專業 物理

地震學的光世代與花蓮米崙斷層深鑽計畫

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撰文者:黃信樺 副研究員、馬國鳳 特聘研究員
發文日期:2021-10-26
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  • 台灣位處年輕的弧陸碰撞造山帶,劇烈的板塊擠壓作用導致地下岩層的抬升與破裂,岩層的破裂錯動即產生我們所熟知的地震。地震的活動在時間與空間上都並非隨機無序的。在空間上,地震時常發生在地質構造相對脆弱的地方,例如常聽到的斷層構造 (如車籠埔斷層) 即是經年累月岩層破裂逐漸集中連接而成的斷層錯動面。在時間上,大地震發生後,會引發一連串後續的餘震活動,是由於斷層面錯動後的應力釋放及轉移與地下複雜構造連動的結果。例如才發生不久的2018年2月6日芮氏規模6.4的花蓮大地震,就是由未露地表的外海盲斷層構造 (圖一左Fault 1) 與陸上米崙斷層 (圖一左Fault 2) 連動觸發的結果,引發出一系列有感的地震活動,在主震的破裂過程中,由外海一路延伸至陸上米崙斷層,造成鄰近米崙斷層花蓮市內的統帥飯店及雲翠大樓傾倒等多處災情 (圖一右)。要想深入了解地震活動時空上連動的成因與機制,盡可能完整的偵測和分析地震特性與時空分佈,了解其可能衝擊,測繪其致震的斷層構造是至關重要的。然而,地震學家又是如何知道與收集地震資料的呢?答案就是—地震儀 (Seismograph)。

     
    fig1 (12)
     
    圖一、2018年2月6日花蓮地震的地震活動與災損分佈 (Lee et al., 2018)。(a)紅色與空心星號標示氣象局與即時地震矩系統定出的主震位置,斷層面解 (海灘球) 顯示為逆衝帶走滑的錯動。白色星號為1951年花蓮大地震的位置。圓點為餘震分佈。(b-e)為實地的災損照片。


    地球聽診器—地震儀

    十九世紀末地震儀的出現就像是地球的聽診器,可以記錄到世界上任何一區域大規模地震的活動,而二十世紀末精密地震儀的發展,及數位化的進展,任何人體所無法感知的細微振動,包括海浪、風、與河流所產生的訊號,還有地底下岩層錯動產生的地震訊號,皆可以最新數位科技的傳輸方式,使用者透過網路直接接收分析。但如同我們人吶喊的聲音會隨距離減弱終至遠方的人聽不見,地震所釋放的地震波能量也同樣地會隨距離而衰減。所以若能將地震儀佈放地離地震越近,就越有機會收到清晰可辨的訊號。因此,佈放多個且均勻分佈的地震測站網一直是提升地震觀測能力的主要方法。惟精密地震儀測站的選址與架設並不容易,所費也不低 (圖二左),特別如山區的架設更是困難重重,即使能抵達想架設的高山位置,資料的傳輸、穩定電力的來源與測站的維護也是個難題。在各國主要的永久地震觀測網中,測站間距多在十公里到數十公里不等。


     
    fig2 (11)
    圖二、地震測站網的近代發展歷程。由左至右為傳統永久測站、臨時密集陣列與新一代光纖地震儀的儀器外觀與佈設情形。數字標示相對應測站網平均而言的測站間距。(感謝中央研究院地球科學所林欽仁研究技師提供左圖) 



    在精密地震儀所設置的區域永久地震觀測網的架構之下,在地震紀錄器的發展中,2010年左右,造價低廉的地聲計 (Geophone) 紀錄品質有明顯的躍升,其便攜與容易佈放的特性,開啟密集地震陣列 (Dense seismic array) 的時代。這些密集地震陣列針對特定目標區域擺放數十至數百台以上的地聲計,測站間距可達公里等級 (圖二中)。將研究成果的解析度大幅提升,因此針對如油氣探勘、碳封存、地熱開發等大型項目提供重要的微震監測,除探勘選址的分析外,亦提供誘發地震監測等能源開發的風險評估資訊。許多密集陣列都被證實能偵測到過去傳統大區域測站網所偵測不到的訊號。其紀錄之密集分佈的地振動資料也讓我們對地震波傳遞的特性與應用推展到一個新的層次。如圖三為美國長灘市密集地震陣列的分佈與資料 (Lin et al., 2013)。長灘市的上千個密集地聲計,經交相關干涉計算後,得到以白色星號測站為中心向外擴散的高解析地震波波場,可直接反應與分析所在區域地下斷層構造分佈及其所造成的波場擾動。但在此發展之下,還不到十年,另一項儀器科技上的突破,帶來將遍佈我們日常生活週遭的光纖纜線變成地震儀的可能性 (圖二右)!

     
    fig3 (6)
    圖三、美國長灘市密集地震陣列的分佈與資料 (Lin et al., 2013)。(a)長攤市的位置與上千個密集設置的地聲計的分佈 (紅色圓點)。左圖紅色與右圖黑色實線為斷層的位置。(b)利用密集地震陣列做交相關干涉計算後得到以白色星號測站為中心向外擴散的地震波波場。紅色與藍色分別代表地震波向下與向上的振動幅度。



    光纖感測技術的原理與發展

    光纖是如何能被用來紀錄地震訊號的呢?其原理是在光纖纜線的一頭接上收發儀器,高速發射雷射脈衝光後,光纖中固有雜質會如同散射點般相互干涉並反射部分脈衝能量 (Backscattering) 回到儀器,透過量測這些反射訊號的強度或相位,便能換算出哪一段的光纖纜線受到外在因子如溫度、壓力與磁場等的擾動 (圖四a),泛稱光纖感測技術。其反射訊號可分為拉曼 (Raman)、布里淵 (Brillouin) 與雷利 (Rayleigh) 散射三種。各自有各自的頻段特性與對外在因子不同的敏感度。例如拉曼和布里淵反射訊號就多被用來量測光纖纜線上所受到的形變 (Static strain) 與溫度變化。而雷利反射訊號則主要是用來量測光纖纜線上的動態形變 (Dynamic strain) —即某段纜線在短時間內的伸張或壓縮量。由於當地震波通過時的振動會對光纖纜線造成局部拉張或壓縮的效果,因此光纖所記錄之動態形變量便可轉換成地震波振動的訊號。由於此技術能得到整條光纖沿線上每公尺到十公尺的變化,因此也稱作分散式光纖感測技術 (Distributed Fiber-Optics Sensing, DFOS)。針對動態形變的量測頻段可達千赫茲 (kHz) 的人類聽覺頻段,所以又稱作分散式聲波感測技術 (Distributed Acoustic Sensing, DAS)。相較於前述地震測站網與密集地震陣列至少公里級的間距,光纖感測技術所提供的公尺級量測能力完全是另一個數量級的觀測資料。


     
    fig4 (8)
     
    圖四、光纖感測技術原理說明 (Zhan, 2019)。(a)發射儀器 (黑色盒子) 與雷射脈衝 (紅色波包) 在光纖纜線 (黑色曲線) 中傳播並與固有散射點 (白色圓點) 干涉反射的示意圖。(b-e)相位訊號擷取的過程。擷取兩次反射訊號有差異之時窗(b-c)進行頻率域的相位計算(d),斜率及代表相位兩次訊號的相位差。

     

    利用光纖纜線進行觀測的工作其實早在1970年代就已經展開 (Hartog, 2017; Fernández-Ruiz et al., 2020)。但早期的光纖感測是量測反射訊號的強度,準確度相對較低,因而限制了它的應用。隨著量測技術的發展與油氣探勘業需對鑽井過程進行高精度監測的需求,約莫在2000年初期,利用量測反射訊號的相位與頻率變化等技術問世,大幅提高了光纖感測的精準度 (圖四b-e),在業界得到廣泛的應用與成功,但一直到2013年,光纖感測技術才慢慢進入地球科學的研究領域 (Daley et al., 2013)。科學家開始測試光纖對微地動訊號的靈敏度與可行性,直到2015年由柏克萊大學與史丹佛大學團隊分別在阿拉斯加的費爾班克斯 (Fairbanks) 與加州的里奇蒙 (Richmond) 試驗場淺埋光纖纜線,以及使用史丹佛大學校區建物內既有光纖網路的三地聯合試驗 (Lindsey et al., 2017),展示了光纖所記錄到的地震波訊號可以達到與一般寬頻地震儀紀錄相近的訊號品質 (圖五)。地震學界開始認識到以光纖作為地震儀的潛力,正式拉開了光世代地震學的序幕。
     
    fig5 (9)
    圖五、利用光纖感測技術所記錄的地震波訊號 (Lindsey et al., 2017)。(a)的縱軸為光纖纜線離發射器的距離,紅、藍色背景代表密集的連續振動紀錄,對每數公尺做疊加後的波形如黑色實線所示,可以看到清楚的P波和S波的訊號。(b)光纖紀錄之地震訊號 (紅色實線) 與擺放在同一個位置的地震寬頻測站的紀錄 (灰色實線) 之比較。上、中、下分別為縱向、切向與垂直向的不同分量,由於光纖是水平佈放,對垂直向的振動不敏感,但在縱向與切向的紀錄中與寬頻地震儀紀錄有很高的相似度。



    光世代地震學的應用與挑戰

    挾其公尺級極高解析度的優勢,光纖地震儀 (亦即分散式聲波感測技術,DAS) 正在數個領域帶來突破性的推展與期待 (Zhan, 2019; Fernández-Ruiz et al., 2020)。第一個較為顯而易見的領域是在地震監測方面。雖然以低價位地聲計佈設密集地震陣列的風潮正盛,但地聲計陣列無法長時間運行。受限於電池與記憶體容量,每次佈放到回收時間最長就一個月。若想連續觀測需耗費大量的人力物力進行反覆的陣列佈設。而光纖地震儀理論上只要一端點的雷射脈衝發射儀器能持續接著電源,就能持續不斷的進行監測。而且連續且密集的波形紀錄也能幫助提高傳統地震儀可能難以辨識的微震訊號的偵測能力 (Li and Zhan, 2018)。另外值得一提的是,有別於傳統地震儀的時間是以個體內建時鐘與GPS校時,難保總有幾個儀器出現GPS問題與時間偏移的情形;整條光纖地震儀的時間是完全由發射端儀器所控制,自動達到完全同步的效果,這在非常仰賴時間資訊的地震定位與走時層析成像 (Seismic tomography) 等研究是十分重要的優點。


    第二個值得期待的領域是高解析的淺層地下構造探勘,如同傳統的主動震源 (Active source) 震測剖面利用連續密集的線性陣列來進行地下數百公尺到數公里的地下構造勘探,本身就是公尺級密集觀測陣列的光纖纜線可以作為震測剖面的工具使用,高解析的淺層構造成像對於了解地震波的放大效應與地震減災是非常重要的工作。而其可持續觀測的特性,更能進行時變的地下構造探測,尤其適合近地表地下水系統、地熱開採或碳封存等需要高解析時變監測資訊的研究 (Dou et al., 2017; Lellouch et al., 2021)。


    第三個則是在極端環境的地球科學研究領域,比如冰川、洋底、甚或外行星。因為這些極端環境下的儀器維護非常不易。比起維護數十到數百個單點的地震儀 (或地聲計),光纖地震儀需要維護的儀器只有一個,就是發射端的雷射脈衝儀器。只要能在相對較不嚴苛的地方架設一個機房或機台提供保護與電源,就能將數十公里放在機房外的光纖纜線變成地震儀。更重要的是,精密設計的地震儀在極端溫度與壓力下可能會面臨失準或故障等問題,光纖纜線作為簡單穩定的被動傳輸材質,擁有較能抵抗嚴酷外在環境、較不受電磁場干擾、以及不容易故障等優點。在冰島與阿爾卑斯山冰河的光纖試驗 (Jousset et al., 2018; Walter et al., 2020) 就成功的證實了光纖地震儀的優點與可行性(圖六)。


    光纖的其他應用與想像正迅速地在探索與發展,地震學的光世代已經儼然在各地展開。而台灣在這波浪潮裡,已經準備好起飛航行了嗎!


     
    fig6 (5)
    圖六、阿爾卑斯山冰河光纖試驗 (Walter et al., 2020)。(a) 為佈放在冰河上之光纖所紀錄之密集連續地波形資料。深藍、淺藍與橘色垂直線段標示了相對應呈三角形分布 (b中的深藍、淺藍與橘色線段) 的三段光纖紀錄。(b)光線纜線的三角形幾何與冰河地形的三維分佈。(c)利用光纖資料所偵測與推論的冰河底部滑動訊號 (黃色星號),又稱作冰震 (Icequake) 訊號。

     

    2018年花蓮大地震與花蓮米崙斷層深鑽計畫

    2018年的2月6日,花蓮市外海發生了芮氏規模6.4的花蓮地震,引發米崙斷層錯動,強烈的地動搖晃造成花蓮市內統帥飯店及雲翠大樓的傾倒與多處的災損。而就在六十七年前,更大規模的1951年花蓮台東地震序列 (規模7.1),也曾經在米崙斷層造成類似的錯動。相似的歷史重演暗示米崙斷層的地底下與附近的斷層構造有一定程度的連動性,尤其此處往北鄰近具有高潛勢大規模地震的隱沒帶板塊邊界,往南接續花東縱谷斷層系統(圖七)。惟有深入了解此區的斷層構造幾何與孕震行為,才能在下次災害性地震再次來臨時做好準備。尤其米崙斷層更是極少數在現代地震學觀測的百年歷史中重複破裂的斷層 (致災斷層錯動週期多數長於百年),深具科學探索的意義。

     
    fig7 (3)

    圖七、花蓮地區地質構造模型 (Yen et al., 2018)。紫色塊體為向北隱沒的菲律賓海板塊,剖面為花蓮市南、北的兩個構造剖面。紅色實線為計畫研究之米崙斷層,黑色實線為其他區域斷層構造。彩色圓點與背景分別為地震分佈與震波速度模型。天藍色倒三角形則標示了米崙斷層深鑽計畫的井址。


    為瞭解米崙斷層孕震行為與可能的前兆活動,中央研究院關鍵突破計畫—花蓮米崙斷層科學鑽探計畫因此應運而生。規劃於花蓮米崙台地西北緣,米崙斷層的兩側鑽兩口700公尺及500公尺的深井 (圖八a、b)。透過前期精細的震測剖面成像分析,預計700公尺的深井將有機會穿過米崙斷層。除分析鑽取之斷層帶岩心性質外,也將首度引進光纖感測技術,將光纖佈設於井中,進行井下的地振動與溫度監測 (圖八c)。同時也配合傳統的地面和井下地震儀,形成跨斷層的三維地震測站網,進一步提升地震定位與構造成像的能力。以此近距離、高精度地震偵測與米崙斷層 (與鄰近連動構造) 的地下岩石性質分析,了解微震活動、地震總能、斷震幾何形貌,探討斷層的動力學機制,並提出防災對策。


    雖然光纖感測技術在2000年初期開始就被應用在井下的油氣與地熱探勘中,花蓮米崙斷層科學鑽探計畫將是世界上第一個以科學研究為導向將光纖纜線穿過斷層帶的觀測計畫 (圖八b)。光纖的觀測預計於2021年底開始運行,屆時的紀錄將會提供台灣甚至全世界了解孕震構造及斷層動力機制的關鍵科學數據。


     
    fig8 (4)
    圖八、花蓮米崙斷層深鑽計畫。(a)結合地表、井下地震儀與光纖地震儀的三維跨斷層地震測站網分佈。(b)鑽井現場照片。(c)前期高精度震測剖面成像分析。黑色實線代表兩口鑽井的井管與光纖纜線的位置。彩色虛線為推測之米崙與鄰近斷層的位態。橘色結點為傳統井下地震儀的預定安裝深度。(感謝中央大學地球科學系林彥宇教授提供圖a與b;王乾盈特聘教授提供圖c的研究成果)


    在前景看好的同時,DAS同時也面臨著幾項限制與挑戰。第一個是DAS量測的是平行光纖纜線的振動 (應變伸縮量),對從側向來的振動較不敏感。但已有研究正在嘗試將光纖以螺旋前進的方式包覆在纜線內來增加對側向振動的敏感度 (Hornman, 2017)。第二個則是巨大的資料產出。由於DAS的發展始於油氣業探勘,需要高採樣率的高精度監測。所以現行DAS的標準資料採樣率是1000 赫茲 (每秒紀錄1000個點),比之一般地震儀的100赫茲大上一個數量級,加上原本就大上一個數量級的公尺級觀測,導致即時紀錄的資料量非常的龐大 (可能一天可達數TB)。不過近年Amazon、Goolge等網路巨擘推出的雲端儲存服務也許能成為一種解方。處理或壓縮大量資料的即時演算法與策略相信很快就會陸續出現。每項新技術的成熟總是伴隨著不確定性與挑戰。而花蓮米崙斷層科學鑽探計畫的推動已經準備好要帶領我們進入用光纖探測地下世界的未知與無限想像!

    參考文獻
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    13. Zhan, Z. (2019). Distributed Acoustic Sensing Turns Fiber-Optic Cables into Sensitive Seismic Antennas, Seism. Res. Lett., 91(1), 1-15.

    作者:黃信樺 副研究員(中研院地球科學研究所)
    馬國鳳 特聘研究員(中研院地球科學研究所/中央大學地球科學系)

     
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