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利用震波幫大屯火山拍「X光照」!找出埋在地下 8 公里的「岩漿牛奶罐」

研之有物│中央研究院_96
・2021/11/22 ・6289字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文│陳儀珈
  • 美術設計│林洵安

解析大屯火山群的岩漿庫

天哪!原來我家旁邊住了一座活火山?位於臺灣北部的大屯火山群,近年已被地球科學家推斷為活火山,繁華的天母、北投與士林就在它的山腳,距離臺北 101 大樓甚至只有 15 公里。為了評估災害風險,發現活火山還不夠,我們還必須深入了解岩漿庫。「研之有物」專訪中央研究院地球科學研究所黃信樺副研究員,看他如何將地震波當作 X 光,解析大屯火山群的岩漿庫構造。

用震波,幫大屯山拍一張「X 光」照片吧!

自中央研究院於 2016 年證實大屯火山群為活火山以來,科學家不斷試圖了解更多大屯山岩漿庫的資訊,以評估大屯火山群對大臺北地區的災害風險。

今年,中研院地球所黃信樺副研究員利用震波資料,進一步找出宛若圓柱牛奶罐、位於地下 8 公里的岩漿庫,其直徑約 8 公里、高度約 12 公里,論文已於 2021 年 3 月初發表於《科學報告》(Scientific Reports)。

這個藏在地底下 8 公里的岩漿牛奶罐,是怎麼被黃信樺找出來的?

蛋糕只要一刀切開,就可以把內餡看得一清二楚;然而礙於技術和成本,面對腳下的土地,我們不能像切蛋糕一樣,一下就看清楚地底結構。那科學家是怎麼分析火山的「內餡」呢?

聰明的地球科學家,搬出了「地震波」這個媲美 X 光的好工具!

地球每天都會發生成千上萬的地震,當地震波傳過重重地層、抵達地表測站後,就像是替地底做了一次完整掃瞄,而地球科學家只要蒐集這些地震波,就可以破譯出藏在震波中的地質訊息。

由於地震波可以穿透地底,因此地震波就像是地球科學家的「X 光」,只要蒐集這些地震波,就有機會破解地層下的秘密。受到地質構造與折射的影響,其中 P 波經過液體的內地核會減速,而 S 波無法直接通過液體的內地核。目前我們熟知的地殼、地函、內外地核等分層,也都是藉由這些原理得出的研究成果。圖│報地震-中央氣象局
由於地震波可以穿透地底,因此地震波就像是地球科學家的「X 光」,只要蒐集這些地震波,就有機會破解地層下的秘密。受到地質構造與折射的影響,其中 P 波經過液體的內地核會減速,而 S 波無法直接通過液體的內地核。目前我們熟知的地殼、地函、內外地核等分層,也都是藉由這些原理得出的研究成果。圖/報地震-中央氣象局

對地球科學家來說,每一個地震,就像一個個 X 光的發射器,而發射出的地震波就是 X 光,因此,用地震波去理解地底構造,就像是用 X 光去拍地底的 X 光照片。

這個技術,就是大名鼎鼎的震波層析成像(Seismic Tomography)。

當地震波經過不同地質條件的地層時,會改變地震波傳遞的速度和性質,例如 P 波經過液體時,速度會下降,而 S 波因為穿不過液體,會直接不見。因此,當地球科學家只要收集到來自四面八方的地震波後,就可以推估出地底構造的幾何形貌。

從黃石公園的超級火山,到「死而復生」的大屯火山群

為什麼一直到了 2021 年,地球科學家才順利解析大屯火山群的岩漿庫?這是因為有了震波層析成像技術還不夠,還要有工具和震波資料才行。

2014 年時,黃信樺正在美國猶他大學進行研究,機緣巧合之下,他參與了黃石公園的計劃,使用震波層析成像技術,在原本已知的大型岩漿庫底下,找到了一個更深、更巨大的岩漿庫。如此意想之外的研究發現,也讓黃信樺的論文成功登上《科學》期刊(Science)。

黃石公園岩漿庫之模型示意圖。2014 年時,在原本已知的流紋岩岩漿庫之下,大約地下 20 公里至 45 公里處,黃信樺找到了另一個更巨大的玄武岩岩漿庫,登上《科學》期刊。圖│黃信樺
黃石公園岩漿庫之模型示意圖。2014 年時,在原本已知的流紋岩岩漿庫之下,大約地下 20 公里至 45 公里處,黃信樺找到了另一個更巨大的玄武岩岩漿庫,登上《科學》期刊。圖/黃信樺

反觀臺灣,因為不像美國一樣擁有密集、均勻的地震測站,不足以讓學者對大屯火山群做完整的「X 光掃描」,因此在 2014 年時,臺灣學者對於大屯火山的岩漿庫仍然是一知半解。

直到 2016 年,中央研究院林正洪研究員成功找到了大屯火山的岩漿庫,並證實為活火山後,臺灣才開始大力推動進一步的研究計畫,在北部地區逐步設置超高密度的寬頻觀測網——臺灣陣列(Formosa Array ),探索這位危險鄰居的秘密。

臺灣陣列地震站分布圖,圖中約有 140 個測站,安裝有寬頻地震儀並即時蒐集傳送地震資料,此計畫由中央研究院地球科學研究所(IES)與大屯火山觀測站(TVO)共同執行。圖│Formosa Array 臺灣陣列
臺灣陣列地震站分布圖,圖中約有 140 個測站,安裝有寬頻地震儀並即時蒐集傳送地震資料,此計畫由中央研究院地球科學研究所(IES)與大屯火山觀測站(TVO)共同執行。圖/Formosa Array 臺灣陣列

臺灣陣列的地震測站有多密?從 2018 年開始,每間隔 5 公里,研究人員就會設立一個地震測站,站點橫跨山區,目前在臺灣北部設立了相當均勻的測站分布。

無論是遠方的地震,還是臺灣的地震,我全都要!

有了技術,又有了密集的測站,摩拳擦掌的地球科學家,終於可以來一窺岩漿庫的秘密了。

黃信樺學成歸國後,受到了計畫主持人林正洪的邀請,帶著黃石公園的研究經驗,正式加入了大屯山岩漿庫的研究中,他藉由臺灣陣列取得了遠震震波資料(teleseismic data),並利用氣象局與中研院原有的地震觀測網獲取近震震波資料(local earthquake data),最終為臺灣地球科學界描繪出了大屯火山群岩漿庫的模樣:一個牛奶罐。

為什麼要特別同時使用來自遠方的「遠震」和附近的「近震」資料呢?事實上,這跟解析度也脫不了關係!

受到地震波傳遞路徑的影響,近震的震波只會經過淺層地底,帶來淺層的地質資訊(灰色),而遠震可以帶來深層和淺層的訊息(淺橘色),聯合遠震跟近震就可以加強整體的解析度並得到更完整的訊息(深橘色)。圖│研之有物(資料來源:黃信樺)
受到地震波傳遞路徑的影響,近震的震波只會經過淺層地底,帶來淺層的地質資訊(灰色),而遠震可以帶來深層和淺層的訊息(淺橘色),聯合遠震跟近震就可以加強整體的解析度並得到更完整的訊息(深橘色)。圖/研之有物(資料來源:黃信樺)

從圖中我們可以發現,地震波在地球內部傳遞的路徑是弧線,其中近震的地震波只會經過比較淺層的地底構造(灰色),反之,若使用遠震震波,就會帶來地球深部的訊息(淺橘色),並再次加強淺部的資訊(深橘色)。

因此,如果地球科學家有辦法同時使用遠震、近震的資料來推算的話,就可以讓整體圖像的解析範圍延展到更深處,解析度也更上一層樓!

看圖說故事的功力,取決於你對這塊土地的了解

費盡千辛萬苦,有了技術、有了工具和震波資料後,地球科學家終於得到了地底「掃瞄圖」,但這一場大屯山岩漿庫探索之旅,仍然還沒有停歇!

比如說,當我們拿到一張涵蓋整張嘴巴的全口 X 光照片,一般人只看得懂黑色是軟組織、白色是硬組織,並猜測出骨頭和牙齒的位置。然而,對一位經過 6 年訓練、擁有專業醫學知識的牙醫師而言,卻可以一眼看出你的蛀牙、發炎、阻生齒、牙周病等等資訊。

P 波在臺灣北部不同地底深度的傳播速度分布。圖│黃信樺
P 波在臺灣北部不同地底深度的傳播速度分布。圖/黃信樺

震波層析成像也是如此!以上面這張論文中的圖片為例,P 波速度較低的紅色,代表該區的地質構造比較「軟」,反之波速高的藍色則為較「硬」的區域。

但,這到底代表什麼意思?啊岩漿庫又在哪裡?此時,地球科學家者對這塊土地的了解和專業知識,就派上用場了!

以 2 公里深為例(上圖 a),可以看到大面積的紅色、藍色對比,其中藍色代表中央山脈,也就是很硬的變質岩;而紅色是西部麓山帶,屬於較軟的沉積岩,並包含林口臺地(很厚的紅土層)、臺北盆地(沉積物)等明顯的地質構造特徵;東方小塊的紅色,則代表宜蘭平原的沉積物。

承上,圖 a 大屯火山群的位置為白色,沒有明顯特徵;然而到了 8 公里深(圖 b)和 16 公里深(圖 c)時,黃信樺卻發現,大屯火山群底下從白色變成紅橘色。

火山下方突然出現一塊軟軟的紅橘色,P 波的速度甚至降低到 19% 這麼多,這意味著什麼?主要有兩種可能:含水,或是有岩漿。然而,地底 8 公里深的壓力過大,地下水較難以滲透,「含水」這個理由並不可行,因此,黃信樺結合了地球化學、地質學的研究和數據後,認為目前最合理的解釋是:它就是大屯火山群的岩漿庫!

大屯火山群(綠色三角形)地貌剖面的 P 波波速變化。可看到從 8 公里深開始,隱約存在一個紅橘色的圓柱體,該區 P 波速度大幅下降,岩漿庫是最合理的解釋。其中:Topo為地表高度,Depth為地底深度,綠色三角形為大屯火山群的主要火山口與噴氣孔,紅色三角形為其他北臺灣火山位置。圖|黃信樺
大屯火山群(綠色三角形)地貌剖面的 P 波波速變化。可看到從 8 公里深開始,隱約存在一個紅橘色的圓柱體,該區 P 波速度大幅下降,岩漿庫是最合理的解釋。其中:Topo 為地表高度,Depth 為地底深度,綠色三角形為大屯火山群的主要火山口與噴氣孔,紅色三角形為其他北臺灣火山位置。圖/黃信樺

這個岩漿牛奶罐,究竟從何而來?

找到岩漿庫的位置後,黃信樺開始思索,這一個體積約 600 萬立方公里的岩漿庫從哪裡來?透過震波反演出的圖像中,我們也可以窺得一絲的線索。

北臺灣的 P 波波速(Vp)模擬結果,以 C-C’ 切面為例,圖 b 為 P 波速度擾動強度分布圖,而圖 c 為 P 波速度絕對值的分布。<br />圖│黃信樺
北臺灣的 P 波波速(Vp)模擬結果,以 C-C’ 切面為例,圖 b 為 P 波速度擾動強度分布圖,而圖 c 為 P 波速度絕對值的分布。圖/黃信樺

關於「岩漿」的由來,我們第一個想到的,或許就是因為板塊隱沒、部分熔融產生的岩漿。

而在上圖(b)中,我們可以從紫色的小圓圈的分布看出菲律賓板塊隱沒產生的地震帶,以及隱沒後出現的部分熔融區(紅橘色的 L2)。

然而黃信樺卻發現,在大屯火山岩漿庫(紅橘色的 L1)、板塊隱沒產生的部分熔融(紅橘色的 L2)之間,有著一大段很遠的距離,也沒有出現相連的通道,因此,黃信樺猜測,大屯火山岩漿庫應該與板塊隱沒帶沒有直接的關係。

不是板塊隱沒,那會是什麼呢?另外一種可能,就是後碰撞時期的弧後張裂。

目前臺灣東北部的地震,大多都是來自琉球島弧後方沖繩海槽(Okinawa Trough)的張裂環境,根據論文的反演結果,黃信樺也認為,大屯火山群、基隆火山群等北部火山,比較有可能是由此機制而生。

但請大家注意,以上對於大屯火山岩漿庫的成因的討論,僅僅還在「推論」的程度,我們尚且無法證實大屯火山就是由此而來,未來仍然需要更多相關研究的佐證。

「所以,它就像一個裝滿岩漿的牛奶罐嗎?

大錯特錯啊!雖然前文都將這個岩漿庫形容像牛奶罐一樣,然而,如果你覺得它是一個裝了滿滿液體岩漿的牛奶罐,那可就不對了。

黃信樺笑著說,「如果它真的是一個空空的牛奶罐,我馬上就會搬家!不騙你啦!」。

事實上,岩漿庫更像是一個海綿,一個有孔隙、吸附著岩漿的海綿

海綿的孔隙率有多少、岩漿的性質是什麼、地震波會降多少速,都可以透過地震和地質資料算出來,例如論文中的「P 波波速下降 19%」,就是從已知的安山岩數據相互推論而來。

此外,雖然論文結果看起來是一個牛奶罐的形狀,但事實上圓柱狀的岩漿庫並不常見,反之,大部分的岩漿庫都和黃石公園一樣,是屬於扁平狀的,因此黃信樺認為背後可能仍然有解析度的問題。

這次黃信樺是用最容易取得、最精準的 P 波來反演,未來他可能就會用 S 波、雷利波、洛夫波等震波資料來彼此檢驗,找出更精確的岩漿庫訊息。

這次大屯火山的岩漿庫解析,黃信樺採用容易取得且精準的 P 波來反演,未來他將用 S 波、雷利波、洛夫波等其他震波資料交互檢驗,讓岩漿庫資訊更精確。圖│研之有物
這次大屯火山的岩漿庫解析,黃信樺採用容易取得且精準的 P 波來反演,未來他將用 S 波、雷利波、洛夫波等其他震波資料交互檢驗,讓岩漿庫資訊更精確。圖/研之有物

從「岩漿庫變淺 22 公里」,一窺大屯火山的研究展望

在 2016 年林正洪「起死回生」的大屯火山研究中,乃是透過兩個近震資料,保守的推算出岩漿庫的位置落在 30 公里深左右,這一次,黃信樺透過解析度更高的反演結果,推斷出岩漿庫的深度其實只有 8 公里。

五年內,岩漿庫的深度從 30 公里變成 8 公里,雖然變淺了很多,但黃信樺表示,一般火山岩漿庫的深度大都落在 5~15 公里之間,大屯火山的 8~20 公里其實已經相對比較深了。那些很活躍的、頻繁噴氣的火山岩漿庫,深度甚至只有 3~5 公里,例如黃石公園就在 4~12 公里的位置。因此,我們並不需要因為這 22 公里的差距而感到焦慮或慌張。

話雖如此,我們仍須正視大屯火山這個距離臺北 101 不到 20 公里的活火山,畢竟大臺北地區的居民數量超過 700 萬,旁邊甚至還有兩座核電廠,面對這一位風險不明的火山鄰居,我們絕對不能視而不見。

今年(2021 年)八月初,有一篇發表在《自然通訊》(Nature Communications)的評論指出,過去以來,人們都只關注那些大規模的火山噴發,卻忽視了即使是小規模的火山噴發,也有嚴重危害全球經濟的風險,並把臺灣大屯火山列入全世界 7 個最關鍵的要點之中。

評論的作者表示,臺灣是台積電(TSMC)的所在地,而台積電負責供應全球高達 90% 最先進的晶片和節點,也是全世界技術與汽車行業的主要供應商,一旦大屯火山爆發,嚴重的火山灰和沉積物將會破壞全球的科技業與金融市場,帶來驚人且可怕的連鎖反應。

面對大屯火山的眾多未解之謎與潛在風險,黃信樺認為,震波層析成像只能給我們空間的資訊,既然我們已經確認大屯火山底下擁有岩漿庫了,接下來,科學家必須更進一步認識這位熟悉又陌生的朋友,像是岩漿庫的特性、火山的定年、噴發週期、模擬噴發形式,甚至是防災的疏散方案與宣導,都是我們需要努力的未來。

延伸閱讀:

  • 古國廷(2019)。〈大屯火山群不可怕,可怕來自不懂它 — 專訪林正洪〉,《研之有物》。
  • Huang, H. H., Lin, F. C., Schmandt, B., Farrell, J., Smith, R. B., & Tsai, V. C. (2015). The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust. Science348(6236), 773-776.
  • Huang, H. H., Wu, E. S., Lin, C. H., Ko, J. T., Shih, M. H., & Koulakov, I. (2021). Unveiling Tatun volcanic plumbing structure induced by post-collisional extension of Taiwan mountain belt. Scientific reports11(1), 1-10.
  • Lin, C. H. (2016). Evidence for a magma reservoir beneath the Taipei metropolis of Taiwan from both S-wave shadows and P-wave delays. Scientific reports6(1), 1-9.
  • Mani, L., Tzachor, A., & Cole, P. (2021). Global catastrophic risk from lower magnitude volcanic eruptions. Nature Communications12(1), 1-5.

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

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Else Production
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馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。