利用永久性散射體差分干涉法探討台南地區之地殼形變

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林耕霈(Geng-Pei Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

地球物理研究所

論文名稱

利用永久性散射體差分干涉法探討台南地區之地殼形變
(Crustal Deformation of Tainan Region from Persistent Scatterer Interferometry)

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摘要(中)

為了瞭解台南地區活躍的地表變形以及隨時間的變化，本研究利用永久性散射體差分干涉法（PSInSAR）分析1993年至2000年之52幅ERS衛星影像與2005年至2008年之21幅Envisat衛星影像，探討台南地區的垂直向地表變形。本研究使用StaMPS軟體處理衛星影像，濾除各種雜訊，得到各時間段之衛星視線方向（LOS）平均速度場和時間序列，並推算垂直位移速度。結果顯示台南台地的 1993 年至 2000 年間，抬升與時間高度相關，並且隨台地地形均勻分佈，逐漸累積，相對於TN01 呈現 5-8 mm/yr 抬升，而大灣低地的下陷也是如此，並且比台南台地西側下陷速度較快，約為-10 mm/yr。結果中發現1999年集集地震（Mw=7.6）未在台南地區造成顯著的同震位移，由1999年至2000年間的時間序列也未發現顯著震後效應。但2005年至2008年期間，台南台地的抬升不再均勻，有北端高於南端 5 mm/yr 的現象，而大灣低地由下陷轉為抬升，相對於 TN01 達到10 mm/yr。此現象顯示2001以後台南地區經歷了抬升現象的轉變，為了研究這一現象，本研究對2005年至2008年資料作單點時間序列分析，也比對2001年至2007年的精密水準測量結果，發現大灣低地在2005年中後出現顯著抬升，並且於2006年、2008年各有一次快速抬升。為了探討上述現象與地下泥貫入作用的關係，本研究使用有限對稱源模型作格點搜尋，模擬地表變形並比對PSInSAR觀測值，討論泥貫入體的存在以及可能的形貌，結果顯示彈性半空間的橢球體模型可以模擬2000年以前台南台地的抬升而無法模擬大灣低地的下陷，而2005年以後台南地區的抬升形貌則需以深度較深且橫跨台南台地和大灣低地的平盤狀模型模擬。模型測試的結果顯示台南地區的抬升轉變可能是淺部較小的壓力來源向深部遷移，推測這可能與台南地區地下有具活動性的泥貫入作用有關。過去對台南台地構造提出的構造解釋為逆衝斷層與背衝斷層組成的彈出構造，但未考慮與泥貫入體的關聯性，本研究比對前人所作之物理模型，發現泥貫入體和彈出構造並不衝突，建議台南地區地下構造應同時考慮泥貫入體與彈出構造。

摘要(英)

This study used 52 SAR images from ERS during 1993-2000 and 21 SAR images from Envisat during 2005-2008 with PSInSAR method to discover the crustal deformation of Tainan region. The StaMPS method was employed to estimate and remove the influence of errors, then produced Line-Of-Sight mean velocity fields and time series to infer vertical motion of ground. The result shows that, during 1993-2000, the uplift pattern of Tainan tableland is highly correlated with time and topography, about 5-8 mm/yr relative to TN01 benchmark. And the west part of tableland, the Dawan lowland with high subsidence rate about –10mm/yr. From this data set, last 10 images after 1999 Mw=7.6 Chi-Chi earthquake didn’t present significant coseismic or postseismic effects until late 2000. From 2005-2008, the uplift pattern of Tainan region was different form previous, north part of Tainan tableland uplifted with 10 mm/yr which was 5mm/yr higher than the south part. Dawan lowland turned to uplift with 12 mm/yr. This phenomenon indicated that Tainan region experienced a transition of uplift. To understand when the transition began, single point LOS time series analysis was applied and compared to precise leveling measurements. Both measurements revealed the transition of Dawan lowland began from 2005. Furthermore, from LOS time series, 3 rapid uplift events were found at middle 2005, late 2006 and late 2008. To discuss the relationship between deformation and mud diapir, forward modeling with grid searching was utilized to elastic half-space spheroid sources. Before 2000, the topography correlated uplift pattern of Tainan tableland could be modeled by an ellipsoid centered at 3 km depth, but the 2005-2008 uplift pattern required a deeper and wider penny-shaped crack source across Tainan tableland and Dawan lowland. The difference of source model inferred the transition of uplift pattern was related to the migration of pressurized source. The interpretation of the source migration could be the active mud diapirism and based on published physical model results, the pop-up model could form with mud diapirism, this study then suggest active mud diapirism should be considered with current pop-up model.

關鍵字(中)

★ 泥貫入體
★ 後甲里斷層
★ 台南台地
★ 永久性散射體
★ 差分干涉
★ 地殼形變

關鍵字(英)

★ mud diapir
★ Tainan
★ Crustal Deformation
★ Persistent Scatterer

論文目次

中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
第一章緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究內容簡介 12
第二章區域地質概述 5
2.1地形概況 5
2.2地層 5
2.3區域斷層 8
2.4前人研究 9
第三章永久散射體差分干涉法 19
3.1雷達 19
3.2側視雷達與合成孔徑雷達 20
3.2.1側視雷達 20
3.2.2 雷達影像解析度 20
3.2.3 合成孔徑雷達 20
3.2.4 SAR影像 21
3.3 傳統雷達差分干涉法與誤差 22
3.4 永久散射體干涉法 23
3.4.1 生成干涉圖 23
3.4.2 相位穩定性分析 24
3.4.3 選取PS點 26
3.4.4 三維相位解算與位移估計 26
3.4.5 StaMPS的軟體架構和其他功能 27
第四章結果分析與正演 37
4.1資料取得與處理 37
4.1.1 SAR影像 37
4.1.2 StaMPS處理結果 37
4.1.3 StaMPS的誤差估算 38
4.2 PSInSAR觀測之地表變形 38
4.2.1 1993-2000之結果 37
4.2.2 2005-2008之結果 37
4.3 資料比對 39
4.4 有限源正演 40
4.5 有限源正演：1993-1999之變形形貌 40
4.6 有限源正演：2005-2008之變形形貌 40
第五章綜合討論 62
5.1 水平位移對永久散射體干涉的影響 62
5.2 大灣低地與台南台地的抬升 62
5.3 以有限源模擬泥貫入體的限制 63
5.4 泥貫入體與衝頂構造的關係 64
第六章結論 75
參考文獻 76
圖目錄
圖1.1：台灣地體構造與研究區域。 3
圖1.2：1906-2007間台南地區的地震分佈和時間關係。 4
圖2.1：台灣西南部地形和主要斷層。 11
圖2.2：台南背斜之東西和南北向震測剖面。 11
圖2.3：台南一號井及震測資料圖。 12
圖2.4：台南地區之殘餘布蓋重力異常圖。 12
圖2.5：後甲里斷層震測剖面。 13
圖2.6：PSInSAR時間序列與降雨之比較。 14
圖2.7：台南地區地下構造。 15
圖2.8：台南台地的DInSAR結果和衝頂構造模型。 15
圖2.9：饒瑞鈞等（2003）所做的正演模型。 16
圖2.10：Huang et al.（2009）的DInSAR成果和正演模型。 17
圖2.11：西南部泥貫入體構造剖面示意圖。 17
圖2.12：與台南背斜、中洲背斜相關之泥貫入體。 18
圖3.1：衛星側視雷達的測量幾何。 29
圖3.2：側視雷達(SLAR)架構圖。 29
圖3.3 合成天線陣列示意圖。 30
圖3.4 SAR訊號處理流程示意圖。 30
圖3.5：有無SAR處理的衛星強度（Amplitude）影像比較圖。 31
圖3.6：SAR影像的像素和複數資料。 31
圖3.7：相位的定義。 32
圖3.8：雷達影像的和地表平面的關係。 32
圖3.9：地表坡度和ERS衛星影像地表解析度的關係函數。 33
圖3.10：ERS-2衛星於1998/04/16獲取的台灣西南部地區影像。 33
圖3.11：DInSAR原理示意圖。 34
圖3.12：合成孔徑雷達差分干涉 (DInSAR)的流程。 35
圖3.13：非PS像素和PS像素的示意圖。 36
圖3.14：DInSAR干涉圖中主影像和副影像的空間關係。 36
圖4.1：本研究選用的SAR影像圖幅。 45
圖4.2：1993-2000之地形殘差。 46
圖4.3：1993-2000之大氣誤差與軌道殘差。 46
圖4.4：2005-2008之地形殘差。 47
圖4.5：2005-2008之大氣誤差與軌道殘差。 47
圖4.6：1993-2000的PSInSAR時間序列。 48-50
圖4.7：台南地區1993-1999之LOS平均速度場。 51
圖4.8：台南地區1993-1999之LOS平均速度場各點標準差。 51
圖4.9：1996-1999的PSInSAR結果。 52
圖4.10：2005-2008的PSInSAR時間序列。 53
圖4.11：台南地區2005-2008之LOS平均速度場。 54
圖4.12：台南地區2005-2008之LOS平均速度場各點標準差。 55
圖4.13：AA’投影剖面。 55
圖4.14：2005-2008之GPS與PSI時間序列比較。 55
圖4.15：四種有限橢球體源示意圖。 56
圖4.16：貫入體的三維形貌示意圖。 56
圖4.17：對1993-1999變形形貌採用的模型幾何。 57
圖4.18：1993-1999的觀測值和橢球體模型值與殘差。 58
圖4.19：1993-1999的觀測值和模型值投影剖面。 59
圖4.20：盤狀模型的誤差空間與最佳解。 60
圖4.21：2005-2008的觀測值和模型值投影剖面。 60
圖4.22：對2005-2008變形形貌採用的模型幾何。 61
圖5.1：後甲里斷層 1999~2006 年水平方向速度場與剖面圖。 65
圖5.2a：評估PSI時間序列的16個水準182測線站點。 65
圖5.2b：PSI單點時間序列。 66
圖5.3：台南台地的精密水準測量結果。 67
圖5.4：Mount Sedom鹽貫入體的LOS速度場。 68
圖5.5：Mount Sedom鹽貫入體的DInSAR時間序列。 68
圖5.6：台南地區2001-2003之GPS應變場。 69
圖5.7：側向壓縮環境下貫入體的物理模型。 69
圖5.8：貫入體與逆斷層發育的物理模型 70
圖5.9：三種不同側向壓縮條件下的貫入體物理模型。 71
圖5.10：本研究推論的1993-1999年地下構造形貌。 72
圖5.11：本研究推論的2005-2008年地下構造形貌。 73
表目錄
表2.1：台南區域之地層年代表。 7
表3.1：無線電波的波段分類和衛星。 19
表3.2：根據Hooper（2006）整理的各誤差的時空間特徵。 27
表4.1：ERS衛星1993-1999的SAR影像參數。 42
表4.2：ERS衛星1993-2000的SAR影像參數。 43
表4.3：Envisat衛星SAR影像之參數。 44

參考文獻

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指導教授

張中白、張午龍
(Chung-Pai Chang、Wu-Lung Chang)

審核日期

2012-8-27

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