地球物理探勘

2017-12-06

地球物理探勘係透過精密儀器量測岩石與岩層的物理性質,根據物性之不同以分別或判斷岩石的種類與性質,再由施測得到的空間物理特性之改變,找出地層的空間延伸與不連續的分佈,用來推測地下構造或地球結構的方法。

 

一般地球物理探測活動斷層的作法,由於多無法確定斷層與斷層帶之物理性質如何,因此很少直接嘗試探測斷層帶的位置,而往往是藉由建立指準層面(index horizon),藉由追尋指準層面於上下盤的落差與錯動,判斷斷層的存在大致位置、深度與斷層面的位態。再藉由鑽井或其他解析度相當或更高的地球物理方法進行驗證。而前述的指準層面,指的是一個相應於岩性變化或地層面,造成的特定物理性質變化的界面。例如震測與透地雷達中的反射面、地電阻探測中的電性界面…等。指準層面的建立,有賴於在已知的斷層上盤與下盤地質剖面、地質鑽井附近施作的地球物理解釋剖面,藉由對比,建立可資追尋、反應錯動程度的指準面。因此,若已建立一區域性的指準層面,並了解指準層面於斷層上盤與下盤之相應深度。則後續可依地球物理探測的指準層面深度,判斷施測位置位於斷層之上盤或下盤,並藉由夾擠施測方式,逐步定義斷層通過之位置(張竝瑜,2015)。

 

以下為常用來探勘地質構造的方法。

 

直流地電阻法 (Direct Current Resistivity Method)

岩石由於組成材料、含水及膠結狀況不同,表現出不同的導電特性,一般以電阻率(Resistivity)代表物質的導電性質,透過精密儀器量測及分析技術,掌握地下不同位置及深度地層的電阻率,再輔以適當的地質及水文等資訊,可以用來瞭解地下地層的岩性及地下水之分佈情形,進而解釋地質構造、礦產分佈、地下水資源、及地下水污染等。由於地電阻法成本低廉且工期短,因此適用於工程地質、探礦、地下水調查、海水入侵調查與地熱及溫泉測勘等多方面。

 

常見岩石的電阻率(改繪自:Keller and Frischknecht, 1966)

 

實例:以地電阻法成功探測車籠埔斷層

 

實例:以地電阻法成功探測三義斷層

大甲溪北岸三義斷層露頭解釋與南岸之地電阻測線SY23之比對,黑框顯示照片中露頭的大致相對涵蓋範圍(視線向北)(張竝瑜,2015)。

 

電磁波法(ElectroMagnetic Method,EM)

電磁波法是一種非接觸式且準確量測的儀器,在工程及環境污染偵測等方面應用相當廣泛。係應用電磁感應原理,在地表發射線圈中通以可變頻率之交流電(通常其頻率為聲頻範圍),造成隨時間變動的原生電磁場,由於地層導電程度的差異,依據冷次定律此變動的原生電磁場會引發強度不同之變動渦電流,再引發次生電磁場;在地表離發射線圈不遠處,以一接收線圈(Receiver Coil)記錄次生電磁場強度,可藉以瞭解地下地層導電性分佈情形。常應用於地下地質、礦產資源、及掩埋物調查、....、等方面。

 

大地電磁波法(MagnetoTelluric Method Method / MT Method)

大地電磁法(簡稱MT法),係將量測地球磁場的地磁法(Geomagnetic Method),融合用以量測地球電場的地電流法(Telluric Current Method)而成,因遠方雷電所產生的電磁場,或因太陽風中的帶電粒子與地球磁場作用所產生的電磁場,在電離層與地表間重覆反射之後,以平面波型式入射進入地球內部。這種因自然力所產生的天然電磁場,包含許多不同頻率且能量非常大,可以穿透很深的地層,當地層的導電性質有差異現象發生時,便會引發不同程度的次生電磁場訊號。透過在地表量測大地電場與磁場的方式,可據以分析不同深度地層的導電性質,再據以分析地層結構。其探測深度可深達數百公尺,甚至數公里,因此很適合應用於大區域的地質調查或資源調查工作。近年來溫泉資源探勘的探測深度,約介於五百至一千公尺之間,且常需在山間地形崎驅區間施測,而大地電磁法具有野外施測容易,且探測深度大的雙重優點,故成為溫泉資源探勘的主要方法之一。

 

大地電磁法應用於溫泉探勘實例 

 

反射震測法(Reflection Seismic Method)

反射震測將人為產生之高頻震波傳入地下,由佈置在地表一系列的震波接收器,感應從地下地層界面折射或反射回地表的震動訊號,由快速的震測訊號收集系統記錄後,經過靜態修正、濾波、同中點重合、動態修正、移位、.... 、等一連串複雜的資料處理過程,最後可獲得連續的地下地層影像,是一種解析度相當高的地球物理方法之一。反射震測之原理與攝影很相似,故俗稱為地下構造照相術。一般攝影時,係利用光為介質來攝取影像,但對於地下的構造則利用震波為媒介。構成反射震測法主要有四個部分:1)震源:照亮地層,2)震波反射:被照物回光,3)震波接收:攝入底片,4)資料處理:洗相片(張竝瑜,2015)。常應用於工程地質、水文地質、地質構造、環境污染、....、等多方面。

 

反射震測法施測示意圖 撞擊式震源(張竝瑜,2015)

 

 實例:池上斷層錦園反射震測測線

池上斷層錦園反射震測測線,位於池上鄉錦園村治197縣道的東側,橫跨地形崖與受到潛移變形的邱姓民宅﹔測線的重合剖面中(圖A),有2個主要斷層,斷層面分別為高角度與低角度向東傾斜。萬安反射震測測線,位於池上鄉萬安村治萬安國小旁道路,重合剖面中(圖B)顯示以摺皺變形為主,也有小型斷層跡象﹔相較於錦園剖面中斷層兩側的層位落差,萬安剖面的落差較小,測線仍位於上盤。萬安2號反射震測測線,位於萬安測線西側農田小路,層狀構造非常清楚,上部地層進覆於另一套地層面上。富北反射震測測線,重合剖面中(圖C)岩層形成摺皺與不連續帶,摺皺兩翼形成逆衝及反向逆衝斷層。

 

池上斷層淺層反射震測結果(石瑞銓等,2001,
2003)。A:錦園測線重合剖面。B:萬安測線
重合剖面。C:富北測線重合剖面。

 

折射震測法(Refraction Seismic Method)

折射震測法(Refraction Seismic Method)是一種探測地下地層傳波特性的有效方法之一。藉炸藥爆炸或重錘下落之衝擊力產生人造震波,傳播於地下地層,因地層傳波特性不同,震波在地層界面處依斯奈爾定律(Snell's Law)發生折射現象折回地表,再藉設置於地表一系列的受波器接收。根據初達波到達時間及受波器與震源間距離關係,繪製震波走時曲線(Travel Time Distance Curve),再經逆推(Inversion)運算後,即可獲得代表測線下方之地層速度分佈。

 

折射信號與反射信號
 

以折射震測法探測風化層厚度與岩盤弱帶實例 

 

透地雷達法(Ground Penetrating Radar, GPR)

藉著發射雷達波訊號,並利用雷達波碰到物體反射的自然現象,分析反射波來回所需要的時間、波型、振幅等特徵,來判別反射體的性質(例如:管線、地層岩性、空洞等)與位置等資訊。所發射的雷達波屬於高頻的電磁波,解析度相對提高但探測深度則較小,在正常情況下其探測深度不超過三十公尺。透地雷達屬於非破壞性檢測(NDT)在施測時完全不會破壞現場,近年來被廣泛地應用地下管線、地下油槽、地下空洞、地下地質與橋墩沖蝕探測等領域。 

 

利用透地雷達探測地下管線(引用自張竝瑜,2015)

 

重力測勘法(Gravity Method)

重力測勘係在地表上用儀器測定地下密度水平變化所產生之重力變化,藉以推斷地下構造之形貌,是一種經濟、迅速且有效的地球物理探勘方法。常用在大規模的地質調查、油氣 探勘、地下空洞調查、斷層調查及經濟礦物調查等方面。重力測勘資料受地表高層、地形等之影響甚劇,因此進行重力資料解釋前需先進行,包括:偏移修正、高度 修正、緯度修正與地形修正等。

 

重力異常圖可充份反映地質構造型貌 

 

磁力法測勘法(Magnetic Survey)

透過精密儀器來量測地層磁感率變化所造成的地球磁場異常,達到間接探測地質構造或地下埋藏物位置之目的。岩石之磁性大小與磁感率及當地的地球磁場強度有關。而不同岩石之磁感率則與其中所含有礦物之種類與數量有關,富含鐵質之強磁性礦物具有高磁感率,而矽酸鹽礦物之磁感率都甚低。顯示一般沉積岩之磁感率都甚低,變質岩及酸性至中性火成岩中等,基性火成岩則有較高之磁感率。因此,磁力探勘即是量測各地點岩石之磁力大小;經由分析測勘地區之磁力異常地帶,來判斷地下異常體之形態。

 

以磁力法探測地下金屬廢棄物實例

 

空中物探法

空中磁力探測,用來量測地球全磁場強度,包括量測磁力水平梯度與垂直梯度,大幅提高探測效率與構造解析率。一般磁力探勘所量測的物理量為全磁力強度(total magnetic intensity;TMI),施測簡便且測勘人力需求少,常用於區域普查,探測大區域主要地質構造模式。(李柏村等,2015)

 

     
全磁力強度圖之磁力強度特徵。 區域磁力異常圖之磁力強度特徵。 磁力異常圖之磁力線形解釋圖。

(李柏村等,2015)

 

臺灣東北部陸海域構造分布套疊空載磁測磁力異常圖。(李柏村等,2015) 

 

地球物理井測(Geophysical Logging Method)

地球物理井測(簡稱『井測』;石油探勘界則稱之為『電測』)藉著電纜線將一系列各種不同功能的探測器深入井內,在較接近地層的自然環境下,測定地層的各項物理性質(例如:電阻率、密度、孔隙率、放射性含量等),可藉以更精確地分析有關地層界面深度、破碎帶位置、地層孔隙率、飽和含水率、透水係數、....、等珍貴的地層資料。

電阻井測

主要目的在於量測地層的電阻率。將一電流極與電位極置於地面上並保持良好的接地狀況,此時將另一電流極及電位極伸入井內,在地表量測電流強度與電位差可計算出地層的電阻率,其垂直井壁的探測深度可等於孔內電流極與電位極間之距離。

 

電阻井測法岩層分類應用實例

 

井徑井測

由探測器上探棒張開的角度,牽動連結的永久磁鐵與線圈間的相對位置,可用來量測井徑隨深度的變化情形。井徑井測記錄可以用來做為自然加馬等井測記錄修正,也可據以間接推測岩性分佈及破碎帶位置等。

溫度井測(Temperature Logging Method)

由探測器上敏感的熱耦電阻,用來記錄溫度隨深度的變化情形。由不同深度的地層溫度,可作為資料分析時校正地層物理參數的依據。

此外,鑽孔通常會成為兩裂隙間連通的管道,有時會因鑽井而使裂隙內地下水流入孔內,或鑽孔內的水流入裂隙,均會造成地溫梯度的異常變化。因此由溫度井測可用來偵測裂隙、含水層位置、水泥套封範圍或評估地熱資源。

 

溫度井測在溫泉探勘應用實例

 

自然伽馬井測(Natural Gamma Ray Logging Method)

係偵測地層中自然伽瑪射線的強度。一般而言,地層中的自然放射源主要來自如K40等放射性元素,而自然界中以頁岩(或黏土質材料)的含量較多,砂岩(或砂土)的含量較少;故當探測器位於頁岩(或黏土質材料)部份時可測得較強的伽瑪射線強度。伽瑪射線的變化除了可用以判斷砂岩、頁岩的界面之外,亦可用來推估地層中的頁岩含量。

 

伽馬井測應用於海進海退分析實例

 

聲波井測(Sonic Logging Method)

用來測定地層的傳波速度。由於地層波速與岩性及孔隙率有關,因此若由其它資料(如:岩心、自然電位井測或自然伽瑪井測等)判釋岩性後,可用來直接測定地層之孔隙率。聲波井測探測器上至少配置一組超音波發射器及接收器,超音波自發射器發射後,經由泥漿媒介傳經泥漿壁及地層後到達接收器,根據超音波自發射器至接收器所需時間,可用以計算地層的傳波速度。

 

聲波井測法探測岩層破碎帶實例

 

孔內攝影井測(Borehole Camera Logging Method)

孔內電視攝影將具照明、定位及攝影功能的探測器深入孔內,將孔壁影像數位化後,可據以用肉眼觀察井壁狀況,或由裂隙的形狀計算裂隙的傾角、走向與寬度等資訊。

 

孔內攝影井測法施測示意圖

孔內攝影井測岩層裂隙探測實例

 

參考資料:

石瑞銓、陳平護(2001)活動斷層地球物理探勘計畫(4/5)一臺灣東部地區活動斷層地球物理探勘。經濟部中央地質調查所,共 103 頁。石瑞銓、黃宏元、林啟文(2003)池上斷層中南段之淺層反射震測調查。經濟部中央地質調查所特刊,第 14 號,第 193-201頁。

李柏村、董倫道、林蔚、張碩芳(2015)宜蘭地區空載磁力與甚低頻電磁探測研究,經濟部中央地質調查所彙刊,第28號,第191-225頁。

張竝瑜(2015)重要活動斷層構造特性調查二期─活動斷層近地表構造特性調查(1/4),經濟部中央地質調查所報告。