台灣東部海域地震觀測研究暨儀器研發

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林慶仁(Ching-ren Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

地球物理研究所

論文名稱

台灣東部海域地震觀測研究暨儀器研發
(A study of earthquake observation in the eastern offshore Taiwan and Developing of OBS instruments)

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摘要(中)

本論文主要是使用首次在台灣東部海域收集到的長期寬頻海底地震資料，分析海床的地震動背景雜訊特性、探討BBOBS記錄地震資料的品質以及應用在探討地下構造和改善地震定位上的成果，並詳述自行研發之中週期OBS的設計、元件規格及初步成果。
在海床的地震動背景雜訊部分，水平分量的PSD高峰值在頻段0.2~0.5Hz之間大約為-90dB，垂直分量則約-100dB，海底測站的地振動背景雜訊PSD比海邊測站高，陸上測站離海岸越遠PSD越低，推論在0.2 - 0.5Hz之間的雜訊高峰很可能是由於剪力波在海床沈積物間共振[Stephen et al. 2003a]及海風吹襲[Bromirski et al. 2005]、海面風浪[McCreery et al., 1993]等綜合效應產生的結果。在6 - 7Hz之間OBS測站都有一個比前後頻帶高約40dB的雜訊PSD高峰，這個雜訊高峰可能是由於海面航行的船隻或海浪碎波所造成的[Bromirski et at.,2005]。在低頻方面，自0.05Hz以下水平分量的雜訊與海潮水流有關[Bromirski et at.,2005]，在0.005-0.03Hz頻帶內，水深小於2000米的測站，垂直分量可以很明顯的看出有10- 30dB的雜訊凸起，推論是因為波浪由深海傳至淺海的過程中，由於淺化的影響導致波浪尖銳度增加而引發的長波振盪現象（稱為亞重力波，infra-gravity wave）所引起。隨著頻率的降低，OBS測站的水平分量地震動背景雜訊PSD成線性增加的趨勢。
本論文也探討OBS記錄地震資料的品質，利用寬頻海底地震儀收錄之東部外海地震資料，評估對於地震定位精確度之改善程度，比對加入海底地震儀資料前後，板塊邊界地震活動度之統計。在波形應用實例上，利用單一OBS測站配合陸上寬頻地震網資料，利用雷利波的波傳效應可用來研究地下構造。透過部署於跨越花東海盆兩邊測站收到的雷利波波傳播路徑，使用有限頻率的分析證明這種雙站雷利波方法的有效性，逆推結果顯示花東海盆岩石圈的Vs比西非海盆減少約0.1 km/s，年齡估計是15-30Ma。
在picking過程中採用微分手段，把速度記錄轉成加速度記錄比較準確地標出P波和S波到時。由於海底測站之數量與分布都還太少，因此不管是一維或是三維速度模型在海域部分並不是非常精確，想要有精確的速度模型必須有較多長期的海底測站收錄大量的地震資料以獲取理想的波線，建議未來能部署更多OBS，除了建立精確的速度模型之外，更有助於改善海底地震定位之誤差。
目前結合中央研究院、國立中山大學和國家實驗研究院等單位組成的研發團隊，已經能成功研發建造中週期OBS，本論文也針對中週期OBS的設計與元件規格做探討。實驗證明自行研發的資料記錄裝置和感震器具有記錄長週期震波的能力。

摘要(英)

Broadband records from ocean-bottom seismometers(OBSs) deployed in the Okinawa trough and the Huatung basin were analyzed to provide seafloor noise characteristics and the detection thresholds for teleseismic body and surface waves. Ambient noise levels on the horizontal components are 10-40 dB higher than on the vertical component, with the sensor seated on the surface of the sediment. On the vertical components, infragravity waves are 10-30 dB more energetic at the shallower Okinawa trough sites ( 2000 m depth) than at the deeper Huatung basin site (~4700 m). From 0.03 Hz to 0.2 Hz, the Huatung basin noise levels are comparable to that of the broadband stations in Taiwan on a quiet day. The microseism peaks (~0.2-0.5 Hz) of OBSs reach or exceed the high noise model of continental stations. At regional distances Mw 6.5 is required for recording prominent Rayleigh waves if the source radiation is unfavorable, but 6.2 is sufficient for a favorable focal mechanism. Several tens to over one hundred high-fidelity P, Pdiff and PKP waveforms have been recorded per year by OBSs at high corner frequency 0.1 Hz with a minimum Mw 5.3-6.0. The number of recording drops to less than 5 per year at 1 Hz with Mw 6.4 and distances less than 90o.
The OBS deployed ~180 km east of Taiwan provides a first glimpse into the upper mantle beneath the westernmost section of the Philippine Sea or the Huatung basin. We measured inter-station phase velocities of Rayleigh waves between the OBS and stations on the eastern coast of Taiwan. The phase velocities show smooth variations from 3.8 to 3.9 km/s for periods of 25-40 s. In this short period range, phase velocities are comparable to those characterizing the 15-30 Ma Parece-Vela basin of the Philippine Sea. The seismological evidence, together with the correlation in seafloor depth, suggests that the Huatung basin and the Parece-Vela basin may have a similar age. This is at odds with the previous geochronological study suggesting an early-Cretaceous age for the Huatung basin.
We have joint-forced with the National Sun Yat-Sen university and the Taiwan Ocean Research Institute in designing and building a wide-band OBS that is aimed for 3 month deployment in shallow waters around Taiwan. An array of 10 of this low-coast, low power budget instrument is scheduled for deployment in the northeast corner of Taiwan in summer of 2010. The experimental test is reported in this thesis.

關鍵字(中)

★ 地振動背景雜訊
★ 海底地震儀
★ 感震器
★ 花東海盆

關鍵字(英)

★ Ambient noise
★ ocean-bottom seismometers(OBSs)
★ Huatung basin
★ geophone

論文目次

第一章緒論 ……………………………………………………… 1
1.1 研究動機及背景 …………………………………………… 1
1.2 前人研究 …………………………………………………… 5
1.3 本文內容 …………………………………………………… 8
第二章海床地震動背景雜訊特性的探討 ……………………… 12
2.1 儀器與測點地質介紹 …………..…………………………… 12
2.2 地振動背景雜訊準位 …………….………………………… 14
2.2.1 0.003 - 0.03Hz頻段 ………………………………… 16
2.2.2 0.03 - 0.3Hz頻段 ………………………………… 17
2.2.3 高於0.3Hz以上頻段 ……………………………… 18
2.3 與其他OBS資料之比較 ……….……………………… 18
2.4 討論 …………………………………….………………… 20
第三章 BBOBS記錄遠震資料品質的探討及應用 …………… 28
3.1 雷利波（Rayleigh wave） ………………………………… 28
3.2 遠震P波相 ……………………………………………… .29
3.3 利用雙站雷利波進行花東海盆地下構造研究 ………… 32
3.4 討論 ……………………………………………………….34
第四章 BBOBS記錄區域地震資料品質的探討及應用………… 46
4.1 區域地震信號P波相………………………….………….. 46
4.2 OBS對於海域地震定位改善程度之探討 ……………....… 48
第五章新一代沈浮式海底地震儀之研發 ……………………… 59
5.1 國內現行OBS使用的現況與研發動機 ……………… 59
5.2 自行研發之中週期OBS的設計與元件規格 …… 61
5.2.1 儀器設計目標要求 …………………………………… 61
5.2.2 感震器設計及校正 ………………………………… 65
5.2.3 記錄裝置設計 …………………………………… 70
5.2.4 釋放（Release）裝置設計 ……………………… 72
5.2.5 OBS機構設計 …………………………………… 73
5.3 新儀器研發的初步成果 …………………………… 75
5.4 未來展望 …………………………………………… 77
第六章結語 …………………………………………………… 96
6.1 結果與討論 ………………………………………..……… 96
6.2 未來的展望 …………………………………………… 100
參考文獻 ………………….………………………..………… 102
圖目
圖1.1 地震儀的組成……………………………………………… 9
圖1.2 MicrOBS外觀（左圖）及內部構造（右圖）…………… 9
圖1.3 研院與美國木洞研究院合作建造的BBOBS ………… 10
圖1.4 本研究中，2006~2008年間部署在台灣東部海域BBOBS的相關位置圖 ………………………………………………… 11
圖2.1. 寬頻海底地震儀之功能方塊圖 ………………………… 23
圖2.2. 在沒有地震發生的平靜時期，三個OBS測站和三個BATS測站的連續三個小時平均地振動背景雜訊能譜機率………. 23
圖2.3 S002、S004和S005測站每間隔一個月的垂直分量PSD ……………………………….……………………… 24
圖2.4 四個季節垂直分量的PSD機率分佈圖 ………………….. 25
圖2.5 三個海底測站連續日期-週期-PSD分佈圖 ……………… 26
圖2.6 SN-1海底地震儀2003年1月6日一個小時的三分量地動背景雜訊PSD …………………………………………..…. 27
圖2.7 H2O和OSN-1海底地震儀水平向和垂直向地動背景雜訊PSD …………………………………………………...… 27
圖3.1 OBS部署期間收到Mw>5.5的地震 …………….…… 36
圖3.2 S002、S004、YNG和TDCB測站收到2006年11月12日發生在千島海溝，Mw5.9地震的地震位移波形 …………. 37
圖3.3 S002、S004、IGK和TDCB測站收到2006年10月1日發生在千島海溝，Mw6.6地震的地震位移波形 …………… 38
圖3.4 S002、S004、YNG和TDCB測站收到2006年11月13日發生在新不列顛島，Mw6.2地震的地震位移波形 ……… 39
圖3,5 在一年部署期間，S004測站能解析出P波相的震源路徑 …40
圖3.6 TDCB測站和S004測站收到2007年4月30日地震P波相記錄 …………………………………………………………… 41
圖3.7 S004測站(a)和S005測站(b)可收到高SNR的P波相記錄之地震矩規模Mw和震央距離△關係圖 ………………… 42
圖3.8 台灣和花東海盆（HB）區域相關位置圖 ………………… 43
圖3.9 雙站垂直分量雷利波波形記錄 ………………………….. 44
圖3.10 兩組測站相速度的平均值 ……………………………… 45
圖4.1 自2006年9月12日至2007年5月7日S002和S004測站同時有效記錄期間，震源距離S002測站30～180公里以及S004測站100～340公里發生在台灣東部海域的地震紀錄之震源分佈 ………………………………………………...…… 50
圖4.2 S002和S004測站收到2006年9月14日20:47、2006年11月13日22:29及2007年3月8日15:37地震P波相記錄，和經過微分後之加速度震波圖 ……………………...…… 51
圖4.3 2006年9月14日20:47、2006年11月13日22:29及2007年3月8日15:37地震之震源機制解和OBS測站位置圖 …52
圖4.4 自2006年9月12日至2007年5月7日S002和S004測站同時有效記錄期間，震源距離S002 30～180公里以及S004 100～340公里發生在台灣東部海域的地震紀錄之P波SNR與地震規模（最小2.5）、震源距離的關係圖 ……………………. 53
圖4.5 用於海底地震定位之台灣東部海域一維P波速度模型… 54
圖4.6 經過hypoDD地震定位之結果 …………………………… . 55
圖4.7 利用3維速度模型（Wu,2007）重新定位的結果 ……… 56
圖4.8 加入OBS資料前後地震定位的結果 ……………………… 57
圖5.1 新一代OBS之功能方塊圖 ………………………………… 78
圖5.2 ES-1感震器之功能方塊圖 ……………………………… 78
圖5.3 ES-1感震器之頻率-震幅響應曲線圖 ….………………… 79
圖5.4 ES-1感震器之頻率-相位響應曲線圖 …………………… 79
圖5.5 STS-2和ES-1在YHNB測站無地震時（2009/10/05 03:00 – 04:00）的波形歷時、頻譜、PSD ……………………………………… 80
圖5.6 Q330 quick view畫面 …………………………………… 81
圖5.7 編號1地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖 ………………….………………………. ..82
圖5.8 編號2地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖 …………………………………...………. 83
圖5.9 編號3地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖 …………….…………………………… 84
圖5.10 編號4地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖 ………………………………………… 85
圖5.11 編號5地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖 ………………………………………….. 86
圖5.12 編號6地震記錄的三軸震波歷時、能譜機率、震波頻譜和coherence分析圖………………………………….………… 87
圖5.13 本研究採用之感震器平衡環及感震器外觀 ……………… 88
圖5.14 資料記錄器之功能方塊圖 …………………………… 89
圖5.15 資料記錄器之時鐘對時校驗圖 ……………………… 89
圖5.16 聲波在海水中的傳播損失與聲波頻率f (kHz)的關係圖… 90
圖5.17 Anchor 釋放機構 ………………………………………… 90
圖5.18 新設計之OBS外觀 ……………………………………….. 91
圖5.19 Q330所記錄到發生在2009年4月7日千島群島附近規模6.9的地震的波形歷時 …………………………………… 92
圖5.20自行研發的記錄器所記錄到發生在2009年4月7日千島群島附近規模6.9的地震，ES-1感震器N-S分量經10秒低通濾波後之波形歷時 ……………………………………………… 93
表目
表4.1 加入OBS 資料前後以一維速度模型進行地震定位的結果…58
表5.1 儀器比測期間，在爺亨測站（YHNB，24.67N 121.37E）收到之地震震源參數表 …………………..………………….….….. 94
表5.2 OBS主要零組件 …………………………………………. 95

參考文獻

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指導教授

郭本垣、王乾盈
(Ban-Yuan Kuo、Chien-Ying Wang)

審核日期

2009-12-21

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