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[孕震帶構造]
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台灣南部孕震帶 ※※ 地質及構造的震測研究
（Ⅱ）
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計畫類別：□個別型計畫 ˇ整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2119－M－006－001
執行期間：90 年 8 月 01 日至 91 年 12 月 31 日
計畫主持人：孫鎮球 共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□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
□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：國立成功大學地球科學系
中 華 民 國 九十二 年 一 月 一 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
國科會專題研究計畫成果報告撰寫格式說明 Preparation of NSC Project Reports
計畫編號：NSC 90-2119-M-006-001
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 12 月 31 日 主持人：孫鎮球
中 文 摘 要
本研究的第一項成果是台灣南部孕震帶的淺層震測研究。台灣南部大崗山、小崗山 西崖的存疑小崗山斷層確實存在，由旗山向西南延伸的旗山斷層亦確實存在，在此二斷 層之間疑似另有一條東北–西南走向的斷層。大、小崗山以西的地區地形平坦，地層亦 為水平。這些證據顯示此區的板塊推擠應力大多以逆斷層方式釋放。相較於潛移釋放相 當板塊推擠應力的台南–關廟–南化一帶，此區地震危險度顯然較高。
本研究第二項成果是三維彈性波中 P 波與 S 波之分離技術。備好一個均勻的三維彈 性模型，用三維彈性波方程式，將三維彈性波資料由接收點位置，反時序外插至三維彈 性模型中。在此同時，在某一深度計算散量及旋量並加以儲存。然後將彈性波模型分成 一個 P 波模型和一個 S 波模型。將散量由儲存位置以聲波方程式順時序外插至 P 波模型 中，在表面擷取散量便是分離的 P 波。對旋量亦作類似處理，但外插至 S 波模型中，在 表面擷取的旋量便是分離的 S 波。
關鍵詞：淺層震測、活斷層、孕震構造、彈性波、分離、外插
ABSTRACT
This project’s first achievement is the fault detecting in southern Taiwan. Shallow seismic profiles shows that the speculated Hsiao-Gong-Shan Fault, along the western hills of the Ta-Gong-Shan and Hsiao-Gong-Shan in southern Taiwan, really exists. The speculated Chi-Shan Fault, that stretches nearly 70 kilometers southwestward from Chishan, also exists.
An additional northeast-southwest striking thrust fault is speculated between the above two faults. To the west of the Shiao-Gong-Shan Fault, the earth’s surface is nearly flat and the layers are nearly horizontal, implying little deformation after deposition. The plate-collision stress is therefore mostly released in the form of thrusting. The earthquake hazard in this area is therefore higher than in Tainan area where a significant portion of the plate-collision stress is released in the form of creeping.
The second achievement is the method of separating P- and S-waves in 3-dimensional elastic seismic data. The elastic seismic data are downward extrapolated from the receiver locations into a homogeneous elastic computational model. During downward extrapolation, divergence (a scalar) and curl (a three-component vector) of the wavefield are computed and
upward extrapolated into the P-velocity model to obtain the separated P-waves. The three curl components (containing S-waves only) are upward extrapolated independently into the S-velocity model to obtain the separated S-waves.
Keywords：Shallow seismics, active faults, earthquake- inducing mechanism, elastic waves, separation, extrapolation.
計 劃 緣 由 與 目 的
台灣位於太平洋西緣，歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊之交界處，由於板塊運動速 度高達每年 7 公分，地震頻繁，是環太平洋地震帶的一部份。1999 年的集集大地震 曾造成台灣生命財產的重大損失。正確探測斷層位置，使人工建築物避開斷層，確實 保持建築物的強度，可以保持建築物在地震中不受損害，將生命財產損失降至最低。
斷層是引發地震的潛在位置，亦是發生地震時振動最劇烈的地方。清楚界定斷層線的 位置及性質，對防止地震災害有決定性的作用。鑑於集集大地震的教訓，整合計畫已 於九十年度開始地震及活斷層之研究工作。主持人負責台灣南部台南縣市及高雄縣市 境內的活斷層探測及地震危險度評估。
另外，主持人對震測資料處理技術之研究發展有相當經驗，過去並有多項創新技術 在國際知名期刊發表。彈性波中 P 波與 S 波之分離，可以得到一套 P 波及一套 S 波資料，
這些資料將對後續的工作，如直接探勘，產生重大貢獻。主持人已在二維的 P 波與 S 波 分離得到部份成就，因此在本計劃分配一部份資源，研究將 P 波與 S 波分離技術推展至 三維。
結 果 與 討 論
第一項：台灣南部孕震帶的淺層震測研究
1. 區域概況
研 究 區 是 台 灣 南 部 大 崗 山 及 小 崗 山 及 附 近 地 區 ， 北 緯 22°40′-22°55′， 東 經 120°17′-120°30′的範圍。台南市位於西北方，高雄市位於西南方。大、小崗山本身海拔 最高為 307 公尺。西北方（台南市所在）有抬升的台南台地，北方是地形平坦的關廟地 嶄，東北方及東方是台灣西部麓山帶丘陵地的一部份。高屏溪在小崗山以東大約 10 公 里，中央山脈在東方約 30 公里。
2. 小崗山斷層
大崗山南北長約 5 公里，東西寬約 2 公里；小崗山南北長約 2 公里，東西寬約 1 公里；兩山之間有一塊南北長約 1 公里的谷地。存疑的小崗山斷層位於大崗山、小崗山 之西崖。由於大、小崗山之西崖及東崖坡度都很大（百分之三十以上），且缺少適合的 道路，可供震測的路線極少。本研究選擇二條東西向測線 L901 與 L902（圖 1）橫跨存 疑的斷層線。其中 L901 在小崗山之西崖，L902 在大、小崗山之間的谷地，這二條測線 的震測剖面分別如圖 2 及圖 3。圖 2 中有一傾斜約 50°的斷層面位於 CDP 130 附近，應 是小崗山斷層。但此斷層面位置在山腳以西大約 50 公尺，因此很可能這是晚近形成的
斷層面，小崗山斷層的主斷層面可能在測線東端以東數十公尺處。圖 3 顯示測線 L902 雖橫跨推測的斷層線，但剖面並未出現明顯的斷層面，只在 CDP 300 以東出現反射波較 弱向破碎帶，而這個位置正是斷層線通過之處。因此主持人認為小崗山斷層在谷地的這 一段並無明顯的斷層面，而是造成一條數十公尺寬的破碎帶。由於破碎帶岩層鬆軟，容 易被侵蝕，正好解釋了在兩山之間出現谷地的原因。
圖 1. 研究區域在台灣南部高雄縣境內大崗山、小崗山及附近。虛線表示斷 層或疑似斷層，L901–L907 表示震測測線，C91–C92 表示露頭位置。
3. 旗山斷層
旗山斷層是東北–西南走向的存疑斷層，與前述的小崗山斷層大致平行。在小崗山 斷層以東，相距約 10 公里。另外，在這兩斷層之間有另一條東北–西南走向的山脈，
疑似另一條斷層（圖 1）。本研究在此二斷層 (或疑似斷層) 線上共有 4 條震測測線：L903
（燕巢南方約 2 公里處），L904（旗山、田寮之間），L905（高雄縣仁武鄉烏林），L906
（旗山），這些測線是刻意選在可能橫跨斷層的道路上，如圖 1。另外，在點 C91（測線 L905 附近）及點 C92（測線 L906 附近）有清楚的岩層露頭可用作參考。以上 4 條測線 之中，L906 得到的震測剖面品質很差且與野外觀察差距甚大而放棄。測線 L903 震測剖 面（圖 4）顯示 CDP 70 至 120 是反射信號較弱的破碎帶，此破碎帶在地表是橫跨一條
南北向的小丘（高約十公尺）之間的谷地，因此這小丘應是疑似逆斷層推升的結果。測 線 L905 剖面（圖 5）顯示地層向東小角度傾斜，有一向東傾斜約 70°的逆斷層面，這些 震測解釋與點 C91 的露頭所顯示的相當吻合。在 C91 可以見到向東傾斜約 8°的地層面，
及一個南北走向，坡度約 80°向西傾斜且草木不生的崖面，這個崖面應是斷層的露頭，
顯示旗山斷層確實存在。
4. 小崗山斷層以西
測線 L907 位於小崗山斷層線以西約 1 公里（圖 1），此處地表平坦，沒有地形起伏。
L907 的震測剖面顯示地層與地表地形相似，地層近乎水平，沒有什麼褶縐，地層變形 很有限。
圖 3. 測線 L902 的淺層震測剖面及解釋的斷層面。 CDP 300 以東 是破碎帶，恰好是小崗山斷層的位置。
5. 孕震帶構造
大、小崗山在大約北緯 22°50'，其北方約 10 公里（北緯 23°附近）是台南台地、關 廟地嶄及西部麓山帶的丘陵。這一帶只有一個後甲里斷層在台南台地與關廟地嶄之間，
在丘陵地區有多個褶縐但無斷層，包括地表平坦的關廟地嶄亦顯示約 10°的向西傾斜地 層。可見板塊推擠應力多以潛移（creeping）方式釋放，釋放地區包括地表平坦的關廟 地嶄。L907 測線位於關廟地嶄平坦地形的向南延續，但地下地層不再傾斜，而是近乎 水平。大、小崗山及以東的丘陵地是台南東方丘陵地的向南延續，但出現小崗山、旗山 斷層及另一條疑似斷層，其中斷層在某些部份造成寬數十公尺的破碎帶。綜合上述，可 知本區的孕震帶是由旗山斷層、小崗山斷層及其間的疑似斷層構成，板塊推擠應力大多 以斷層方式釋放。
圖 4. 測線 L903 的淺層震測剖面。
第二項：三維彈性波中 P 波與 S 波之分離技術
三維彈性波資料 圖 6 是一個 x 方向，y 方向及 z 方向（深度）各為 2km, 2km 及 1.6km 的三維彈性波模型。設有一個 P 波震源在(x, y, z) = (1.2km, 1.0km, 0.16km)，在表面接收 到的三維彈波資料出現在線 X 及線 Y（見圖 6）上的部份如圖 7 所示。在圖 7 中，直達 波和表面波已消去，所見的只有反射 P 波和反射 S 波。
準備一個三維的均勻彈性波模型，它的P 波與 S 波速度約略近似介質表面的速度（圖 8）。將彈性波資料（圖 7 所代表者）由接收位置（表面）插入，以彈性波方程式向下外 插至彈性波模型中，在此同時，在某一深度（例如 0.1km）計算散量（divergence）與旋 量（curl），並加以儲存。
將圖 8 的彈性波模型分為一個 P 波速度模型和一個 S 波速度模型。將散量（代表 P 波）由儲存深度插入，以聲波方程式向上外插至 P 波速度模型，並在表面記錄做為分離 後的 P 波。將旋量的三個分量分別由儲存深度插入，以聲波方程式向上外插至 S 波速度 模型，並在表面記錄做為分離後的 S 波。
由於散量和旋量的計算涉及位移（displacement）對空間的微分，使得分離後的 P 波和 S 波受到π/2 的相位改變。要恢復原有的相位可以用對時間的 Hilbert transform。
經相位修正後的 P 波如圖 9a 及 9e 所表示，S 波如圖 9b 至 9d 及 9f 至 9h 所表示。
計 劃 成 果 自 評
本計劃支出經費為 148 萬元。完成工作項目包括台灣南部的孕震帶研究及三維 P-S 波分離的資料處理技術發展。活斷層探測方面計完成約 4 公里長的測線，震測資料品質 雖然不是很好，但仍可以用來解釋活斷層，及完成活斷層分佈之推測。在三維 P-S 波分 離方面，技術已發展成功並完成合成資料之測試，已投稿至全球最大的地球物理探勘期 刊 Geophysics，初審意見極其正面，預料不久即可被接受。由於這是全球第一次成功地 分離三維 P-S 波，預料將對未來探勘技術產生深遠影響。對於這二項研究成果，主持人 甚為滿意。
參 考 文 獻
Sun R. 1999. Separating P- and S-waves in a prestack 2-dimensioanl elastic seismogram. 61th EAGE meeting, Helsinki, Finland, Extended Abstracts, Paper 6-23.
圖 6. 三維坐標系的一個三維介質。距離單位是 km，括弧外數字表示 P 波速度，括弧內 表示 S 波速度（單位 km/s）。線 X 與 Y 在表面，分別平行為 X 與 Y 軸。S=震源。
圖 7. 三維合成彈性波資料，其中直達波和表面波已消去。在線 X 上看到的(a) x 分量，
(b) y 分量和(c) z 分量；在線 Y 上看到的(d) x 分量，(b) y 分量和(c) z 分量。P=反射 P 波；
圖 8. 三維均均彈性波模型。
圖 9. 分離後的 P 波和 S 波。在線 X 上看到的(a)散量(P 波)及旋量(S 波)的(b) x 分量，(c) y 分量和(d) z 分量；在 Y 線上看到的(e)散量及旋量(f) x 分量，(g) y 分量和(h) z 分量。
