第 二 章 研究原理與方法
2.1 研究動機
淺層震測的發展，對近代建築、土木工程、工程地質及環境 工程等業界有極大的助益，接著數公尺內極淺層反射震波測勘的 成熟，也可將震測法應用到田園考古等相關研究 (Stright,1986;
Ovenden, 1994, 陳志松, 2002)。然而，由於極淺層反射震測在 資料處理上，需投入很多的時間與精神，才能得到一完整的震測 剖面圖來展示地下構造形貌，所以本研究便思考如何運用這些取 得的震測數據資料，找到一個更方便快速的方法，來探測與展示 地下異常體或特殊地質構造的位置。
2.2 原理與方法
震測探勘方法的原理在於當地表下地層與地層間若是兩者 性質有極大的差異，則震波會與這個界面響應(response)成為一 個反射信號讓受波器(receiver)感應並傳回震測儀加以記錄，這 是利用地層在垂直方向的差異性來探勘地下可能的構造。而在水 平方向差異性的應用則往往透過佈線的幾何排列設計，從最後資 料處理後的震測剖面圖來加以解釋。值得注意的是，做各種方法 的資料處理時，會有許多人工信號(artificial signal)的產生
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與加入，造成接下來資料判讀上的假象及失真，甚至直到最後震 測剖面圖的呈現和解釋，也擺脫不了資料處理者在主觀上的認知 (Baker, 1999)。因此思考能否從未經資料處理過的數據來做簡 單的頻譜分析(spectrum analysis)，並將這些二維頻譜按當初 野外的幾何佈線來排列，藉著使用繪圖軟體繪製出立體頻譜圖，
以期望能由頻譜在空間的分布特性對不連續地層形貌做初步之 判讀。
頻譜分析在震測資料處理上，是將野外測勘記錄到的波線，
由時間域經過傅氏轉換到頻率域，通常在資料處理的流程中扮演 著開路先鋒的角色，許多已發表的論文也會常常將頻譜圖展示其 中。在近代，將傅氏轉換視為數位信號處理的一個重要理論基 礎。可以由頻譜知道此信號含某頻率的成份(能量)有多少，進而 分析此信號的頻譜特性。
生活中自然界信號大部分都是類比信號(analog signal)，
比如說聲音、溫度等，而震波即是聲波也屬於類比信號的一種。
類比信號在時間軸上是連續的，任何的時間點都存在著信號；而 數位信號(digital signal)是離散的信號，在時間軸上只有相隔 一定的時間間隔才有一個信號，對震測探勘來說即是所謂的採樣 間距(sample intervals)，其信號的強度也是不連續的。
到了 60 年代，電子計算機的技術提昇到一定水準，能夠迅 速地處理大量的數據資料；同時 Cooley 和 Tukey 改良離散傅氏 轉換的演算，提出了快速傅氏轉換演算法(Cooley and Tukey, 1965)。快速傅氏轉換演算法使用更快的計算方式來節省電子計 算機處理信號的時間，減少數位信號處理中乘法的運算量，解決 了離散傅氏轉換不能即時處理數位信號的問題，而使頻譜分析得 以更廣泛地被應用在信號資料處理上。
統整以上所述，本研究的研究方法就是先將原始資料進行頻 譜分析，而頻譜分析即是將已數位化的數據資料從時間域做快速 傅氏轉換到頻率域，讓我們可以從振幅─頻率譜圖來進行資料分 析，圖 2-1 為頻譜分析之示意圖。
圖 2-1 震測數位資料經 FFT 轉換為頻率域頻譜示意圖。
Frequency (Hz)
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地層因為依循疊置定律(law of superposition)採水平沉積 的方式形成(Steno, 1669)，所以正常來說地層與地層之間的界 面(boundary)都是像千層糕似地以垂直地表走向的方式存在，而 震測探勘可以清楚地探測到這些地層界面，尤其當地層間性質差 異很大時愈加地明顯。這是利用空間中垂直方向的差異性或不連 續性；而在水平方向上，當地層中存在著有意義的異常體或地質 構造時，則這些物體或構造也可以視做平行於地表走向上的不連 續面。在此我們將先前由快速傅式轉換得到的振幅─頻率譜，依 照野外測勘時的幾何佈線來排列，則在經過這些不連續面的地 方，應該會觀察到振幅譜突然變化的情形，因為震波在經過特定 性質的地層時會有其特定的振幅譜(圖 2-2：Steer et al., 1996)。
本研究中大膽假設把一群地層視為一均質地層，則所有經過 此地帶的振幅譜應該相去不遠；而如果突然通過一個地層性質相 異的邊界，比如說上述談到的異常體和構造，則振幅譜就應該有 所不同(圖 2-3)，就算掺雜地滾波、表面波等伴隨震源而來的相 參性雜波(coherent noise)，也會因為是看同時距且共支距的總 能量分佈比較而各波跡紀錄可視同有大致相同的背景雜訊。
圖 2-3 通過斷層面頻譜有明顯變化之示意圖。
圖 2-2 比較三種炸藥震源以不同充填量在不同性質 地層炸射能量衰減之振幅譜，顯示除了地層 性質外震源種類與能量皆會影響振幅譜之不 同，TWTT：來回走時(Steer et al., 1996)。
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除此之外，如果在快速傅式轉換之前，將震測數據資料在時 間域加上一個視窗再做頻譜分析，接著以初步判別地層速度的方 法來決定速度值，則這個振幅譜即具有深度的意義(Robinson and Coruh, 1988)。有了幾何佈線上的位置與地表下的深度便可 以藉此定位，再與已開挖的槽溝地層剖面做比對，驗證最後的結 果是否相符，並討論此研究方法之可行性。
2.3 研究貢獻
極淺層震波探勘方法可以看到地表下數公尺內細微的構造 形貌，但在資料處理的過程中，沒有一個可倚賴的通用準則，因 為處理流程的設計端看施測地點的地質狀況而定，有時候相同的 處理項目，順序變換一下就會有不同的結果，故往往必須每個項 目及步驟都必須去嘗試。這樣的試誤過程會花費許多的時間與精 神，加上由於探測的深度極淺，造成地滾波、表面波等相參性雜 訊不堪其擾且難以去除，更是增加資料處理上的困難，這些潛在 的問題使得極淺層震測在應用與實用性上會覺得有些美中不 足。另外，處理極淺層震測數據如果使用太多的資料處理步驟，
會讓最後的疊加震測剖面圖太過於人工化，並且震測剖面的判別 也常常因為缺少旁證(circumstantial evidence)而顯得不夠客
觀，有時甚至會連一些資料處理後產生的假像也加以解釋。此篇 論文在於利用淺層震測的原始數據，以簡單的資料處理方法找出 地下異常體或特殊地質構造，達到節省時間的目的，而且因為較 不用顧及地滾波、表面波的干擾以及較少的人工信號參與分析，
故可以提高目標物判定的可信度，甚至最後可以作為疊加震測剖 面圖解釋的依據。
