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海洋地質地物

海洋地質災害長期觀測

建立由淺至深地殼全斷面測繪技術,為台灣周邊海洋地質災害”診斷”與”切片” 如同偵測人體病兆的斷層掃描一般,海洋地球物理探測技術就像對地球拍一張透視影像。科學家們除了利用拍攝影像研究地球的演化歷史外,更可知道哪裡有異常,如:海底地層的不穩定、地震災害、海底山崩的歷史、礦藏或化石能源分布等。但由於地球範圍廣大,科學家們針對同一區域的問題可能有不同見解,此時就得借助鑽探採樣,驗證地球物理探勘的正確性。因此,海洋中心將佈建海底地震儀觀測網、長支距震測系統與長岩心探採暨分析技術為三大”診斷”與”切片”工具,建立由淺至深全斷面地殼測繪與分析能力,針對台灣周邊潛在地質災害區域進行探勘,搭配海床及近海床測繪,共同分析地質災害的時空分布,未來建立地質災害圖譜以供海域防災減災施政參考。

海洋岩心庫

國家級海洋岩心庫 國家級海洋岩心庫

海洋岩心庫暨實驗室(Marine Core Repository and Laboratory, MCRL)的前身為國科會海科中心基隆分部岩心庫實驗室,於西元2009年納入財團法人國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心(Taiwan Ocean Research Institute, TORI),參與整體服務運作,擔負起建立國內海洋樣本實體庫、岩心研究專門設施與技術實驗室、並參與海洋調查計畫等任務。 海洋地質與海洋地球物理為我 國海洋科學研究之重要領域之一,利用海洋研究船於台灣鄰近海域海域所探取的岩心為研究我國鄰近海域與其它大洋沉積學、微體古生物學、古海洋學、岩石學、地球化學、海洋地球物理學、古地磁學和物理性質的基礎材料。為使我國海洋學者於參與國際合作或國內各項計畫所探取之岩心,分析後所得之資料能夠受到有系統之維護與管理,同時並能為駐岸研究者建立便利之相關研究環境,成立並維持一國家級之海洋岩心庫實驗室與海洋岩心資料庫實屬必要。


收編海洋岩心

海洋岩心庫長期收編國內海洋研究船與國內學者參與國際合作計畫航次極具研究價值的岩心記錄。岩心遍及西太平洋海域,南至新幾內亞邊緣海、班達海、菲律賓海、南海、台灣海峽、東海、日本外海、最北至鄂霍次克海。

收編海洋岩心

海洋岩心探採設備

表層至深層海洋沉積物採樣設備,這包括表層沉積物抓泥器、小型箱型岩心採樣器、 小型重力/活塞岩心採樣器、 巨型活塞岩心採樣器等。

海洋岩心探採設備

岩心基本分析設備儀器

海洋岩心基本分析:海洋岩心物理性質量測(如波速、孔隙率、密度、磁學參數等)、岩心沉積學與岩心描述(如岩性、顏色、顆粒粒徑、礦物成分、海洋微體化石、沉積構造等)、岩心表面反射色測量與數位影像。

岩心基本分析設備儀器

水下探測

水下探測技術簡介

在淺水海域(水深40公尺以內)進行水下搜索時,通常最直接的方式就是派遣具技術專業潛水能力之潛水員進行肉眼搜索。利用潛水員進行水下搜索時,首要條件為水下目標物位置已精確定位且為極小範圍搜索,同時潛水作業必須在海況符合人員潛水安全條件下才能執行。然而茫茫大海無從開始,海況險惡隨時危及潛水員性命。超過40公尺以上的海域則不適合潛水作業,危險且容易致使潛水人員罹患減壓症(俗稱潛水夫病)。

聲學水下探測儀器有多音束聲納(Multi-Beam Echo Sounder, MBES)、側掃聲納(Side-Scan Sonar, SSS)與底質剖面儀(Sub-Bottom Profiler, SBP)等,其應用因聲波頻率與發射能量的不同有所差異。多音束聲納應用於大範圍與三維海床測繪,拖曳式側掃聲納則快速測繪水下目標物。底質剖面儀則探測較淺層的海床地層,製作地層影像圖。拖曳式水下探測儀器如側掃聲納或底質剖面儀搭配超短基線(Ultra-Short Base-Line, USBL)水下定位器,可獲得儀器與工作船的相對位置,提高水下探測儀器的定位精確度。

海床上的岩盤或沉積物大多是非磁性物質,水下目標物依其磁性區分為磁性或非磁性物質,如古代沈船多為非磁性木造物質,而近代沈船(如二戰軍艦)或落海機具大多為鋼鐵磁性物質。磁力儀(Magnetometer, MAG)的功能即是用來調查海床底質結構或水下目標物所造成的磁力異常,並繪出磁場等值線圖做為分析。等值線圖有較密的等值線之處,可解析成磁力異常集中處。

水下探測技術應用範圍廣範,在社會公益面,可支援海洋國家永續發展政策以及機具落海協尋;在科學研究面,如海床地形地貌調查以及長期海洋科學與海域監測研究等;在產業應用面,如離岸風力發電場址地形與海底管線調查,以及水下目標物探測等;在創新技術面,可支援海洋科技研發,發展水下探測載台以及快速水下探測技術等。

長支距

長支距震測

海洋中心所建置之長支距震測系統(簡稱本系統)屬於新一代地層震測探勘的利器,系統由三大主要單元所組成:1. 高壓空氣震源暨控制系統:貨櫃模組化內含兩組浮筒高壓空氣震源,由SERCEL G-Gun II 150立方英吋及250立方英吋容積,共16支空氣鎗所混合編成,系統可釋放最大總容積為3,200立方英吋,若利用減容塊調配鎗體容積以有效壓制震源氣泡效應,則最大總容積為2,300立方英吋;2. 導航控制與浮標追蹤系統:採用SERCEL導航系統及SEAMAP浮標追蹤系統以隨時監控震源、浮纜穩定器及尾端浮筒空間座標,另可使用導航驅動模式以等間距炸測,可輸出油工業標準的P1及P2格式之導航資料; 3. 資料蒐集與管理系統:採用SERCEL固態受波器浮纜,並以SERCEL Seal系統進行資料蒐集與品質控制。

海洋震測探勘原理示意圖。係利用空氣鎗產生震源,由受波器浮纜接收地層反射訊號以測繪地層結構。

海洋中心浮筒陣列式空氣鎗示意圖

實海測試

為驗證本系統於實海作業時之效能,再者由於系統組成元件眾多,整組系統至少需要300平方公尺以上之甲板淨空空間方可承載操作,在海五事件後,綜觀國內外研究船隻,皆無適合研究船隻可承載,因此團隊成員轉而評估折衷方案,最後決定租用海事工程無動力平台船承載設備,並以大馬力拖船拖曳平台在風浪小於四級的天候條件下,以五節上下速率拖曳,以達海洋震測施作的標準。花費三天將震測系統所有組件吊裝、定位、輔助器具製作、焊接定位、管路連接與系統測試後,實海測試 “READY TO GO” !

貨櫃吊裝與定位

震測系統需要進行各組件的岸邊基本連通測試(即harbor acceptance test),包括:空氣鎗陣列的電磁閥點擊測試(click test)、貨櫃式空壓機的啟動測試、浮纜(streamer)暨穩定器(bird)的訊號連通測試與RGPS訊號連通測試等工作後,方可出海。

40呎震源貨櫃、空氣鎗施放輔助設施、受波器浮纜絞車、受波器浮纜導輪(fairlead)與支架、油壓控制單元與震測系統控制貨櫃等平台船儀裝情形 平台船儀裝佈置完成圖

出港前,震測小組成員會同原廠技師與工作平台船工程人員及拖船船長,一同討論實海測試細節,敲定先全速航行至興達港外海50 – 100 公尺水深區域(約離岸8 - 9 海浬)後,船向轉為頂流或頂風方向,船速降為3節陸續下放浮筒陣列式空氣鎗與受波器浮纜,接著將船速提升為5節後,開始震測作業。另此次實海作業是國內首次使用工作平台船,為將作業的不確定性降至最低,我們採取白天作業傍晚進港方式。平台船上工作同仁以無線電與拖船船長聯絡,拖船船長亦以無線電與位於左右舷側兩艘距離工作平台船約一海浬的戒護船聯絡,確保無船隻或海洋生物闖入以維航行及作業安全。若有突發狀況,本系統具備緊急停炸功能(MOB;Man Over Board),可在左右舷側按下按扭即可完全停止空氣鎗炸測。

出港前的航前會議和拖船拖曳工作平台船出港 浮筒高壓空氣震源空氣鎗實海佈放情形。空氣鎗佈放後,將氣壓增加至2,000 psi後,於震測系統貨櫃控制室中以空氣鎗控制系統擊發空氣鎗 (右上角圖) 以怪手充當吊臂吊掛尾端浮筒入水 浮纜穩定器(bird)設定與安裝

實海測試資料蒐集成果

中上圖為炸點集合(Shot Gather)成果;右圖為近支距集合(Near Trace Gather)成果;左下圖為導航驅動模式畫面。值得注意的是,資料呈現並未進行任何後處理,肉眼即可清楚判斷海床、直達波與地層反射,雜訊干擾少。

在為期四天的實海測試中,早上出港夜間回港,我們分別成功下放回收兩串空氣鎗陣列進行炸測(總容積分別為1,260立方英吋與1,040立方英吋)、受波器浮纜與輔助纜線共佈放長約700公尺(12 波道)與兩組受波器浮纜穩定器。資料蒐集參數分別為:1. 導航觸發炸測模式,炸點間距12秒(約30 公尺),連續穩定炸測30分鐘共取得150個炸點資料。 2. 資料蒐集長度為6秒雙程走時(約6公里),分別測試1毫秒與2毫秒資料取樣率。震測資料經由SEAL 428系統蒐集後,彙集至資料QC系統進行即時展示及資料QC,其結果顯示,無論炸點集合或近支距集合展示畫面在未經過進一步震測資料處理情況下,就可清楚呈現海床、直達波與地層的反射訊號,氣泡效應與複反射能量不明顯,則表示不同容積混合編成的陣列式空氣鎗發揮功能,使得上述雜訊干擾不明顯。

總結而言,此次實海測試除成功驗證長支距多頻道震測系統功能外,也進一步開啟了台灣”看的更深與看的更準”的地質地物探勘時代的來臨,別具意義。海洋中心未來將配合研究船建置時程,驗證系統於不同地體構造單元的波傳特性,並逐步達成六公里受波器浮纜長支距探測的終極目標。