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「媽祖」海纜保平安

陳 慈忻
・2013/03/27 ・1716字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

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2013年的世界棒球經典賽當中,3月8日中華隊與日本的比賽成為全國矚目的焦點,也有不少民眾注意到有日本球迷手上拿著「感謝台灣311賑災」的牌子。在日本311大地震即將屆滿兩周年的同時,世界各國沒有忘記地震對人類造成的影響有多深刻,台灣也不斷的發展地震觀測、預警技術,「臺灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理觀測系統建置計畫」(Marine Cable Hosted Observatory,MCHO),由於英文名縮寫發英與媽祖相似,又稱「媽祖計畫」,也有保佑平安的意涵,是台灣近期地震技術的突破。

為什麼海底需要地震觀測站?

過去中央氣象局的觀測網都在陸地,由於板塊在台灣的東部聚合,東北部地震頻繁,其實早在2002年就開始嘗試著要把地震觀測網往東部外海的方向拓展,因為如果要更準確的觀測地震,就必須要讓它成為「網內地震」。

那什麼是網內地震呢?簡單來說就是能被地震觀測站包圍住的地震。若將震央分別與周圍較近的幾個觀測站連成線,產生的線兩兩之間會有1個交角,其中最大的角度稱為「空缺角」,如果它小於180度,我們就稱這個地震為網內地震,否則就是網外地震。

台灣島上的地震測站密集,如果在陸地上發生地震,幾乎都能形成網內地震,但是如果地震是發生在台灣東部的海域,所有的測站都偏向震央的西側,海上沒有測站,空缺角就大於180度了,這樣就是網外地震。在監測地震的經緯度、發震時間、震源深度,可能會有較嚴重的誤判,尤其在即時監測分秒必爭的需求下,一點點的誤差都影響甚鉅。

除此之外,海底的地震測站儀器中多半還具有海嘯觀測的功能,日本311地震時,位於日本東北外海的海底地震儀和海嘯壓力計分別在地震與海嘯波侵襲前提前觀測到,提升了地震與海嘯預警的時效。

台灣與日本的海纜有什麼不同?

為了解決台灣東部網外地震的問題,中央氣象局從2007年通過「臺灣東部海域海纜觀測系統」的預算,至2011年,已經完成了第1期計畫,從宜蘭頭城往外海延伸45公里的海底電纜,末端節點的深度在水下290公尺,接上兩個平台:「地震海嘯監測平台」,平台內包含海底寬頻地震儀、海底加速度地震儀、海嘯壓力計;與「海洋儀器平台」,包括了溫鹽儀(CTD)和水下聽音計。

台灣的海纜技術是從歐美引進的節點式海纜,優點是它接連觀測站的節點是插座式的,也就是說觀測站可以像電器用品一樣,插在海纜的電源線上,並且可以更換不同的觀測平台。1個節點的插座有4個,所以只要還沒超過上限,就可以增加平台的設置。

日本也是海纜技術相當純熟的國家,在2014年以前將完成10條觀測地震與海嘯的海底電纜。不過與歐美的發展方向不同,日本的海纜技術是屬於一體成形(in-line)式,也就是監測站的節點在海纜製造之時,就會連同線路一起被包覆在纜線外皮之內,因此無法單獨更換節點觀測儀器,或者加裝新的儀器,必須儀器、線路一併更換。

另外,日本的海纜是專門在地震及海嘯的觀測用途上,而台灣則是結合了海洋科學的研究用途加裝海洋儀器平台,除了功能的多元化,可以記錄海洋各種物理特性變化,跨單位合作也使得計畫經費較為容易申請。

實際運作狀況

台灣的地震觀測網包括「即時觀測網」和「強地動觀測網」,前者可以透過連線即時傳遞觀測資訊,因此也能夠有地震預警的功能;強地動觀測網的主要功能是提供學者研究的資料,特別是強震下地表或結構物的震度反應,因此不一定需要即時連線,有許多測站仍由工作人員定期收集資料。

那麼媽祖計畫是屬於哪一部分呢?目前媽祖計畫中的海底觀測站,已經成為地震觀測網中「即時觀測網」的一部分,也就是能夠監測不分大小、各種規模的地震,並且與其它即時觀測網的測站連線,快速運算監測資料,回報中央氣象局。

雖然第1期的計畫已經完成並且順利運作,媽祖計畫還有第2期的提案,由於經費爭取不易,目前還在等待通過的階段。第2期的計畫主要是希望將海纜再往東邊延伸,這麼一來能夠包圍更多的地震成為網內地震,希望能提升台灣對於地震災害的預警能力。

本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:臺灣東部海域海纜監測系統

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陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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你知道「地圈」嗎?承載無數生命的「地圈」是如何形成與變動的?——《丈量人類世》
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・2022/10/10 ・3062字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者:陳竹亭

雅典娜的智慧與暴力:地圈

不時變動的地殼,就像希臘神話中兼具智慧與暴力的雅典娜(Athena),是她一體的兩面,從出生時就驚動了大地之母蓋婭,長成後卻又聰明地藉其暴力之美形塑、震撼了大地。

奧地利國會大廈前的雅典娜雕像。圖/Wikipedia

地球的陸地地景十分多樣,有高山峽谷,有平原沙漠;地表並不平靜,事實上是活力十足,有火山、熔岩,有地震,有風暴⋯⋯與無聲無息的寧靜月球形成強烈的對比。

地球屬於石質行星,「地圈」指的是地球外部固體的部分,包括地殼(crust)和上部地函(mantle)。地球中央是由地核(core)組成,這種不連續的分層結構,表示行星在形成過程中可能發生過化學凝析作用(chemical condensation),也就是從一種勻相經由溫度變化分成不同相的過程。重的元素以凝態往地心下沈,輕的物質向地表上升,甚至形成氣體。

地球半徑約 6,380 公里,有分層的結構及磁場分布。地震波(seismic wave) 顯示地下 2,900 公里處有不連續面。2,900 公里以上壓縮波(compression wave)和剪切波(shear wave)均可穿透,屬於固態結構。2,900 公里以下只有壓縮波能穿過, 且波速慢, 表示是液態物質。所以分層顯示 2,900 公里以上是鎂矽酸鹽地質,2,900 公里以下則是高壓熔融鐵,密度大的鐵核可能從熔融的矽酸鹽沉入地心。新的震波探測還顯示地核可能有液態、軟結構和硬結構,相關研究仍在進行中。

鐵元素在地球上的分布, 包括地核中有 1.87×109 兆噸,地函中有 4.11×109 兆噸,地殼及海洋中約為 0.01×109 兆噸。從岩漿的分析來看,鐵佔了 8%,但是佔地球 1/3 的液態鐵是集中在地核,可能是吸收了週期表中相鄰或附近的貴重金屬元素,而下沉至地核中,所以地表存量反而較為稀少。

「地圈」指的是地球外部固體的部分,包括地殼和上部地函。圖/Wikipedia

地殼的成分

從地質化學的觀點,鐵、鎂、矽、氧組成的礦石主要有氧化鐵、橄欖石和輝石,這些礦石的含鐵量依次遞減。不含金屬的氧化矽晶體就是石英。鐵元素不僅形成地核,也改變了地函礦物的種類,同時也影響微量金屬的分布及地殼的成分。

地質學上,根據特定元素及放射性同位素存量的比例,可估計地核及地函形成的時間。目前科學家相信:如果地球是獨自形成,地球的分層,大約是發生在地球形成約 1 億年以內的最初期。

地球的上部地函,就是地球地殼至外核之間的部分,約在地殼以下到深度 400 公里處, 包含部分岩石圈(lithosphere)及軟流圈(asthenosphere)。岩石圈部分厚約 100 公里。地球內部放射性元素的衰變,應當是重要的能源之一。這種高溫可能使地函成為一個富彈性、易變形的半凝固地質,能夠產生對流。

海洋地殼(ocean crust)是玄武岩岩石層,也就是沉積岩,由密度較大的矽鎂質的岩石構成,矽酸鹽成分較少,偏鹼性。現存海洋地殼年齡都在 200 百萬年之內,相對而言十分年輕。

編按:內文誤植,玄武岩岩石層,應為火成岩,而非沉積岩

陸地的花崗岩(continental crust)即為火成岩,是岩石圈的一部分,由岩漿冷卻形成花崗岩石。結晶性高,和海洋地殼共同成為地球的最外層,主要由含較輕之矽鋁質的岩石,富鋁、鈉和鉀。鐵和鎂反而較少,偏酸性。密度較海洋地殼小。

上部地函,就是地球地殼至外核之間的部分,約在地殼以下到深度 400 公里處, 包含部分岩石圈及軟流圈。圖/Wikipedia

變動的地殼:分裂的大西洋脊與大陸飄移

大陸地殼浮在地函之上,厚度在 20 至 80 公里之間,約有 38 億年的壽命。地殼的變動是海洋隱沒帶(subduction zone)延伸入大陸地殼下方,沉積物帶入地函,變質、分解釋出二氧化碳,讓海洋生物可以再利用。

中大西洋洋脊(mid-Atlantic ridge)是一個縱切大西洋及北冰洋、大部分位於海底的活火山山脈。由北緯 87 度縱貫延伸至南緯 54 度,恰好是地質板塊邊界(plate boundary)的交會處。

中大西洋洋脊(圖中間縱向黃綠色處)的測深圖。圖/Wikipedia

地球內部放出的熱,對地表溫度幾乎沒有影響,但是地函的對流能使地表沉積物拉入地函中,再分解出二氧化碳,最後由火山噴出。熔岩與火山顯示地函的溫度應該仍然非常高,超過 1000 ℃,岩漿的運動提供了地球表面「建造」地殼的活力。自然界地表的地質傾軋與角力,可能是地球生機乍現的起點。

「海底擴張」(oceanic spreading)的活動,主要是由中洋脊的地底火山自海底的地殼中央噴射而出,形成了新地殼。地殼向東西兩側邊延伸,每年以 40-90 毫米(mm/yr)的速率擴展,至今仍然在持續進行,這也是大陸飄移理論最好的證據。

1915 年, 德國的偉格納(Alfred Lothar Wegener, 1880-1930)提出「大陸漂移說」(continental drift theory),認為大陸地塊會隨地質年代而漂移,這個假說在當時很少人真正給予重視。直到 1950-60 年代,放射性定年法的技術大為改進,才使得研究地球古岩石或沉積磁性的古地磁學異軍突起。

1959 年, 美國地質調查局(USGS) 和澳洲國立大學(ANU)的科學家競相發表大西洋脊兩側海底沈積岩對稱的註記了過去世代的「地磁反轉」(geomagnetic reversal)尺標。地球磁場在地球歷史中,南北極有非週期性的變換現象,可由大西洋海底地殼的磁性隨地質年代的變化獲得。地磁反轉的清晰磁條可以準確地推算出地質年代,再測量其到中洋脊心的距離,就可以估計當時海洋擴展的速率。

圖/商周出版提供

1963 年,英國的維尼(Frederick John Vine, 1939-)和馬太(Drummond Hoyle Mathews, 1931-1997)結合了地磁反轉和海洋擴張來支持大陸漂移說(continental drift theory)。加拿大的莫雷(Lawrence Whitaker Morley, 1920-2013)也同時獨立發表了相同的學說,但他提出發表的論文遭到拒絕,數年後才正式出版。

根據大陸漂移的理論,上部地函及地殼的岩圈分裂成幾塊「板塊」,這些板塊相互的傾軋運動,決定了地殼板塊邊緣的聚合或分離、造山運動或是海溝形成(trench formation)、還有轉形斷層(transformation fault)、地震或是火山活動。這些現象必然都和地函的對流運動之動力變化有關,但是理論有很多種,研究也都還在進行中。

宏觀來看,不僅地圈的一顰一動都與陸地生命體息息相關。地圈、水圈與氣圈的對流層也緊緊地和生物圈結合在一起,其構成多樣多姿的行星生命世界,是最令人屏息的宇宙景象。

台灣島的生成

台灣島正好地處於地質活躍帶上,西為歐亞板塊、東北是琉球板塊、東鄰菲律賓板塊及南方的巽他板塊的交界處。是世界上最頻繁的地震活動地區之一。台灣島的中央山脈主要是由 600 萬年前的蓬萊造山運動—菲律賓板塊向西擠壓歐亞大陸板塊而形成。至今,菲律賓板塊仍以每年 8.2 公分的超高速度持續向西北移動。

相對於 46 億年的地球,600 萬年的台灣是非常年輕的島嶼,那時古猿人才剛在非洲大陸出現呢。我們身在這個蓊鬱之島上,不能不知道和她有關的地質、地理與自然生態,當然還有人文、歷史及社會的形成過程。

——本文摘自《丈量人類世:從宇宙大霹靂到人類文明的科學世界觀》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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商周出版_96
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為了讓地球科學更好,快去下載吧!氣象局把所有珍貴的地震資料都放在那裡了!——臺灣地震與地球物理資料管理系統
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・2022/08/22 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/陳儀珈

臺灣是全世界地震測站密度最高的地方,然後呢?

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處,古往今來,從 1935 年新竹-臺中地震、1999 年集集大地震到 2016 年的高雄美濃地震,這座島嶼挺過無數次強震的襲擊,更催化出驚人的地震測報實力與研究能量。

自日治時期設置了全臺第一座地震儀至今(2022 年),在 120 多年內,現在的臺灣已經擁有全世界地震測站密度最高的地震觀測網:共超過 700 座測站,平均不到 10 公里就有 1 座,一年平均可偵測到超過 3 萬次的地震!

新竹站的地震儀,可以 24 小時監測並記錄地動情形。圖/地球物理資料管理系統

從預算籌措、技術研發、測站建置、通訊與電力接通、儀器維護到資料處理與信號監控等,每一座地震觀測站的背後,都耗費了無數地球科學家們的心力和血汗,他們辛勤地上山、下海、鑽井、拉線,投入大量的人力、時間和資金,就是為了挖掘更多地球的秘密。

每一分、每一秒,都有可觀的訊號湧入中央氣象局的儀器,然而,人們到底要怎麼做,才可以讓這些得來不易的寶貴資料發揮最大的效益呢?

中央氣象局的做法是——將它們全、數、公、開!把臺灣地震與地球物理的觀測資料,無償開放給全世界下載使用!

2008 年初試啼聲、2020 年脫胎換骨!

自 2005 年起,中央氣象局地震測報中心開始規劃這個整合型地震相關資料的開放平台計畫,並在 2008 年 8 月正式上線,命名為「地球物理資料管理系統(GDMS)」。

舊版地球物理資料管理系統(GDMS)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

可惜的是,當年 GDMS 採取「會員制」,使用者需線上申請,經過審核方可啟用帳號,也限定僅有「國內」的相關學術人員才能成為會員。

此外,隨著上線時間一長,原系統的功能及資料服務已無法滿足所有使用者的需求,例如資料並未使用國際通用格式、更新不夠即時、儀器參數不完整等等問題。

有鑑於此,中央氣象局和中研院地球所攜手合作,建置了全新一代的「臺灣地震與地球物理資料管理系統(GDMS-2020)」,取消原先僅開放國內學術人員下載的限制,轉型為向全世界開放,所有人都能在此下載地震和地球物理的觀測資料。

新版的 GDMS 也針對資料管理進行全面優化,設計了標準化的流程,讓整體資料典藏變得更穩定更即時,資料品質更有保障。新增的詮釋資料(metadata)也讓使用者得以從原始資料(raw data)分析出更真實的物理量。

走向國際化的地震資料中心!

在地球科學界中,美國 IRIS、歐盟 ORFEUS、日本 NIED 是公認的三大資料服務中心,負責提供即時、高品質的地震與地物資料。

無論是資料格式,還是系統管理,臺灣的 GDMS 也向這幾個單位看齊,藉由向全球研究人員開放地震與地球物理資料,不僅能夠促進整體地球科學的發展,也讓臺灣在地球科學界的能見度更高,展現我國在地震領域的研究和技術能量。​

現在,無論你是地球科學的學術人員,或是對地球科學研究有熱情的愛好者,只要進入這個網頁註冊帳號,就能取得即時又完整的地震與地球物理資料。​

新一代地球物理資料管理系統(GDMS-2020)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

完整性、通用性:最全面、最沒有門檻的研究資料

根據中央氣象局的介紹,GDMS 提供的資料大約分為三個類型:地震資料、地球物理資料,以及儀器的詮釋資料,提供連續的觀測紀錄,擁有資料上的「完整性」。

其中,地震資料來自各式各樣的地震儀,例如短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀、井下地震儀所記錄的震動波形,取樣率每秒 100 點;地球物理資料包含全球導航衛星系統(GNSS)所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度,取樣率每秒 1 點;​詮釋資料則記錄了​儀器管理相關的資訊,包含測站位置、營運歷史、維護紀錄、儀器響應(instrument response)等內容,讓研究人員得到地動訊號真實的物理量,在分析資料的過程中扮演關鍵性的意義。

臺灣的地震資料,全世界都可以用!​圖/報地震 – 中央氣象局

為了讓研究人員下載地震和地物資料更便利,GDMS 參考了其他國際地震中心的做法,從資料查詢、瀏覽與下載的介面,到符合國際標準的資料格式,具備資料上的「通用性」。

觀測資料的格式如下:

  • 地震波形資料:miniSEED、SAC 和文件檔格式
  • GNSS 資料:RINEX 格式
  • 地磁資料:  IAGA2002 格式
  • 地下水位: 純文字檔​

詮釋資料的格式為:

  • 地震儀:管理上採用 dataless SEED 以及 StationXML 兩種格式,使用上另提供 Poles and Zeros 檔案
  • GNSS、水位計和磁力儀:純文字、試算表或資料表等方式儲存,同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。​

即時性、國際性:幾乎即時的更新頻率,開放給全球學術界!

​標榜「即時性」的 GDMS ,更新資料的速度到底有多快?

為了讓研究人員在強震後能夠立刻進行分析,所有地震波形資料會持續開放至此時此刻的前 15 分鐘。而地球物理資料每日產製 1 個檔案,也就是說,今天可以拿到最新的資料是前一天的檔案。

規模超過 6 的地震發生後,GDMS 會自動擷取所有對應的地震波形,在一個小時內放在首頁供所有人瀏覽及下載,避免在地震過後湧入過多的索取而影響網站的服務效能。

登入新版 GDMS 後可在首頁瀏覽規模 6 以上的地震所自動擷取的地震走時波形,此例為 2022-06-20 M6.0 花蓮地區地震的 TSMIP 加速度波形,橫軸為震央距,縱軸為走時。圖/地球物理資料管理系統

此外,GDMS 也保存了從 1991 年 1 月 1 日至今的「地震目錄」。

由於地震觀測站收到的原始訊號是不停的連續波形,一般研究人員若要進行地震研究,需要耗費極大的人力和時間成本,土法煉鋼地從波形中挑出地震的波形。

地震目錄在 GDMS 網站上所呈現的樣貌。​圖/地球物理資料管理系統

GDMS 所提供的地震目錄,是由地震定位專業的夥伴們,從連續的波形中一一挑選而成,不論是在學術或災害研究上,都是非常珍貴的資料。目前系統中最新的地震目錄可提供到當下的前 1 個月,地震目錄跨越的時間超過 30 年,累積地震數超過 75 萬筆,毫無疑問是地震相關研究的一份瑰寶。

透過中研院梁文宗博士,向全球地震學界宣布新一代的 GDMS 正式啟用!​圖/截圖自 IRIS

為了讓 GDMS 在國際上更有能見度,日前中央氣象局已正式向國際數位地震觀測網聯盟(International Federation of Digital Seismograph Networks,簡稱 FDSN)申請註冊數位物件識別碼(Digital Object Identifier,簡稱 DOI),進一步強化 GDMS 的服務品質。

未來,GDMS 不會停下進化的腳步,在中央氣象局與中央研究院的合作下,除了測站數量將不斷擴大、進行儀器的汰舊換新,還預計開發一套新儀器維護與參數連動機制,確保觀測資料與詮釋資料的可靠性,並隨時關注和參考使用者的回饋與需求,進行滾動式的修正,持續擴充 GDMS 的功能。

參考資料

  1. ​中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統​
  2. Thread: Taiwan CWB Seismological and Geophysical Data is officially OPEN from the new GDMS​
  3. 地震測報中心蕭乃祺、甘志文、莊雅婷。〈建置國際化的地震資料中心〉。
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