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    透視臺灣變臉的大地,全球衛星定位系統

    透視臺灣變臉的大地,全球衛星定位系統
    余水倍 中央研究院地球科學研究所


    地殼變形的過程非常緩慢,短時間內的變形量極為微小,僅數毫米至數厘米。但藉最近發展的全球衛星定位系統(global positioning system, GPS)測量方法,可精確偵測斷層活動、大區域的地殼變形與板塊運動。當有大地震發生時,更可獲知震前、同震及震後變形,使我們對地震的震源機制、地殼應變的累積與能量釋放過程有更多的了解。

    全球衛星定位系統

    全球衛星定位系統乃美國國防部為對海上、陸地和空中設施,進行高精度導航與定位的軍事需求而建立的。該系統自一九七○年代初開始設計研發,歷經二十餘年,於一九九四年初布設完成,並維持正常營運。全球衛星定位系統由分布於 20,200 公里高空,六個軌道面的二十四顆衛星組成,另有三顆備用衛星亦同時在軌道上運行,以隨時替換發生故障的衛星。衛星運行週期為十一小時五十八分。因此,同一地點每天出現的衛星分布型態相同,只是每天提早約四分鐘。同時位於地平線之上的衛星數,隨時間和地點而異,最少四顆,最多可達十二顆。

    GPS 衛星使用L波段之兩種不同頻率的電磁波為載波,在載波上調制有測距電碼及其他訊息。每顆衛星裝有高精度的銣原子鐘及銫原子鐘,以提供精密的時間基準。

    全球衛星定位系統定位的基本觀測量,是測站接收天線至發射天線的距離。只要測得衛星信號的傳播時間和傳播速率,就可計算衛星至測站的距離,即︰距離 = 傳播速率 × 傳播時間。同時接收三顆以上全球衛星定位系統衛星信號,就可定出測點的三維座標。在定位及導航應用上,是將衛星的位置(即軌道)當做已知,據此推求測點位置。目前地面控制站預估,經由全球衛星定位系統衛星即時傳送的廣播星曆(即軌道資料)精度約 20 公尺。而國際全球衛星定位系統服務計畫,利用全球合作之大量地面監測站資料,延後計算而公布的精密星曆精度更可達 5 公分,使得地殼變形 GPS 觀測之軌道誤差幾乎可忽略不計。

    衛星的原子鐘及接收儀內部石英鐘都有某種程度的偏差,使得衛星信號傳播時間的量測隱含一些誤差。而全球衛星定位系統衛星信號的傳播路徑,會通過電離層和大氣層(或稱對流層),因折射現象導致傳播速率的改變,這些因素都會造成 GPS 定位誤差。在不同地點同時接收相同衛星群發出的信號,藉差分方式(信號相減)消除大部分的各種共同誤差,再經嚴謹的誤差修正與資料處理程序,可達毫米級的定位精度,故可應用於高精度需求之地殼變形測量。

    全球衛星定位系統衛星測量方法,可精確獲知測點的三維座標和測點之間的基線向量,具有全球性、全天候及連續性觀測的能力。只要測點透空度良好,無須測點間相互通視,較易根據研究目的而設計適當的觀測網形。因此,全球衛星定位系統衛星測量已取代傳統大地測量,而成為研究地殼變形與活動地質構造的利器。

    臺灣全球衛星定位系統測網與地殼運動速度場

    臺灣位於歐亞及菲律賓海兩大板塊交界處,由於板塊的隱沒與碰撞作用,臺灣地區地震活動頻繁,地殼變動劇烈。中央研究院地球科學研究所於一九八九年建立涵蓋臺灣全島及附近各主要離島的大型「臺灣全球衛星定位系統測網」 ,並自一九九○年起每年實施一次全網之高精度全球衛星定位系統測量。

    根據一九九二至一九九八年七次觀測資料,估算的臺灣現今地殼水平運動速度場如圖所示,箭頭代表各測點相對於澎湖的速度,箭頭末端為 95%可信度誤差橢圓。位於菲律賓海板塊上的綠島和蘭嶼以 8.2 公分/年之速率朝西北方的澎湖靠近,使得臺灣島的大部分地區受到不等的擠壓作用。此種地殼縮短現象在新竹以南的臺灣西部平原區及麓山帶都極為顯著,地殼縮短率在中部地區約 2 公分/年,至西南部地區更高達 4 公分/年。跨越臺東縱谷,有 3 公分/年的速度不連續,主要是因縱谷斷層的無震滑移所致。

    臺灣北部及宜蘭平原則因沖繩海槽的弧後伸張作用,呈輕微至顯著伸張變形。指示此區主要受張應力影響,與臺灣中、南部受大地壓應力的情形不同。一般而言,臺灣地區之地殼水平運動速度場分布型態與現今大地構造應力方向頗為一致。

    集集大地震之同震位移

    一九九九年九月二十一日凌晨發生規模 7.3 的集集大地震,造成長達 100 公里的地面斷裂,此斷裂帶大致沿著已知的車籠埔斷層線。斷層兩側瞬間數公尺的巨大錯移量,導致斷層沿線建築物的損毀、人命傷亡及地形地貌的改變。為了解集集大震後震央區附近的詳細地殼變動情形,地震發生後第二天,筆者與工作團隊立即展開震後全球衛星定位系統之測量。根據震前、震後兩次觀測結果比較,可獲知伴隨集集大地震的同震位移。

    初步分析內政部及中研院的全球衛星定位系統連續觀測網資料獲知,集集大震造成的同震地殼變形範圍廣大,包括苗栗以南、嘉義以北的地區,自西海岸至東海岸都有顯著位移。因此,筆者與工作團隊選擇遠離震央區已無顯著變動的金門為參考點,比較震前與震後兩次觀測結果,計算各測點相對於金門的同震位移量。觀測同震水平與垂直位移分布情形,以箭頭指示同震水平位移方向,長短則隨位移量大小而異;測點上、下方的粗線分別表示上升及下陷量。圖中亦標示本區的彰化、車籠埔及雙冬等活斷層,集集大震造成的地表破裂帶,則以粗黑曲線表示。後者雖大致沿著原先推測或已知的車籠埔斷層線,但原先推測者有些地方仍有某種程度的誤差。

    車籠埔斷層東側(上盤)的水平位移量達 1.1 ~ 9.1 公尺,呈西北至西北北方向,由南向北遞增;斷層西側(下盤)及豐原至東勢北側,則有 0.1 ~ 1.5 公尺朝東南至東南東方向的水平位移。鄰近斷層的上、下盤之間,有 1.2 ~ 4.4 公尺的垂直錯移量,東側抬升。上盤抬升量向東急遽減小,距斷層線約 15 公里以東的日月潭及埔里-霧社地區已轉為下陷。斷層下盤都呈下陷現象,最大者位於斷層線附近達 0.3 公尺。埔里的虎子山係原有臺灣地理座標的起算原點,經此次地震已有 2.3 公尺朝西北方的水平位移及 0.6 公尺的下陷量。

    集集大地震之震後變形

    集集大地震的地表同震位移量極大,餘震分布範圍廣闊。藉由震後變形觀測,可以得知震源區之地殼及上部地函的岩石性質、斷層面的摩擦特性,以及了解大地震後地殼應力如何調整。主震發生後迅速布設的臨時全球衛星定位系統連續觀測站,提供震後變形研究的最佳基本資料。分析震後兩百多天的連續觀測資料發現,在鄰近車籠埔斷層的測站震後變形型態與同震變形相似,斷層西側的測站仍然向東或東南東移動,斷層東側的測站則向西或西北西方向移動。同震變形較大的測站,震後變形反而較小;反之,同震變形較小的地方,震後變形則較大。例如,位於主震震央附近的鹿谷(I007)向西移動 16 公分,上升 14 公分,南北分量則不顯著。在下盤的測站各分量較無顯著變化,位於臺灣東部的固定站也有顯著的震後變形。

    為了解震後變形如何隨時間演變,連續站將繼續觀測,其他測點亦將在震後一、二年內實施較頻繁的重測,以了解整個震源區的震後變形特性。集集大地震後十五個月期間,中部地區全球衛星定位系統測點的震後位移分布情形顯示,在扣除長期地殼運動量後,車籠埔斷層以東的地區,仍有高達近 30 公分的位移量,遠大於震前每年 2 公分左右的速度。

    未來展望

    由「臺灣全球衛星定位系統測網」過去幾年的多次重複觀測資料,已能大致了解臺灣現今地殼運動型態與應變累積情形。然而,臺灣地區斷層密布,而該測網大部分測點間距為 10 ~ 30 公里,故仍難以獲知個別斷層的活動情形。若能進行鄰近各主要活斷層的密集全球衛星定位系統觀測,以估算現在的斷層滑移率,並與地質觀測的較長期間(數千年至數萬年)平均滑移率比較,即可據以評估個別斷層的地震潛勢。

    集集大地震後,行政院國家科學委員會積極推動「地震及活斷層研究」大型整合計畫,其中一項重要工作為結合中央氣象局與學術界的力量,建立一個密集的「臺灣全球衛星定位系統連續觀測網」。未來五年,在臺灣地區新設一百五十個全球衛星定位系統連續觀測站,以即時掌握地殼應變累積的時空變化。將有助於了解孕震機制,並可做為地震潛勢評估的依據。


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