地球科學

台灣山根有多深?

台灣島底下的地殼長得什麼模樣?學者如何利用天然地震,並以炸藥製造人工地震,來調查我們腳下的地層?

撰文/李名揚

地球科學

台灣山根有多深?

台灣島底下的地殼長得什麼模樣?學者如何利用天然地震,並以炸藥製造人工地震,來調查我們腳下的地層?

撰文/李名揚

重點提要
■當造山運動發生時,地殼擠壓向上形成山脈,向下則形成山根。了解山根的分佈,可以探討台灣的地震形成與傳播方式。
■藉由測量天然地震以及製造人工地震以探測地底結構,發現台灣的山根非常深厚,而北台灣的造山運動已經結束、中台灣正在造山、南台灣未來才會造山。
■以海研船的空氣砲朝海底發射、製造地殼震動,可得知莫合面(Moho)分佈。掌握了隱沒帶的傾角,則可觀測台灣南邊的馬尼拉海溝以及東北邊的琉球海溝。



草有草根,樹有樹根,連山都有「山根」!由中央大學主導的兩項國際合作計畫發現,台灣島的面積雖小,但中央山脈底下卻有著非常深厚的山根,和北美洲西部綿延4500公里的洛磯山脈之山根接近,比橫跨歐洲多國的阿爾卑斯山之山根更深!



地球的內部構造由內至外分別是地核、地函及地殼,地核半徑約3500公里,地函厚度約2900公里,地殼分為陸地地殼及海洋地殼,陸地地殼平均厚度約30公里,海洋地殼則為5~10公里。當板塊擠壓產生造山運動時,地殼向上凸起形成山脈,地殼也同時會向下凸出,擠入下方的地函,這種比平常厚的地殼就是山根。台灣島是由於菲律賓海板塊擠壓歐亞大陸板塊、在600萬年前透過造山運動而突出海面,這樣的造山運動至今仍一直持續,造成台灣島上地震頻繁;若能深入了解台灣的地殼構造,掌握山根的結構,就可進一步探討台灣的地震形成與在地底傳播的情形。



透過地震了解地底世界



要了解地殼的構造,主要可從地殼的物質分佈著手。我們其實無法直接知道地底有哪些物質,但可以偵測地殼中的物質密度分佈情形,而不同密度即代表不同物質。方法是利用地震波在地殼中傳遞時,經過不同密度的物質後速度會發生改變,密度越高,波速越快;若我們在地表設置很多部地震儀,發生地震時,這些地震儀同時測量地震波傳到的時間、強度等各種參數,不但可以定出地震的震源,也可推算出震波從震源傳到不同地震儀的各別速度;累積測量許多次地震後,就可以繪出地底的詳細三維速度構造,也就是物質密度分佈情形。



歐美各國在1980年代大量進行這類研究,中國則在1990年代開始。台灣的中央大學地球科學院院長王乾盈經過長期規劃,在2004~2009年率領國際團隊執行「台灣大地動力學國際合作研究計畫」(TAiwan Integrated GEodynamic Research, TAIGER),充份利用這六年間在台灣測量到的3000多次地震,以及使用炸藥製造的10次人工地震,分析台灣的地底結構。



研究團隊首先在全台各地佈放2700多部地震儀,並在周邊海域佈放100多部海底地震儀;接下來的工作分為兩部份:測量天然地震以及製造人工地震。用地震波來探測地底結構時,能夠看透的深度與震波強度有關,而解析度則與震波頻率有關,越高頻的振動,解析度越高,即地底結構的細節可以看得越清楚,但高頻振動的地震衰減很快,在地底傳遞的距離較短。相較於天然地震,人工爆炸引發的地震威力較小,因此只能偵測出深度20公里之內的地殼結構,看不到深度超過30公里、地殼與地函交界的「莫合面」(Moho)。



研究團隊主要是偵測3000個發生在台灣附近的地震,以及500個遠從南太平洋、美洲、歐洲傳來的遠地地震。台灣附近的地震可解析出地底100公里內的地質結構,遠地地震甚至可解析地底300公里內的情形。

除此之外,為了能更清楚確認莫合面的位置,王乾盈又在2010~2013年執行了另一項國際合作計畫「跨越台灣海峽震測實驗」(Across Taiwan-Strait Explosion Experiment, ATSEE),在福建安排了與台灣不同距離的四處炸點,埋設炸藥引爆,透過觀測爆炸震波經由莫合面傳遞的折射波,進一步定位台灣地底莫合面的分佈。

團隊中的中央大學地球科學系助理教授郭陳澔解釋,在接近地表處製造的爆炸震波,若以較為傾斜的角度發散,會形成折射波,沿著莫合面傳遞一段較長距離後,再重新發散回地面。這種折射波必須距離爆炸處150公里左右才能偵測到,台灣島橫寬僅120公里,無法進行這種偵測;若在台灣南端或北端埋設炸藥,讓震波南北傳遞,又會因台灣的山脈構造太複雜,影響震波訊號品質。因此最好的方法是和中國合作,讓震波穿過台灣海峽,同時中國的地球科學家也可利用這些震波進行相關研究。

經由偵測天然地震及ATSEE計畫,研究團隊定出台灣地底的莫合面分佈,發現中央山脈底下的地殼厚達45公里,比陸地地殼的平均厚度多出15公里,顯示中央山脈確實有「山根」。郭陳澔表示,大型造山帶例如喜馬拉雅山,地殼厚度達80公里,南美洲的安第斯山也厚達70公里,可是洛磯山脈的地殼厚度才40幾公里,阿爾卑斯山更只有30幾公里。

以台灣這麼小的面積,這樣深厚的山根顯示這裡的造山運動非常激烈。這還可從另一項發現看出:台灣的山根並不在中央山脈最高聳的地方,而是往西邊偏了10幾公里。研究團隊認為這是因為板塊擠壓與造山的過程太激烈,撞出的山根才會是歪的。

此外,研究團隊還發現台灣各處的地殼厚度不一樣:桃園以北地區的地殼厚度為正常的30公里,沒有山根;中台灣的地殼厚度較厚,仍有山根,這顯示北台灣的造山運動已經結束,不像中台灣正在造山。地球科學學者認為台灣的造山運動是由北往南的漸進過程,南台灣未來才會造山,TAIGER計畫的研究結果正可以提供佐證。

除了測量天然地震找出山根深度外,想了解台灣島的詳細地底結構,主要依賴人工爆炸引發的地震。人工爆炸引起的地震雖然無法用來觀測莫合面,但卻有另一項優點,就是由於爆炸處接近地表,距離地震儀很近,可以測量到很完整的高頻振動,觀測到地底的細部結構。因此研究團隊當初規劃在台灣的北、中、南部各選擇五個點,在80公尺深處埋入700~1000公斤的炸藥後引爆,這些爆炸會造成規模2.0左右的地震,地震波往地底傳去,遇到莫合面時會反射,偵測反射波傳到地震儀的時間,即可算出台灣地底詳細結構。

不過實際上研究團隊於2008年3月引爆位於新竹縣竹東鎮的第10個點時,由於新竹地質比較特殊,產生的地震規模達到2.6,震波傳遞較遠,引起居民恐慌及新竹縣政府疑慮。因此最後五個位於中部地區的炸點並未繼續執行,但已足夠讓研究團隊描繪相當清楚的淺部地殼結構。

探測板塊隱沒處,海研船來助陣

除了分析台灣島地底的地殼構造,由於影響台灣的地震很多來自東部海床底下的隱沒帶,因此研究團隊也對台灣周邊海域的海洋地殼進行了澈底的分析。TAIGER計畫測量台灣島的地底結構,主要依賴地表密佈的2700多部地震儀,然而海底地震儀僅有100多部,分佈太過稀疏,因此必須依靠海研船來執行海上震測,同時擔任製造震波以及接收反射波的角色。

研究團隊使用美國的藍賽斯號(Marcus G. Langseth)海研船,每隔50公尺朝海底發射一次空氣砲,製造地殼震動;船後面拖著一條六公里長的纜線,上面佈滿偵測器,偵測從莫合面反射的震波訊號。這種空氣砲的威力和天然地震或在地表埋設炸藥不能相提並論,能偵測的深度很淺,大約只有10公里,但已足夠看穿整個海洋地殼而看到莫合面分佈情形;另一方面,由於空氣砲的每個發射密度處相距不遠,因此解析度非常高,可以把深度10公里之內的隱沒帶交界處看得清清楚楚,確實掌握隱沒帶的傾角,可用於觀測台灣南邊巴士海峽的馬尼拉海溝(參見上方〈窺探海溝面貌〉)以及東北邊的琉球海溝。至於隱沒帶更深處,則把海上震測資料和過去的地震震源資料交錯比對,可以校正過去的誤差而得到較為精確的結果。

除了台灣東部外海的隱沒帶之外,其實西部的台灣海峽也有許多斷層,只是過去缺乏相關研究與探測。根據記載,1604年福建泉州曾經發生規模7.5的大地震,是從廣東一直延伸到福建的「濱海斷層」錯動所造成。福建海邊現正有兩座核電廠、四部機組興建中,未來可能有10部,有了這次ATSEE的經驗,未來兩岸學術界可能會合作詳細探測這條斷層,了解其對核電廠的威脅程度。

除了陸地與海上震測及觀測天然地震外,TAIGER計畫還包括了大地電磁以及岩石物理,前兩者定出地底的地殼構造,搭配了解地底的電阻特性及岩石的物理性質,就可以模擬「地體動力學」,也就是了解造山的過程,以及地震波的傳遞情形。學者對台灣島的造山過程有興趣,但對民眾而言,了解地震波的傳遞特性更為實用,未來發生大地震時,只要中央氣象局定出地震的震源位置與規模,就可馬上模擬出全台各地震度,據此制定建築物防震標準,對保障民眾生命財產以及執行防救災作業都會有幫助。


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