的應用。由於泥中的黏土礦物較多，量測到的珈瑪射線數值通常較大；而 砂質沉積物中多為矽酸鹽類礦物，故珈瑪射線量測值通常較少。過去的科學研究 顯示，鈾不是鑑定頁岩的良好指標，評估地層是偏砂質或偏泥值的時候通常採用 CGR。然而鉀常存在於雲母( mica)、長石(feldspar)一類的碎屑礦物(detrital mineral) 中，評估頁岩量時也可以只用釷的珈瑪能譜井測分量(Rider, 2002)。. 表 1.5. 地球物理測井的種類 (摘自 Rider, 2002 第 68 頁). 13.
(28) 圖 1.9. 鈾、釷、鉀同位素衰變時所釋出的珈瑪射線強度不同 (摘自 Rider, 2002 第 69 頁). 14.
(29) 第二章 研究材料與研究方法 本研究結合層序地層學理論與地球物理井測方法 本研究結合層序地層學理論與地球物理井測方法，提出「珈瑪井測資料曲 珈瑪井測資料曲 線應與全球海水面變遷曲線的形狀相似 線應與全球海水面變遷曲線的形狀相似」之假說，設計實驗驗證之 設計實驗驗證之，並且提出一 套可行的對比流程(圖 2.1) .1)。本章分為三節，依序為研究材料、研究方法及實驗 研究方法及實驗 設計。. 圖 2.1. 本研究的架構. 15.
(30) 研究材料. 2.1. 井測資料. 2.1.1. 本研究選用來自三個位置的井測資料(表 2.1)。其中，ODP 1143A(後稱 A 井) 和 ODP 997B(後稱 B 井)來自 IODP 網站(http://brg.ldeo.columbia.edu/logdb/)，而 測井 C 由台灣中油公司提供，是本實驗室分析中尚未發表的資料。層序地層學 理論認為在碎屑岩的海相地層中，沉積物粒度主要隨全球海水面升降變化，故本 研究選用的測井皆位在碎屑岩的海相地層。為了檢驗井測數值變化在不同的海洋 沉積環境中的差異，選用的井測資料來自不同海域：A 井位在南海(South China Sea)，屬於邊緣海(marginal sea)沉積環境；B 井位在西北大西洋海域，屬於開擴 大洋(open ocean)環境；測井 C 位在澎湖南邊。其中 A 井和 B 井都位在大陸坡 (continental slope)，而測井 C 位於大陸棚(continental shelf )環境(圖 2.2)。. 表 2.1 測井名稱. 研究測井 測井 C. ODP 1143A. ODP 997B. 北緯 9.36. 北緯 31.84. 東經 113.29. 西經 75.47. 南沙群島. 布雷克海脊. 澎湖南邊. 南海. 西北大西洋. 臺灣南部海域. 邊緣海. 開闊大洋. 邊緣海. 大陸坡. 大陸坡. 大陸棚. 資料來源. IODP 網站. IODP 網站. 臺灣中油. 水深 (公尺). 2782. 2775.5. 40. 座 位. 標 置. 所屬海域 沉積環境. 16.
(31) 圖 2.2. 測井位置. （左上為 A 井，右上為 右上為 B 井，左下為測井 C，右下為三者間的分布關係 右下為三者間的分布關係）. 圖 2.3. 全球海水面變遷曲線 (摘自 Miller et al., 2005 與 Miller et al., 2011) 17.
(32) 海水面變遷曲線. 2.1.2. 本實驗選用的二條古全球海水面升降變遷曲線(圖 2.3)，包括 Miller 等人 2005 年發表的曲線(以下簡稱 SL05)和 Miller 等人在 2011 年發表的曲線(以下簡稱 SL11)。二者皆由氧同位素資料計算而來的資料點構成。 SL05 的採樣間距是每五千年一個點。其中 0 至 6.136 Ma 的海水面高度，係 由 ODP 846 的氧同位素資料計算取得，6.139 至 9 Ma 區段則取材自 ODP 982。 SL11 在 0 至 5.2 Ma 的海水面資料由 LR04 (Lisiecki and Raymo, 2005)算得， 而 5.25 至 9 Ma 取材自 ODP 982。SL11 的採樣間距不固定，0 至 600 ka 的部份 是 1 千年一筆資料；600 至 1500 ka 的部份是 2 千年一筆資料；1.5 至 3 Ma 的部 份是每 2.5 ka 一筆資料；3 至 9 Ma 的部份則是每 5 千年一筆資料。 SL05 和 SL11 是高解析度的海水面變遷曲線，它們最大的採樣間距為五千年 一點，適合應用在第三級或第四級尺度的層序對比，此外等間距的取樣將有利於 信號分析及濾波。. 2.2 2.2.1. 研究方法 地層對比與井測資料對比 地層學(stratigraphy)是研究地層的空間分布及生成時間的學科(Boggs, 1995)。. Nicolas Steno 提出堆疊(superposition)、原始水平(initial horizontality)、地層的連 續性(strata continuity)等地層學原理，加上 James Hutton 發表的截切關係 (cross-cutting relationships)使得地層學理論漸趨完備。地層學家將岩層的上下關 係排列起來，成為地質柱狀剖面 (geologic column)，進而整理各地區的岩層之堆 疊關係，建構出標準地質柱狀剖面 (standard geologic column)。 地層學家依照地層的岩石物理性質、地層內含的化石、沉積地質年代、…… 等指標來區分地層單位(stratigraphic unit)。Walther 發現「沉積相的演化，在垂直 方向和水平方向都是連續的；地層水平方向和垂直方向的沉積相演化，都反映了 地層隨時間而變遷」的現象，因而發展出沉積相對比定理(law of the correlation of 18.
(33) facies)或稱 Walther’s Law，地層學家利用此種對比水平方向及垂直方向的沉積相 變化，找到了地層變遷的軌跡，企圖還原地層整個的變遷歷程(Boggs, 1995)。 對比(correlation)是展示相同地層單位的方法(demonstration of equivalency of stratigraphic units) ，是經過地質解釋後的成果，相對的，如果只是將相似性 質的地層連在一起只能稱作匹配(matching; 圖 2.4)。依循地層單位劃分，常見的 三種對比法有岩性地層對比(lithocorrelation)、生物地層對比(biocorrelation)及時間 地層對比(chronocorrelation)。另外，按照對比材料的地質意義劃分，可分成直接 對比(direct correlation)與間接對比(indirect correlation)。通常，可靠的地層單位劃 分可以進行直接對比又稱為正規對比(formal correlation)；但是，有些時候因資料 蒐集困難，導致地層單位劃分不順利，就只好進行間接對比或稱非正規對比 (informal correlation)。常用的間接對比材料有井測資料(well logs)、地磁反轉紀錄 (polarity reversal records)、化石集合(fossil assemblage)、……等。直接對比、間接 對比和匹配操作時採用的概念有些不同，其中間接對比常是人工直覺地對比；但 若資料夠規律也可以進行系統化的數值分析(表 2.2) 。. 圖 2.4. (A) 匹配 (B) 對比 (摘自 Boggs, 1995；第 522 頁). 井測資料對比是產業界常用的地層研究方法之一。一般來說，鄰近地區地井 測數值曲線會相當類似，而距離越遠差異就越大。井測資料對比可以反映地底下 19.
(34) 沉積相的空間變化，因此井測資料對比常被用來重建沉積盆地的岩性地層架構。 本研究採用層序地層學的觀念，相信海水面變遷將會造成沉積相的變遷，因而進 行對比井測資料與海水面變遷曲線之研究分析。. 表 2.2. 2.2.2. 直接對比、間接對比和匹配的不同之處 (摘自 Boggs, 1995；第 523 頁). 數位信號處理 (本節參考 Mitra, 2001) 信號(signal)是由獨立變數所構成的函數，依據獨立變數的性質和函數值的. 不同可以定義出各種不同的信號。信號在特定一個獨立變數時的數值稱為振幅 (amplitude)，而振幅的變化稱為波型(waveform)。獨立變數可以是連續的 (continuous)或離散的(discrete)。一個具有連續振幅值的連續時間信號稱為類比信 號(analog signal)；一個以有限位元(bit)來表示其離散振幅的離散時間信號稱為數 位信號(digital signal)；其中具有連續振幅值的離散時間信號則稱作資料取樣信號 (sampled-data signal)。. 信號處理的方法有很多種，類比信號多在時域(time-domain)進行信號處理， 而離散時間信號會在時域和頻域(frequency-domain)進行運算。基本的時域信號運 20.
(35) 算方法有比例縮放(scaling) (scaling)、延遲(delay)和相加(addition)三種。濾波 濾波(filtering) 是 根據給予的規格，讓信號中某些頻率 讓信號中某些頻率成分不失真地通過濾波器，同時 同時將其他頻率 成分予以濾除。通過濾波器的頻率範圍稱為通帶 通過濾波器的頻率範圍稱為通帶(passband)，而無法通過濾波器 而無法通過濾波器 的頻率範圍為阻帶(stopband) (stopband)。工程師將根據不同的處理目的，來設計適宜的濾 來設計適宜的濾 波器，以利其運算，進而獲取客觀適用的資訊 進而獲取客觀適用的資訊。 數位信號處理技術的縁起，可追溯到 17 世紀，當時已有人使用有限差分法、 當時已有人使用有限差分法 數值積分法和數值內差法來解決含有連續變數運算的物理問題 到了 20 世紀， 數值積分法和數值內差法來解決含有連續變數運算的物理問題。到了 隨著數位計算機的出現和類比信號處理方法的快速發展，數位信號處理成為獨立 的研究領域。類比信號的類比直接處理概念上較數位信號處 類比信號的類比直接處理概念上較數位信號處理簡單 理簡單，但對計算機 來說，數位電路對元件的容忍度較不敏感 數位電路對元件的容忍度較不敏感，且能夠透過分時技術讓數個信號共享 且能夠透過分時技術讓數個信號共享 同一個處理器，這是它的優勢 這是它的優勢。然而，數位信號處理方法仍有一些缺點 數位信號處理方法仍有一些缺點，如： 一、類比信號的數位處理需要額外的前處理和後處理 類比信號的數位處理需要額外的前處理和後處理。 二、可處理的頻率範圍有限 可處理的頻率範圍有限。 三、演算法的精確度與適用性是受限制的 演算法的精確度與適用性是受限制的。 四、然而在應用上，數位信號處理的速率快速 數位信號處理的速率快速，其優點遠多於缺點且所需的硬體 優點遠多於缺點且所需的硬體 成本較低，因而運用範圍頗為廣泛 因而運用範圍頗為廣泛。 現實世界所遇到的信號多是連續時間信號 為了利於數位時間系統的處理 現實世界所遇到的信號多是連續時間信號，為了利於數位時間系統的處理 必須將連續信號轉換成對應的數位形式 必須將連續信號轉換成對應的數位形式。類比信號的數位處理，基本上包含 基本上包含了三 個步驟：類比信號至數位形式的轉換 類比信號至數位形式的轉換、數位化後的處理和處理過後數位信號返回 數位化後的處理和處理過後數位信號返回 類比形式的轉換。(圖 2.5). 圖 2.5. 類比信號的數位處理技術 (修改自 Mitra, 2001；第 第 37 頁). 21.
(36) 2.2.3. 傅立葉轉換(本節參考 Mitra, 2001) 傅立葉轉換(Fourier transform)是法國人傅立葉(Joseph Fourier)於 19 世紀初. 所提出的一種線性積分轉換，目前廣泛被應用在信號分析。包括連續時間傅立葉 轉換(continuous-time Fourier transform, CTFT)及離散傅立葉轉換(discrete Fourier transform, DFT)。 連續時間信號 xa(t)的頻域表示法，稱為連續時間傅立葉轉換： X jΩ =. x t e. dt. 資料經 CTFT 計算得到傅立葉頻譜(Fourier spectrum)或稱連續時間信號頻譜。連 續時間信號頻譜可以透過反傅立葉轉換(inverse Fourier transform)還原成時間域 的表示法，列式為： x t =. 1 2π. X jΩ e. dΩ. 由於傅立葉轉換所算出的值常為複數，繪製頻譜時常取其絕對值|Xa(jΩ)|，稱之 為頻譜(magnitude spectrum)。 離散時間的資料係使用離散時間傅立葉轉換(discrete-time Fourier transform,. ω DTFT)。序列 x[n]的離散時間傅立葉轉換 X(ej )定義如下： X e. =. x[n]e. 本研究使用商業軟體 MATLAB 的 fft (快速傅立葉轉換)指令進行信號分析， fft 是一種 DFT 的快速演算法；操作方法參照附錄一。. 2.2.4. 短時距傅立葉轉換 (本節參考 Mallat, 2009) 傅立葉轉換用來分析資料中有哪些頻率成份，卻沒有提供時間資訊，因而. 發展出短時傅立葉轉換一類的時頻分析方法。時頻分析方法提供了時間與空間兩 種資訊，將更有助於進行分析頻率會隨著時間改變的信號(例如：地震波、語音 信號、音樂信號等)分析。 22.
(37) 短時距傅立葉分析的定義如下： ∞. X ( t , f ) = ∫ w ( t − τ ) x (τ ) e − j 2π f τ dτ −∞. 其中 w(t) 為 mask function，通常必須具備(a) even: w(0), w(t1) ≥ w(t2) if |t2| > |t1| ; (c) w(t) ≈ 0. w(t) = w(−t);. (b) max(w(t)) =. when |t| is large 三個條件。. 本研究使用 MATLAB 軟體的 spectrogram 指令來進行時頻分析；操作方法 參照附錄二。. 2.2.5. 經驗模組拆解法 經驗模組拆解(Empirical mode decomposition， 簡稱 EMD ) 係由 Huang 等人. (1998)提出，適用於處理非線性(nonlinear)、非穩態(non-stationary)的信號。EMD 的演算法，假設信號是由局部的震盪(local oscillations)構成，任何信號經由 EMD 可以分解成數個單一的基本成分波(mono-components)及餘值(residue)。演算法的 設計者將那些基本成分波稱作本質模組函數(intrinsic mode functions，簡稱 IMF)。 任何資料只要滿足下述二個條件就被稱作 IMF： 在整組數據中極值(extrema)和過零點(zero-crossing)數目必須相同或最多只能差 一個點。 由局部極大值(local maxima)和局部極小值(local minima)所定義出的二條包絡線 (envelope) 須對稱於 0。 不同於傅立葉分析採用單頻率(mono-frequency)且穩定和諧函數(stationary harmonic function)作為基底，IMFs 的振幅和頻率會依信號的本質隨時間作改變 (time-variable)。每個 IMF 代表原始資料本質上的震盪磨模態(physically significant oscillation mode) ，而餘值可以是平均趨勢(mean trend)或常數(constant)。 (Huang et al., 1998; Jeng et al., 2007; Chen and Jeng, 2013) 23.
(38) EMD 的目的是將信號分解成 IMFs 及餘值，分解的過程稱作數據篩選 (sifting)。以下為 EMD 的步驟： 首先，使用 cubic spline 算出待分解資料的上包絡線及下包絡線，接著計算 出二包絡線的平均 m1，然後將資料剪去 m1 得到第一個分量 h1，這就是篩選的過 程。通常 h1 不會符合 IMF 的條件，持續篩選 k 次直到獲得 h1k 屬於 IMF。篩選 過程的停止時機是科西收斂(Cauchy type of convergence)，其檢驗方法是計算連續 兩個篩選結果的標準差(standard deviation, SD)。對於一組有 T+1 點的數據來說， 經過 k 次篩選後，可以得到資料和包絡線平均值的差 dk；接著並計算 SDk，經驗 上 SDk 的數值介於 0.2 到 0.3 即可停止篩選(Huang et al., 1998)。 ∑&'(|d # t − d t |% SD = ∑&'( d% # t 當 h1k 滿足 IMF 條件時記作 C1，C1 為該資料拆解出的第一個 IMF。原始資 料減去 C1 得到餘值 r1。將 r1 視作新的資料使用相同的篩選方法拆解，對於拆解 獲得的 r2、r3、r4……也進行拆解，重複進行拆解後，可以將原始資料拆解成數 個 IMFs 和一個餘值。可以列式為： y t =. #. C +r. 其中 Cj，j = 1,…,n 是不同頻帶的 IMF 組成；rn 是最終的餘值，沒有辦法將 rn 拆出 IMF。 EMD 拆解過程中可能會將不同頻帶的信號拆到一個 IMF 中或將同一頻帶 的信號拆到數個 IMFs，這樣的現象叫作模組混雜(mode mixing)。為了解決模組 混雜和邊界效應(end effect)問題，Wu 和 Huang(2005)開發出均和式經驗模組拆解 法(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)。EEMD 法在篩選過程中透過 添加白色雜波(white noise)來避免模組混雜現象，為了避免加入的雜波影響我們 對地質資料的判讀，本實驗選擇採用 EMD 法。. 24.
(39) 本研究採用 EMD 作為的濾波工具的原因是它屬於適應性濾波器，演算法 會自動將各頻帶的的信號分開。如果採用其他的線性或非線性濾波器應該也能達 到同樣的效果。因為各井位的沉積速率皆不同，在分析每筆井測資料的時候都必 須重新決定頻帶，採用 EMD 法進行信號拆解較為方便。 本研究採用國立中央大學數據分析方法研究中心網站所提供 HHT MATLAB Program Package (http://rcada.ncu.edu.tw/Matlab%20runcode.zip)中的 eemd.m 指令擋來進行經驗模組拆解；操作方法參照附錄三。. 2.4. 實驗設計. 2.4.1. 理論基礎與實驗假設 層序地層學理論認為，全球海水面升降變遷會造成沉積相的改變。在海水面. 降低的過程中，河口往海的方向移動，粗顆粒沉積物往海洋方向堆積，對同一位 置來說，上方的沉積物會變粗；反之，海水面上升的過程中，粗顆粒的沉積物會 隨著河口後退而無法向前堆積，對同一口井來說沉積物顆粒會變細。此一現象， 應當會被記錄在碎屑性沉積地層裡。 由於珈瑪井測資料是沉積物粒度變化的指標，從珈瑪井測資料中可以觀察到 沉積過程及環境。珈瑪射線數值高的時候，代表地層中沉積物顆粒細；反之，測 值低的時候為粗顆粒的沉積地層。從層序地層學的理論來看，一套完整的沉積序 列夾於兩層序邊界。海水面變化是由低水位，海進一直到高水位，反映在碎屑沉 積物上，在低水位體系域時沉積物以前積為主，沉積物顆粒逐漸加粗；當海進面 開始進入到海進體系域時，海水面快速上升，對應到珈瑪井測資料振幅漸小且值 漸偏高，表示顆粒大小排列為向上漸細；一直到最大海泛面進入到高水位體系， 此時海水面慢速下降，而沉積物由陸源被帶出，顆粒較大，反映出來的珈瑪井測 紀錄向上振幅漸大、值偏小，表示顆粒大小排列為向上漸粗(Boggs, 1995)。 25.
(40) 簡而言之，隨著全球海水面上升 隨著全球海水面上升，沉積物顆粒的粒徑會變小 沉積物顆粒的粒徑會變小，反映在珈瑪 井測資料上應當是數值變高 井測資料上應當是數值變高；全球海水面下降時，珈瑪井測資料數值應當變小 資料數值應當變小(圖 2.6 和圖 2.7)。. 全球海 水面升 降變化. 珈瑪井 測資料. 沉積相 變化. 沉積物 粒度. 圖 2.6. 圖 2.7. 理論基礎一. 理論基礎二. 26.
(41) 2.4.2. 實驗方法. 一、分析研究材料的頻域性質與時頻特性 透過繪製頻譜和時頻圖，來了解海水面變遷曲線包含的頻率成分與頻率成分 隨時間的變遷；實驗成果可以用來檢驗全球海水面變遷與氣候變遷的關聯性 (Milankovitch 理論)；也可以由全球海水面變遷的的時頻性質，推測在特定時間 區間與時間尺度下，影響海水面的主要因素，並且提出未被合理解釋的海水面變 遷循環特性，作為未來研究的探討題材。 分析井測資料的頻域性質與時頻特性，其成果可以作為信號拆解與重構時的 參考。對於使用線性濾波器進行信號拆解時，此步驟為濾波器設計濾波器的主要 依據，非常重要；不過本研究採用的經驗模組拆解法屬於適應性濾波器(Huang et al, 1998)，濾波前的波數性質並不是非常重要，因為如果沒有定出地層年代或沉 積速率，沉積物粒度隨深度的變化是沒有地質意義的。. 二、信號拆解與重構 (即濾波) 進行經驗模組拆解，將井測資料及海水面變遷曲線中各頻帶的成分曲線區分 出來，並依照期望對比的時間與空間尺度，重構研究材料。. 三、將海水面變遷曲線直接和井測資料對比 目的是要證實「全球海水面變遷曲線可以作為全球珈瑪井測資料的對比標 準」 。此外，也希望能從多筆資料對比過程中，規畫出一個有效率的對比流程。 由於地層生成的過程中，沉積作用可能會間斷，且沉積速率不可能固定；我 們挑選沉積速率穩定且沉積過程中比較沒有間斷、遠離河道且沒有不整合的井測 資料，並且挑選已有可靠年代模式的區段進行研究分析。因為影響井測資料的因 素非常多，加上沉積速率會隨時間變化，本實驗採用人工直覺的對比方式。. 27.
(42) 本實驗主要包含上述三個部分(圖 2.8)，三個部分並非三個步驟，而是三個 相互關聯的工作。分析研究材料的特性和濾波是為了有好的對比成果，因此對於 研究材料的成分曲線之時頻性質，也應當充分了解；對比工作完成之後，也應該 要分析最終對比材料(原始或重構後的研究材料)的頻域與時頻特性，以推測是哪 些營力，在特定地質年代對海水面變遷與地層生成有顯著的影響。. 分析研究 材料的頻 域與時頻 特性. 信號拆解 與重構 井測資料對比 全球海水面變遷 曲線. 圖 2.8. 實驗方法. 28.
(43) 第三章 研究結果 3.1 3.1.1. 海水面變遷曲線的性質 SL05 的性質 經過傅立葉轉換，從 SL05 的頻譜(圖 3.1 )中，可以知道該曲線具有顯著的每. 百萬年二十四次的週期性變化及約每百萬年十次的效應，與理論中地球自轉軸傾 角的變遷週期(約 41 ka)和地球繞日軌道離心率變化週期(約 100 ka)相符合。. 圖 3.1. SL05 的頻譜. 透過經驗模組拆解，SL05 可以拆成 9 個 IMFs 及餘值(圖 3.2)。我們可利用 這些分量，重構出與其他資料對比時所需要的、合適的時間尺度之海水面變遷曲 線，如果我們將 SL05 曲線剪去餘值，可以將趨勢信號消除，因而依序減去 IMF1、 IMF2、IMF3、……，則曲線將逐漸平滑化 (圖 3.3)。. 29.
(44) 自繪製 SL05 的時頻圖裡，可以看出三百萬年以來，存在著約四萬年的週期 性變化是相當顯著的；此外，在大約 1.7 Ma 及 3.5 Ma 時，其約四萬年的週期性 卻顯得特別弱，這亦與地質年代 Gelasian – Calabrian 分界(1.8 Ma，即舊的第三紀 -第四紀分界)、Zanxlean-Placezian 分界(3.58 Ma，即下部上新世與上部上新世的 分界)呈現一致。 將 SL05 的 IMF 進行傅立葉分析(圖 3.6 到 3.13)，其中 IMF 2 大致上是以 4 萬年的週期震盪、IMF3 是以 10 萬年的週期震盪，將它們分別與 Laskar 等人(2004) 的地球自轉軸傾斜角度變化和地球繞日軌道橢圓率變遷作比較，可以看出它們震 盪的週期性相似但振幅不同，顯示 IMF 2 和 IMF 3 所屬頻帶的海水面變遷可能與 日照變遷有關(圖 3.14; 圖 3.15)，此現象與 Milankovitch 學說符合。. 5.1.2. SL11 的性質 比較 SL11 和 SL05 的取樣，SL11 係三百萬年以來信號的採樣頻率較高，. 但由於 0 至 600 ka、600 至 1500 ka、1.5 至 3 Ma、3 至 9 Ma 的採樣頻率不同， 為了避免混疊現象發生，應分開來進行傅立葉分析及信號模組拆解。 SL11 經驗模組拆解過後，0 至 600 ka 部分拆出 9 個分量(圖 3.16)、600 至 1500 ka 部分拆出 8 個分量(圖 3.17)、1.5 至 3 Ma 部分拆出 9 個分量(圖 3.18)、3 – 9 Ma 部分拆出 10 個分量(圖 3.19)。. 30.
(45) 圖 3.2. SL05 的經驗模組拆解成果. 31.
(46) 圖 3.3. 透過減去分量使 SL05 曲線平滑化. 32.
(47) 圖 3.4. 圖 3.5. SL05 的時頻圖. SL05 的時頻圖 33. 視窗 64 重疊 60. 視窗 128 重疊 120.
(48) 圖 3.6. SL05 的 IMF 1. 圖 3.7. SL05 的 IMF 2 34.
(49) 圖 3.8. SL05 的 IMF 3. 圖 3.9. SL05 的 IMF 4 35.
(50) 圖 3.10. 圖 3.11. SL05 的 IMF 5. SL05 的 IMF 6 36.
(51) 圖 3.12. SL05 的 IMF 7. 圖 3.13. SL05 的 IMF 8 37.
(52) 圖 3.14. SL05 的 IMF 2 對照地球自轉軸傾斜度變遷. 38.
(53) 圖 3.15. SL05 的 IMF3 對照地球繞日軌道橢圓度變遷. 39.
(54) 圖 3.16. SL11 中 0 至 600 ka 的分量. 40.
(55) 圖 3.17. SL11 中 600 至 1500 ka 的分量. 41.
(56) 圖 3.18. SL11 中 1.5 至 3 Ma 的分量 42.
(57) 圖 3.19. SL11 中 3 至 9 Ma 的分量. 43.
(58) 3.2 井測資料的經驗模組拆解 3.2.1. ODP 1143A 由於測井量測條件的改變 的改變，使得量測值不連續(圖 3.20)，因此將曲線分成 因此將曲線分成 0. 到 83.3628 公尺和 87.4776 到 375.8184 公尺兩個段落，分別進行信號分析及經驗 分別進行信號分析及經驗 模組拆解。 ODP1143A 的標準珈瑪能譜井測資料(HSGR)、計算珈瑪能譜井測資料 的標準珈瑪能譜井測資料 計算珈瑪能譜井測資料 (HCGR) 和珈瑪能譜井測資料中釷的貢獻(HTHO)分別予以經驗模組拆解後 和珈瑪能譜井測資料中釷的貢獻 分別予以經驗模組拆解後，淺 的部分都拆出 9 個分量， ，而深的部分都拆出 10 個分量(圖 3.21 到 圖 3.26)。. 圖 3.20. 3.2.2. ODP 1143A 的標準珈瑪能譜井測資料. ODP 997B 由於井測資料的前端及末端數值朝向單一方向快速增加 由於井測資料的前端及末端數值朝向單一方向快速增加(圖 3.27) 3.27)，但不具備. 週期性，因此僅取中間部分 因此僅取中間部分(113.9952 到 695.0964 公尺)進行經驗模組拆解 進行經驗模組拆解。 標 準珈瑪能譜井測資料(SGR) (SGR)、計算珈瑪能譜井測資料(CGR)和珈瑪能譜井測資料 和珈瑪能譜井測資料 中釷的貢獻(THOR)在經驗模組拆解後各得到 在經驗模組拆解後各得到 11 個分量(圖 3.28、圖 圖 3.29 和圖 3.30)。. 44.
(59) 圖 3.21. 圖 3.22. ODP 1143A 的 HSGR 從 0 到 83.3628 公尺的分量. ODP 1143A 的 HSGR 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 45.
(60) 圖 3.23. 圖 3.24. ODP 1143A 的 HCGR 從 0 到 83.3628 公尺的分量. ODP 1143A 的 HCGR 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 46.
(61) 圖 3.25. 圖 3.26. ODP 1143A 的 HTHO 從 0 到 83.3628 公尺的分量. ODP 1143A 的 HTHO 從 87.4776 到 375.8184 公尺的分量 47.
(62) 圖 3.27. 圖 3.28. ODP 997B 的 SGR. ODP 997B 的 SGR 分量 48.
(63) 圖 3.29. 圖 3.30. ODP 997B 的 CGR 分量. ODP 997B 的 THOR 分量 49.
(64) 3.2.3. 測井 C 測井 C 在深度 780 至 900 公尺的化石生物地層為 NN19a (距今約 距今約 1.24 至 1.95. Ma)，此外在深度 420 至 600 公尺的化石生物地層為 NN19c (距今約 距今約 0.46 至 1.03 Ma)；配合測井已知年代的深度區間 配合測井已知年代的深度區間，選定該井測資料中深度小於 選定該井測資料中深度小於 900 公尺的區 段來與兩百萬年以來的海平面升降變化對比 為了避免經驗模組拆解時前、後端 段來與兩百萬年以來的海平面升降變化對比。為了避免經驗模組拆解時前 的偏移和去除顯然非週期性的測值 的偏移和去除顯然非週期性的測值，我選擇 253.2 到 990.163 公尺區段進行經驗 模組分解(圖 3.31)。經驗模組分解後的到 經驗模組分解後的到 10 個 IMF 和餘值如圖 3.32 所示。. 圖 3.31. 測井 C 珈瑪井測值. 3.3 井測資料對比海水面變遷曲線 3.3.1. ODP1143A 對比海水面 海水面變遷曲線 由 Tian 等人(2006)的研究得知 的研究得知 ODP 測點 1143 的沉積速率穩定(圖 的沉積速率穩定 3.33)。首. 先挑選相同井位，並且已由氧同位素定年學鑑定出年代的區段來進行對比 並且已由氧同位素定年學鑑定出年代的區段來進行對比 並且已由氧同位素定年學鑑定出年代的區段來進行對比。. 50.
(65) 圖 3.32. 測井 C 的分量. 51.
(66) 圖 3.33. 圖 3.34. ODP1143. 的年代模式 (摘自 Tian et al., 2006). ODP1143A 的年代模式一 (摘自 Tian et al., 2006). 52.
(67) 如果 Tian 等人(2006) (2006)的年代模式可信度高，可以將 140 公尺處的沉積年代 3394.86 ka、142.6 公尺處的沉積年代 公尺處的沉 3499.88 ka 作為對比時的控制點(圖 作為對比時的控制點 3.34)， 然後 ODP1143A 的 HSGR、HCGR HSGR 和 HTHO 分別與 SL05 對比(圖 圖 3.35、圖 3.36 和圖 3.37)。 從這個案例觀察，並沒有符合教科書所述 從這個案例觀察 HCGR 或 HTHO H 較 HSGR 容易對比(圖 3.38)。 將 SL11、SL05 SL11 和 ODP1143A 的 HCGR 進行對比(圖 進行對比 3.39)， 發現 SL11 在 3.46 Ma 到 3.5Ma 的區段與井測 141 到 145 公尺區段對比得較好， 公尺區段對比得較好 而 SL05 在 3.4Ma 到 3.45Ma 的區段與井測 135 到 139 公尺區段對比得較好，但 公尺區段對比得較好 無法辨別 SL11 與 SL05 何者較適合對比。為了使對比更容易進行， 何者較適合對比 ，於是對 ODP1143A 進行濾波。將 將 ODP1143A 去除其 IMF1 和餘值之後，再 再與 SL05 進行 對比，其效果更好(圖 3.40)。 3.40) Tian 等人(2006)認為 認為 159.6 公尺處的沉積年代為 4079.23 ka、 、164.03 公尺則 在 4366.73 ka 沉積(圖 3.41)。將 3.41) HCGR 與 SL05 直接對比的效果不佳(圖 直接對比的效果不佳 3.42)， 但是，取 HCGR 的 IMF1+IMF2 與 SL05 的 IMF2 + IMF3 作對比，其效果較好 其 (圖 3.43)。. 圖 3.35. ODP1143A 的 HSGR 對比 SL05 53.
(68) 圖 3.36. ODP1143A 的 HCGR 對比 SL05. 圖 3.37. ODP1143A 的 HTHO 對比 SL05 54.
(69) 圖 3.38. 對比 ODP1143A 的 HSGR、HCGR、 HTHO 和 SL05. 55.
(70) 圖 3.39. 對比 SL05、SL11、ODP1143A 的 HCGR. 56.
(71) 圖 5.40. ODP1143A 去除 IMF1 和餘值後與 SL05 對比. 圖 3.41. ODP1143A 年代模式二 (摘自 Tian et al., 2006). 57.
(72) 圖 3.42. 圖 3.43. ODP1143A 對比 SL05. ODP1143A 的 IMF1+2 對比 SL05 的 IMF2+3 58.
(73) 由於 ODP1143 的沉積速率穩定(圖 的沉 3.33)，故可以嘗試長時間尺度的對比 故可以嘗試長時間尺度的對比。 拿原始資料作對比時發現兩者的變化趨勢不同 拿原始資料作對比時發現兩者的變化趨勢不同(圖 3.44)，若將原始資料由 若將原始資料由 EMD 算出的餘值減去後，就能使信號在特定數值的上下震盪 就能使信號在特定數值的上下震盪(圖 3.45)； ；再將兩者的 IMF1 和 IMF2 去除之後， ，則對比的效果變得更好(圖 3.46)。. 圖 3.44. 圖 3.45. ODP1143A 對比 SL05. ODP1143A 與 SL05 對比 (減去餘值) 59.
(74) 圖 3.46. 5.3.2. ODP1143A 與 SL05 對比 (減去餘值、IMF1、IMF2) IMF2). ODP997B 對比 SL05 根據 Ikeda 等人(2000) (2000)的研究，ODP997B 在深度 400 公尺到 750 公尺間的沉. 積速率穩定(圖 3.47)，將 將 ODP997B 與 SL05 對比能有不錯的成果(圖 圖 3.48)，而 ODP997B 和 SL11 也能對得起來(圖 也能對得起來 3.49)。 由於 ODP997B 的 CGR 相對 SL05 記錄了較多高頻的事件，可以藉由濾波使 可以藉由濾波使 兩筆資料對比得更好。為了去除趨勢信號與高頻的成分，首先將 ODP997B 的 CGR 扣除餘值與 IMF1，濾波後的 CGR 較原始的 CGR 像 SL05 (圖 3.50)；接著扣除 IMF2 與 IMF3，濾波後的 CGR 曲線(圖 3.51 的第二條曲線)與 SL05 的頻帶變得更為接 近；然而若再扣除 IMF4， ，SL05 較濾波後的 CGR 曲線(圖 3.51 的第三條曲線) 的第三條曲線 記 錄了較多高頻的事件；由此可知 由此可知，對比 ODP997B 的 CGR 與 SL05 時，只需要將 ODP997B 的 CGR 扣除餘值、IMF1、ÍMF2 扣除餘值 和 IMF3 就能有好的對比成果。如果 就能有好的對比成果 也將 SL05 進行濾波，它與濾波後的 它與濾波後的 CGR 之對比成果(圖 3.52)較兩筆原始資料的 較兩筆原始資料的 對比成果(圖 3.48)好。. 60.
(75) 圖 3.47. ODP997B 的年代模式 (摘自 Ikeda et al., 2000). 圖 3.48. ODP997B 對比 SL05. 61.
(76) 圖 3.49. 圖 3.50. ODP997B 對比 SL11. ODP997B(扣除餘值與 IMF1) 對比 SL05. 62.
(77) 圖 3.51. 圖 3.52. ODP997B (濾波後) 對比 SL05. ODP997B (濾波後) ( 對比 SL05 ( IMF2+IMF3+IMF4 ). 63.
(78) 5.3.3. 測井 C 對比 SL05 測井 C 在深度 780 至 900 公尺的化石生物地層為 NN19a (距今約 距今約 1.24 至 1.95. Ma)，因此假定深度 900 公尺之生成年代不老於 2 Ma，往淺層去對比 往淺層去對比海水面變遷 曲線。直接將測井 C 與 SL 對比發現測井 C 較複雜(圖 3.53)，可能的原因有二個， 可能的原因有二個 一是大陸棚內沉積時受到某些高頻的作用影響 二是對應範圍內測井 C 的點數 一是大陸棚內沉積時受到某些高頻的作用影響，二是對應範圍內測井 較 SL05 超出了 9 倍之多。為了使兩著震盪的頻帶相近，可以利用經驗模組拆解， 可以利用經驗模組拆解 將高頻的成分波找出並予以扣除 這樣就更能容易的對比這二條曲線(圖 3.54 和 將高頻的成分波找出並予以扣除，這樣就更能容易的對比這二條曲線 圖 3.55)。 對比測井 C 與 SL05 後，發現測井 C 深度 550 公尺以上的部份，曲線變化 公尺以上的部份 相當規律並與一百萬年以來的 相當規律並與一百萬年以來的海水面變遷曲線相似，但由於定年資料不完備 但由於定年資料不完備，很 難確定峰值間該如何對應 難確定峰值間該如何對應。由對比結果，可以評估深度 500 公尺以上的部份，沉 公尺以上的部份 積速率約為每百萬年 500 公尺或 250 公尺。. 圖 3.53. 測井 C 對比 SL05. 64.
(79) 圖 3.54. 圖 3.55. 測井 C(扣除餘值、IMF1 和 IMF2)對比 SL05. 測井 C(扣除餘值、IMF1、IMF2 C( 和 IMF3)對比 SL05. 65.
(80) 第四章 討論 4.1. 全球海水面升降變化與氣候變遷 全球海水面升降變化與氣候變遷的關聯性 變遷的關聯性 海水面升降變遷曲線 SL05 經頻譜分析後，可以看出顯著的 41 ka 週期性變. 遷(圖 3.1)，進行經驗模組拆解可以拆出週期為 41 ka (圖 3.7) 和 100 ka (圖 3.8) 的 分量，並且兩分量的震盪分別與地球自轉軸傾斜角度變化 (圖 3.14) 及地球繞太 陽軌道橢圓率的變化 (圖 3.15) 相似，實驗結果符合 Milankovitch 學說，即全球 海水面升降變遷主要受控於氣候變遷。海水面變遷曲線對比井測資料的結果顯示， 沉積地層中也可能記錄著氣候變遷。 Miller 等人(2005 和 2011)發表的二條海水面變遷曲線，都可以拿來對比井測 資料，但本實驗無法證明何者對比效果較佳。從信號拆解與重構的觀點來看，必 須考量取樣與信號失真問題；就處理效率而言，2005 年的曲線為等間距採樣， 濾波時較便利性，且可以進行長時間尺度的對比(不需要分段處理)；但 SL11 曲 線，則在淺層的取樣間距較小，理論上能對比得更精密。本實驗發現，在兩曲線 採樣區將相同的區段(九百萬年前到三百萬年前)作對比，兩曲線的震盪不完全相 似，單憑本研究之成果無法辨別何者較適宜對比。. 4.2. 全球海水面 全球海水面升降變遷 海水面升降變遷與 升降變遷與珈瑪射線井測數值的 珈瑪射線井測數值的變化 由於沉積作用不僅受控於全球海水面變遷，還受區域構造運動、沉積物來源. 改變、搬運營力的強弱改變、……等多重因素的影響，導致沉積速度會變化且地 層也可能被侵蝕，故對比海水面變遷的井測資料來源選擇顯然非常重要。必須選 擇沉積速率穩定、沉積物來源穩定而且少受干擾的位置。本研究所採用的三個測 井地點代表了不同類型的海洋沉積環境，分別位在台灣南部海域(測井 C)、南海 (ODP1143A)、和西北大西洋(ODP997B)。 對比成果驗證了不論邊緣海或開闊大洋，只要沉積環境受到的干擾較少，沉 積物粒度變化都能反應全球海水面升降變遷。此外，由測井 C 的對比結果，可 66.
(81) 以知道水深較淺不會使碎屑性沉積地層，不易記錄全球海水面升降變遷，但是只 要沒有河口沉積物干擾，粒度變化就會隨全球海水面升降變遷。本研究井測資料 與全球海水面變遷曲線對比的成效良好，證實只要慎選測井位置就能有好的對比 成果。. 4.3. 信號拆解與重構對於地質資料對比的影響 井測資料對比全球海水面變遷曲線的過程中，因各測井的沉積速率不同，導. 致相同的沉積厚度發生的震盪數目不同，造成資料對比時的不便。透過經驗模組 拆解，可以將井測資料中不同波數 (wave number) 的成分區分出來。慎選成分曲 線進行號重構，有助於減低對比的困難度，加快對比速度，並有助於對比成果的 呈現。由於經驗模組拆解的演算法在處理模態混疊(mode mixing)方面仍需改良 (Wu and Huang, 2005)，在數位信號處理的過程中，可能會造成一些未知的波型 變異，造成對比上的困難。 除此之外，本實驗在以 SL05 曲線對比時顯示，在過去九百萬年間，全球海 水面持續下降了大約 80 公尺(圖 3.2 的 c10)，這樣大幅度的海水面下降現象對於 沉積物的搬運與堆積，勢必影響很大。然而這樣長時間且大幅度的海水面下降現 象，在 ODP 1143A 與 ODP 997B 的珈瑪井測紀錄中，卻找不到相對應之大厚度 且大振幅數值上升(圖 3.21 的 c9、圖 3.22 的 c9 和圖 3.28 的 c11)。這樣無法對比 的實驗成果，意味著，海水面變遷可能只在某個特定的短時間尺度下，影響著沉 積物粒度變化；另一個可能，珈瑪井測紀錄除了反映沉積物粒度變化之外，也精 確記錄了其他地球歷史事件，例如地球背景輻射變化。 濾波方法不該僅限於經驗模組拆解，一般的線性濾波器應當也能產生不錯的 成果。然而，經驗模組拆解屬於適應性的演算法，因此不需要由使用者對不同的 資料選擇合適的濾波頻帶，實具有易於操作之優勢。. 67.
(82) 4.4. 井測資料對比全球海水面變遷曲線法應用在初步鑑定地層年代的優勢 根據本實驗成果，全球海水面升降變遷曲線可以作為全球地層對比的標準，. 意味著，對特定井位進行年代地層學(Chronostratigraphy)研究時，只要精確地鑑 定出幾個特定深度的年代之後，就可以利用「井測資料對比全球海水面變遷曲線 法」 ，大略評估出控制點間各深度的沉積年代；如果要找出特定沉積年代的地層， 再對特定深度區間的樣本進行定年學研究即可。 這套技術在理論基礎或牽涉到的變因上，仍不是很清楚，故應該是無法取代 任何傳統年代地層學的研究方法；但透過這套技術，可以大幅減少年代地層學研 究時需要鑑定的樣本數，不僅可減少研究所須花費的經費，同時也加快研究的進 行速度，作為地層年代之初步鑑定，符合經濟效益。. 4.5. 井測資料對比全球海水面變遷曲線的限制 良好的對比成果可以歸因於下述三項：. 一、選擇了合適的全球海水面變遷曲線作為對比標準。 二、井測資料明顯反映地球歷史中海水面變遷。 三、對比過程中的決策與濾波方法 依照層序地層學理論與本研究的測試結果可以認定全球海水面變遷曲線可 以當作全球井測資料對比的標準。本研究選擇Ｍiller 等人(2005 和 2011)的海水面 變遷曲線，這二條曲線為高解析度且等間距採樣的數值資料，對比成果精確至萬 年尺度且有利於對比過程中的濾波工作；然而這二條曲線是否為最適合井測資料 對比工作的海水面變遷曲線仍有待討論。Miller 等人的海水面變遷曲線相對於其 他團隊的曲線，在九百萬年以來的部分解析度高且有進行反剝法校正，理應較適 合作為對比標準；然而各團隊的曲線具有不同的特質，對於長時間尺度或中新世 之前的對比工作來說，值得做實驗以探討何者為最適合用於對比工作的海水面變 遷曲線。. 68.
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