地球物理学总论
2011-12-04 21:58:53   来源：   点击：

地球物理学是根据物理学原理，设计及使用仪器，观测固态地球诸多现象，从而探讨及了解地球内部。相较於地质学，地球物理学是较为年轻的科学，19世纪末因科技进步，制造出适用的仪器，地球物理学才开始蓬勃发展，并愈演愈盛。地球物理学主要发展出六大类：震、重、磁、电、热、地形变，即观测地球发出的震波、重力、地磁、地电、地热、大地变形，根据物理法则，推论相关的地球内部特性。

地球物理学有如下特徵：（一）地表观测：主要在地球表面进行观测，再推论地下深部的情况。（二）累积叠加：地球信号一般都很微弱，需利用多部仪器及多次观测（或长期观测），将信号累积叠加，予以强化。（三）逆推模拟：根据物理原理，从地表资料逆推地下构造，或建立模型计算地表应有之物理量，并与观测值比较。（四）现今现象：观测到的结果为现今之地球，但可建立模型，推论时间上可能之演化。（五）非唯一解：常有空间上非唯一解的问题，例如体积大、密度小的物体产生的重力场，与体积小、密度大者相同，需利用其他条件作为制约，以解决非唯一解的问题。

近代，藉着电脑科技之助，制造出精密耐用的仪器，且因价格降低得以大量设置，大量仪器收集到的大量资料亦经电脑处理，信号的解析度及品质因此大幅提升，使得地球物理学的发展一日千里，例如太空科技发挥「从高空测地球」，在短时间即可收集大范围的资料，新的现象或新的观点不断被发觉出来，复杂的地球内部也愈来愈清楚。

除了探测地球内部、求得新知外，地球物理学对人类最大的贡献在於能源探勘及天然灾害防治。利用地球物理探勘，人类才得以发现地下深处的油藏，造成近代文明的兴盛。地震、火山、海啸等天然灾害可以利用地球物理方法，加以了解，并使用仪器监测，进行防灾及减灾。

地球物理学与地质学相辅相成，二者虽以不同工具探测地球，但目的相同，都是探讨地球内部，资料可以互相沟通，建立从浅到深的地球资讯。在整体地球的架构上，地球物理学也与大气科学、海洋科学携手合作，成为探索地球不可或缺之一部分。近代统合成为「地球系统科学」，对地球四大圈及各圈之交互作用，提供重要的贡献，协助减缓或解决因人类过度使用地球资源，所引发的地球危机。

贰、地球物理学原理及方法

地球物理学主要有六大类：震波、重力、地磁、地电、地热及地形变，由名称可以知道其所根据的物理原理：

（一）震波：利用波动理论，尤其是弹性体力学及物理光学的部分，以波动方程式为基础，建构震波在地球内部传播的过程，量测的物理量是震波速度。依理论及实用分为地震学及震波测勘学。震波从震源出发，经过地球内部，到达测站被地震仪接收，因此，震源、震波传递及强震地动成为地震学三大部分。震波测勘学则利用震波反射信号成像原理，为地下构造摄影，测知其分布，从而获取所要的地下构造资讯，例如地下油藏。

（二）重力：利用万有引力定律建立位场理论，以波桑方程式为基础，探讨地球内部的质量分布，量测的物理量是密度。重力场是较为单纯的物理量，受环境变动影响较小，除了地面外，也可在空中及海上观测，因此重力观测比较便宜，可以获取大范围资料。近代重力仪器量测精度已可达10^-8 mgal，地表观测到的重力变化，可以提供地下构造分布极佳的地表制约，小至数公里深的断层构造，大至地函柱对流，都可以在重力场变化上表现出来，重力方法是经济有效的地球探测方法。

（三）地磁：利用磁感应公式建立位场理论，量测的物理量是地下物质的磁感率分布。以磁力仪测量各地的磁场变化，经去除地球磁场日变化及纬度的影响之後，如果仍有磁力异常，通常是由地下构造或岩石的磁感应不同所引起，一般沉积岩的磁感率远小於火成岩或变质岩，故磁力法常用以测定基盘面的起伏，或找寻火成侵入的情形，在磁或铁矿体的探勘上，也很有用。地磁测勘也可量取岩心的磁性及磁感方向，建立地磁反转剖面，经与地层年龄结合，建立地球磁场反转史，可作为定年的方法。

（四）地电：分为地电阻法及电磁波法，地电阻法利用欧姆定律来计算通电後的地下电场，电磁波法则利用天然闪电或地球电离层及磁层变动，产生的感应涡电流场的电磁波理论来计算电磁场，二者均探讨地下物质的电阻率，从而推论地下构造分布。地电阻法大量用於大地工程基础调查、地下水探查等，电磁波法则用於探测数十至数百公里深的地壳或上部地函构造，是板块构造研究极为重要的方法。

（五）地热：利用热传导公式，测量接近地表或钻井中不同深度的温度值，以估算热流密度或热源库强度。以热传导方式形成的热流密度，是热导率与温度梯度的乘积。热导率是度量热量通过物质难易程度的一种标准。地热温度测量是地热资源探勘的基本工作，岩石的热导率受其成分、孔隙率、温压等条件影响变化幅度不大，所以影响热流密度的原因，仍以地温梯度为主。全球平均的地表热流密度约为每平方公尺61毫瓦，但是地热异常区的地表热流密度常可高达每平方公尺数百毫瓦。

（六）地形变：利用大地测量方法，观察地壳变形，从而了解板块运动作用下地球内部的应力及应变分布。早期使用传统的大地测量方法，如三角测量，近代则利用GPS大地测量，接收人造卫星讯号，在测点连续观测地形变动。另外亦大量使用遥测，以航空器大范围收集地表变形资料。

参、台湾的地球物理学研究

台湾地震频繁，1900年代初期起，即使用近代地震仪器观测地震，有完整的地震研究史。其他地球物理研究则与油气探勘息息相关，1950年代，由於苗栗地区油气探勘成功，在中新世的打鹿层及木山层发现大量油气，台湾中油股份有限公司探勘研究迅速发展，尤其是震测、重力等方法。1957年，为弭平第二次世界大战後全球敌对的气氛，联合国发起「国际地球物理年」，全世界各国共同参与研究地球，宣示「全球都是一家人」的观念，台湾中华民国政府为响应此极具意义的活动，遂结合苗栗油气探勘，成立专责的地球物理研究所，开启台湾地球物理研究新页。

油气探勘所仰赖的反射震测法，在1960年代发展出CDP技术，以多波道多震源点方式，收集重复资料，经叠加後强化信号，并利用当时刚开发的电脑来处理大量资料，使得深部的构造清楚呈现，成功开发陆地最大的通霄-铁钻山油气田，奠定台湾油气探勘及开采的基础。油气探勘工作遍及台湾西部平原及部分西部麓山带，包括台北盆地及屏东平原，後来更扩大到台湾海峡，尤其是新竹外海及台南外海，建立起以「北港高区」为界的台湾西部变形前缘构造的基本架构。

重力仪器较为简单，在日治时期已有若干观测，油气积极探勘的时期，所有平原地区都有密集的重力图，协助大构造分布趋势之研究，对油气探勘帮助很大。山区的重力值则有赖中央研究院研究人员深入山区三角点量取，至1980年代始完成全岛的重力观测，揭示台湾重力曲线与山脉地形分布不一致的现象，对台湾造山运动研究投下重要的制约条件，引发一直到今日仍持续不断的台湾三维地体构造研究。磁力观测方面，常与重力同步实施，也有平原区的磁力分布图，若干海域曾实施空中磁测获取大范围的地磁资料，但台湾陆地尚未做过空中磁测。地磁反转的研究则在中央研究院有完整的发展。

四、台湾的地震研究

台湾地震很多，地震观测历史也开始得很早。台湾地区地震观测从20世纪初开始迄今，一百年时间内可分为四个时期。第一个时期为1897年至1944年之日治时期，主要跟随日本系统，将地震观测业务置於气象厅，并於全省各测候所内设置地震观测站，共16个，如今日之台北、台南、台中、高雄、台东、花莲、恒春、澎湖、阿里山、宜兰、新竹、成功、大武等气象站均是，这些气象站目前仍设有地震测站。日治时期使用之地震仪都为机械式，包括大森式地震仪及威赫式地震仪，这些仪器放大倍率很小，只有几十倍，至多一百倍，并以烟纸记录，这些宝贵的记录目前已制成微缩影片保存。此时期发生的最大地震为1935年新竹－台中烈震，灾区在台中县后里、神冈、清水及苗栗县的狮潭至三湾一带，共3276人死亡，是为台湾地区有史以来最为严重的一次地震灾害。该地震过後，有些测站的仪器更新为电磁式，并增设了新竹、宜兰两个观测站。

1945年至1972年为第二个时期，此时期为台湾地震观测低潮期，在设备上不但没有增加，反而由於日治时期所遗留下来的仪器逐渐损坏，地震观测近乎停摆。此时期仍时有灾害性地震发生，例如1964年白河地震，造成嘉义、白河、关子岭地区106人死亡。此段时期所幸有世界地震观测网（World-Wide Standardized Seismograph Network，简写WWSSN）前来阳明山鞍部设立ANP测站，聊备一格。此世界地震观测网除了观测地震外，亦有监测核爆之功能，属於冷战时期之产物。

白河地震发生後，政府监於台湾深受地震威胁，遂於1971年在国科会下成立地震专案小组（1982年改隶属於中央研究院，成立地球科学研究所），设立台湾遥记式地震观测网（Taiwan Telemetered Seismic Network，简写TTSN），开启台湾地震现代化观测的新里程。该网共有25个站，测站编号以TW开头，例如TWU为乌来。TTSN使用之仪器为美国Mark出产之L4C感应器或Kinematric之SS-1感应器。最初只有垂直分量，後来逐渐增加两个水平分量。感应器所侦得的信号经放大後，利用电话线或无线电波传回台北记录中心。TTSN由於仪器感应灵敏，且为中央收录，时间一致，可侦测许多小地震，平均每年可收录4,000个以上。由这些地震分布的位置及发震型态，台湾附近板块运动的形貌才逐渐明朗，给台湾造山运动理论注入新的活力与视野。1971年至1990年为TTSN时期，奠定台湾近代地震观测之基础。

中央气象局地震仪器於1981年开始更新，采用美国Teledyne公司的S-13三向量感应器，共17个站，最初为数字磁式带记录，後来才改为电话传输至台北本局地震中心。1986年花莲外海连续两个地震，造成台北市灾情，如中和华阳市场倒塌，加上此时期世界各地接连几次大地震，政府遂决心建立新一代的台湾地震监测网，除了改组气象局地震观测单位为中心，增加人力，并大幅增设地震观测站，新增的站都经挑选设於较安静的场址，至於原来设於都会区气象站内的测站，则将感应器埋入一百或两百公尺深的井底，提高侦测能力。气象局地震观测网後来增加到49个站，其中有8个站设於嘉义附近，用於侦测最危险的嘉南地震。1990年，气象局地震中心的组织及业务已渐趋完备，为统一全国地震观测及发布，中研院地球科学所所属的TTSN 25个站，遂移交气象局，合并成立74个测站之气象局地震观测网（Central Weather Bureau Seismic Network，简写CWBSN）。每一测站皆装有三分量之地震仪，资料并以数据专线传回台北中心站，经电脑自动化处理，将地震定位所花时间缩短至3分钟内，对全岛地震可迅速掌握。

新一代CWBSN扩建完成後，台湾地震观测开始步入现代化观测的时期，平均每年观测到的地震在1万个以上，将台湾岛在板块作用下所引发的地震行为，钜细靡遗的刻画出来。这套地震资料，定位误差最多3公里，而且大小地震都能收录，在震灾预防及学术研究上逐渐发挥功能。

1990年以後，除了CWBSN即时遥记式地震观测全面作业，严密监测全岛之地震外，为了收集都会区的强地动资料，了解地震在全台湾不同人口密集地区或不同结构物内之振动特性，以有效进行地震防灾准备，气象局地震中心亦积极推动台湾强地动观测计划（Taiwan Strong Motion Instrumentation Program，简写TSMIP），计划有两部分，一为设立600部自由场强震仪，另一为选择十几栋代表性建筑物（共400部强震仪，後来增加到五、六十栋），在其内密布仪器，收集结构物之振动资料。TSMIP已於1996年全部安装完成，收集的资料对全国地震防灾将发挥极大的功用。这项极具雄心的地震观测计划，亦建立了台湾地震研究，在全世界令人瞩目之地位。

气象局地震中心现代化地震观测网建立完成後，密布全岛的地震仪将发生於1999年，20世纪台湾最大的集集地震（九二一地震）之行为钜细靡遗的记录下来，获得人类有史以来观测最为详尽的一次灾害性地震之记录。更重要的是迅速将这批资料公诸於世，造成全世界一阵的1999年集集地震研究热潮。美国国会於地震後曾举办公听会，了解并称赞台湾在地震观测工作上之贡献。

伍、地球物理学展望

台湾位於环太平洋地震带，地震是台湾重大的天然灾害之一，地震研究是地球物理中最重要的课题。随着电脑科技的进步，地震观测将使用大量宽频仪器，进入山区或下到平原之深井中，收录钜细靡遗的大小地震活动，不仅监测地震，亦利用地震信号，探讨台湾复杂的地下构造，建立更为完整的造山运动模式，做为防灾或资源探勘使用。

除了深入地下，「以空测地」亦将成为地球物理研究之主流，利用太空探测科技，摄取地表精细的变化，并与大地动力理论结合，探讨深且广的地球现象，了解由小到大的各式地球变化，并应用到环境课题上，成为地球系统研究重要一环。

虽然化石能源问题重重，但人类数十年内仍无法摆脱对化石燃料的依赖，加大探勘设备及能量，发展四维探勘科技（含时间），开发偏远、更深、更复杂构造之油源，亦将是地球物理重要的任务。

中文关键字： 台湾地球物理发展史 , 台湾地震观测史 , 台湾重要地球物理

英文关键字Geophysical development in Taiwan , Seismology development in Taiwan , Taiwan's major geophysical researches

参考资料

1. Lowrie, W., 1997. Fundamentals of Geophysics. Cambridge University Press.
2. Stein, S. and M. Wysession, eds. 1985. Seismology, Earthquakes, and Earth Structure. Malden, MA: Blackwell.
3. Lay, T. and T. C. Wallace, eds. 1995. Modern Global Seismology. San Diego: Academic Press.
4. Shearer, P. M. 1999. Introduction to Seismology. Cambridge, New York: Cambridge University Press.
5. Bolt, B. A. 1993. Earthquakes. New York: W. H. Freeman.
6. 中央气象局。http://www.cwb.gov.tw。
7. U.S. Geological Survey. http://www.usgs.gov。
8. 3Japan Meteorological Agency. http://www.jma.go.jp。

延伸阅读

1. 徐明同。1979。《地震学》。「大学用书」。台北：黎明文化。
2. Aki, K. and Richards P. G., eds. 1980. Quantitative Seismology. San Francisco: W.H. Freeman.
3. Bullen, K. E. and B. A. Bolt, eds. 1985. An introduction to the theory of seismology. Cambridge: Cambridge University Press.