第三章 儀器與測區地質環境介紹
3-1 儀器簡介（GEM SYSTEM Inc 2001 、鄭軒儒， 2004）
GEM-19 磁 力 儀 / 磁 力 梯 度 儀 是 加 拿 大 公 司 所 出 產 的 GEM SYSTEM 系列，可以手持或固定測站方式進行操作並可運用在不同 的領域當中如地球物理探測、環境或考古調查、長時間對觀察環境及 火山或地震等。GEM-19 是屬於第二代標準磁力儀在操作溫度範圍內 有 0.01nt 的解析度（resolution）以及 0.2nT 的絕對精度（absolute
accuracy） ，對量測到資料有大容量的儲存空間（2Mb~32Mb）且同時 可自動完成修正磁力值的日變化（diurnal variation）。
GEM-19 磁力儀與傳統磁力儀不同之處在於儀器中的液體添加 自由基（free radical） ，此自由基讓質子偶極的電子建結失去效用變成 不成對電子（non-paired）使得電子與質子之間生成雙旋系統（two-spin
system）且同時以強大的 RF（radio frequency）磁場來擾動該雙旋系
統。電子本身強極化的結果讓氫原子產生很強的進動信號，讓量測磁
場時具有很高的敏感度，此稱為 Overhauser effect 感應功能。
在充滿自由基電子的反應線中，液體中的質子極化作用大大增 加（Dobrin et.al，1998） ，Overhauser effect 感應功能提供了比以往 DC
polarization 更有效的方式產生 RF 信號使得儀器更省電及有最小壓抑 雜信的效果。
GEM-19 磁場感應器在電子設計以及量子磁測化學部分有顯著 的改進：電子方面從組裝方式包括兩次的將線圈連接近連續的相對場
（opposition）到制止遠場的電子干擾，如環境雜訊等。在化學方面，
感應器內含有氫的溶液並加入帶有自由電子的自由基到該液體中，這 是為了讓 RF 極化下增加信號強度。從外觀看，GEM-19 儀器外型小、
重量輕、有 Overhause 偵測系統與特殊液體且儀器大部分皆由不具磁 性的材料所製成，這些有助於操作時有最大的 S/N 值。在儀器的方向 誤差（heading error）也降到最低以確保不會有因感應器方向不同而 造成讀數的變化，例如：鍶光泵型磁力儀的方向誤差可達 2nT。
GEM-19 磁力儀的公差（tolerance）是透過內部的信號統計演算、
感應器的設計以及 Overhauser effect 來保持。Overhauser effect 產生
高震幅與長時間的信號有利於測到高的梯度值，GEM-19 系統的梯度
公差達 10000 nT/meter 這有助於野外考古上的應用與高磁性物質的
勘查。在採樣頻率上，極化作用與量測信號動作同時進行增加了採樣
速度並能得到更精確的空間解析度。
GEM-19 儀器有三種採樣頻率模式：
一、標轉模式（standard），3 sencond/reading。
二、移動模式（walking），0.5 sencond/reading。
三、快速模式（fast），3 sencond/reading。
GEM-19 儀器對於磁場量測處理有如下程序：
一、極化（polarization） ：RF 電流通過充滿質子液體的感應器以 產生極化值，儀器同步採樣最大採樣頻率可達 5Hz。
二、偏折（deflection）：短時脈衝偏折使得質子磁場的進入進動 平面。
三、暫停（pause） ：暫停的動作使得電子過渡到停止的狀態，剩 下慢速度衰減的質子進動訊號。
四、計數（counting） ：量測質子進動的頻率並且將之轉換到磁場 的單位。
五、儲存（storage） ：所量測的結果會存在記憶體中，包括日期、
時間、座標與量測值，但是基站模式（base station mode）只有紀錄
時間以及總量值。
3-2 測區環境簡介
3-2-1 峨眉地理交通位置
圖 3-1 測區電子地圖
圖 3-1 中圖釘的位置極為本研究之測區，圖中黃色路線為省道 3
號，由台北出發至測區交通路線：上北二高往南走，到竹林交流道往
芎林方向接東西快速公路在轉接 3 號省道。
3-2-2 峨眉地質環境簡介
峨眉地區的地質圖(圖 3-2)顯示該區有一部份位落在卓蘭層與錦 水頁岩層中。本研究所探討的地點，全區露頭為一座單斜山壁，其岩 層特性為砂頁岩互層為主(圖 3-3)。頁岩中有鉛筆狀構造顯示頁岩有 輕微變質的狀況（圖 3-7、3-13、3-18） ，頁岩中夾含了粉砂岩（圖 3-17） ， 粉砂岩的分佈位置不定，有時消失，有時出現，甚至延伸到後來變為 厚砂薄頁岩互層，然後再變為粉砂岩（圖 3-3） 。根據以上這些特性，
本研究區域的岩層特性與卓蘭層極為相近。
卓蘭層：標準地點在苗栗縣南部的卓蘭鎮，由烏居敬造（1935）
命名的地層， 其平均厚度為二千公尺左右，由砂岩、粉砂岩、泥岩、
和頁岩的互層組成。由於砂岩和頁岩的抗蝕力不等，所以在互層出露 區域常形成單面山（cuesta）或猪背嶺（hogback ridge）的地形，成 為本地層一個重要特徵。
錦水頁岩層：標準露頭為在苗栗錦水，其命名最早為安藤昌三
郎 (1930) 在苗栗油田地質研究報告中提出來的。由於它的特殊岩性
和化石群，這一個頁岩單位可以作為臺灣西部地層對比上的重要指準
層，本層向上向下分別和卓蘭層及桂竹林層整合接觸。。
地層圖例說明
圖 3-2 峨眉地區地質圖
圖 3-3 測區全貌
圖 3-4 測區前的湖
3-3 測區地層岩性與測線分佈
3-3-1 第一測區測線分佈與岩性概況
圖 3-5 可簡略意示本研究在此區佈線的狀況，測區長為二十一公 尺、寬為五公尺，每 0.5 公尺為一個測點，全區共有 10×42 個測點（420 個） 。圖 3-5 中除了可以明顯的看出地層的層面，如圖中實線所表示；
也可看見砂頁岩在層面交界附近的位置似乎也有些變質(圖 3-7、
3-13)，本研究根據這些特性將其劃分為一個界面，如圖 3-5 中虛線所 表示的。
本區依岩牆及崖壁岩性狀況共分出的 2 個界面、3 個地層層面，
並且針對每一層做磁感率的測量（表 3-1）。大體上來說 1 號層與 2 號層在岩性都屬頁岩，但因 2 號層似乎有變質的狀況以致在外觀上看 起來與 1 號層不太一樣所以將兩者細分出來。從圖 3-3 來看 5 號層與
4 號層應該是屬於同一層，但在此區卻出現不同的岩性，因此也將其 劃分開來；而 0、3 號層，7、8 號層，9、10 號層與 1、2 號層的狀況 一樣因於岩性看似有些輕微的不同所以給於劃分開來。11 號層屬頁 岩層中所夾帶的粉砂岩層。表 3-1 為各號層所量測到的磁感率。
表 3-1
層號 1 2 0 3 4 5 6 7 8 9 10 11 岩性 頁岩 頁岩 砂岩 砂岩 頁岩 砂頁
互層 砂岩 頁岩 頁岩 砂岩 砂岩 粉砂 岩 磁感率
SI 17.3 14.4 9.8 10.4 17 7.9
(砂)12.3
(頁)9.8 14.3 12.3 5.4 9.2 15.7
第 一 測 區
N 4 0 E
頁 岩
砂 頁 岩
砂 岩
頁
頁 岩
岩 頁
岩
砂 岩
砂 岩
岩 壁
崖 壁
9 10 11
7 8
6
2 3 4 5
0 1
圖 3-5 第一測區岩層分佈示意圖
中間的圖為第一測區示意圖，上下照片各是測區的岩壁與崖壁岩層分佈狀況 示意圖中的虛線為猜測層界面的走向位置，紅色為界面，黑色為層面。
箭頭對照出示意圖與照片地層的位置。
照片中的虛線則表示從同樣岩性的地層中細分出細微岩性不同的界面。
照片中實線代表實際的層面。
圖 3-6 第一測區佈線台階
3
2
1
圖 3-7 頁岩與砂岩的層面以及頁岩層中的 1 號層與 2 號層
紅色數字表示分層編號，可對照圖 3-5。照片中的虛線則表示從同樣岩性的地層 中細分出細微岩性不同的界面，實線代表實際的界面。
4
1
2
0 3
圖 3-8 砂頁岩交界層面
5
4
3
圖 3-9 3 號層、4 號層與 5 號層的層面
圖 3-10 5 號層的厚砂薄頁岩互層 紅色圓形內可看到 5 號層的厚砂薄頁岩互層分佈的狀況
4
5
7 9
8
圖 3-11 7 號層、8 號層與 9 號層的層面
圖 3-12 9 號層的砂岩
89
8
9 10
圖 3-13 8 號層、9 號層與 10 號層的層面
3-3-2 第二測區測線分佈與岩性概況
圖 3-14 中的示意圖可簡略表示此區的佈線狀況，測區長為十九 公尺、寬為四公尺，每 0.5 公尺為一個測點，全區共有 8×38 個測點
（304 個）。在頁岩的地層中時會出現所謂的鉛筆狀構造（圖 3-18），
即可說明這裡的頁岩有輕度變質的狀況，尤其是接近地層交界的位 置，鉛筆構造愈是明顯。圖 3-14 依本區岩牆及崖牆岩性狀況共分出 的 1 界面、3 個層面，並且針對每一層做磁感率的測量。表 3-2 為各 號層所量測到的磁感率。
表 3-2
層號 12 13 14 15 16 17 18 19 岩性 頁岩 砂岩 砂岩 頁岩 粉砂
岩 頁岩 砂岩 頁岩 磁感率
SI 22.5 9.8 6.2 14.8 16.3 23.9 6.3 *
N 5 3 E
砂
砂 岩
頁 互 層
岩
第 二 測 區
砂 岩
砂 岩
頁 岩 砂
岩 粉
砂 岩
岩牆
19
5 6 4
17 16 18
15
12
13 14
2 0 3
1
崖壁
圖 3-14 第二測區岩層分佈狀況
中間的圖為第一測區示意圖，上下照片各是測區岩壁與崖壁岩層分佈狀況 示意圖中的虛線為猜測層界面的走向位置，紅色為界面，黑色為層面。
箭頭對照示意圖與照片地層的位置。
照片中的虛線則表示從同樣岩性的地層中細分出細微岩性不同的界面。
照片中實線代表實際的層面。
13 14 12 17
15 16
圖 3-15 第二測區佈線台階
紅色數字表示分層編號，可對照圖 3-14。照片中的虛線則表示從同樣岩性的地層 中細分出細微岩性不同的界面。
照片中實線代表實際的界面。
12
14 13
圖 3-16 12 號層與 13 號層的層面
18
16 17
15
