地殼變形監測

概述

概述 | 測站分布與設備介紹 | 研究方法與原理

        陽明山國家公園由於擁有獨特的火山地質地形,並且緊鄰大台北都會區,陽明山國家公園管理處自民國74年成立以來,即積極進行園區內火山地質與火山監測的各項相關研究工作。民國88年更因發現區內氣體含量與活火山相似,遂加速展開長期監測之研究與調查(圖一)。


圖一 大屯火山群地質。


圖二 大油坑口。

        根據日本、美國、紐西蘭和菲律賓等國家監測火山活動的經驗得知,除了地震觀測外,火山監測可利用多種其他方法,例如地殼變形、地表的地質調查、溫泉水成份分析、氣體採集分析、岩石礦物定年研究、震波測勘、重力、磁力測量、電磁波測勘、大地電阻法等。其中為了了解大屯火山的地殼變形,已在大屯山地區設立一個長期性地殼變形觀測網,利用精密的全球定位系統儀器,來測量微小地殼變形,希望透過此研究,辨識大屯山地區岩漿之存在與否(圖二)。

圖三 衛星軌道距地球20,000km。

        所謂全球衛星定位系統(Global Positioning System,通常簡稱GPS),又稱全球定位系統,是一個中距離圓型軌道衛星導航系統(如三)。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位。目前正在運行且較為成熟的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統,另外還有中國的北斗衛星定位系統(BDS)以及近期歐盟推出的Galileo系統,共計約64顆導航衛星(圖四)。該系統利用地面上GPS站來接收用導航衛星之訊號,來計算地球上GPS站所處的位置及海拔高度,最少只需其中4顆衛星,即可得到連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的資料,就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及高度(圖五)。而所能收聯接到的衛星數越多,解碼出來的位置就越精確。

圖四 全球衛星定位系統。

圖五 利用GPS得到三維運動資訊。

        GPS系統擁有如下多種優點:不受日夜、任何天氣的影響,可全天候監測;接收高空衛星訊號,因此測站間無須通視;快速得到高精度三維資訊,快速、省時、高效率;操作簡便,能夠達成監測自動化。


測站分布與設備介紹

概述 | 測站分布與設備介紹 | 研究方法與原理

        目前於陽明山國家公園內設置一共有七個地殼變形觀測站,並利用中研院的GPS(S101)作為基準站來監測七星山附近之火山活動可能引起之地殼變動(圖六-1)。包括於竹子湖(YM01)、菁山(YM02)、萬里(YM03)、八煙(YMN4)、冷水坑(YM05),並於2013年3月增設馬槽(YM06)與小油坑(YM07)兩站(圖六-2),其中又以冷水坑(YM05)、馬槽(YM06)與小油坑(YM07)搭配10米深井下傾斜儀作為地表傾斜的量測紀錄。

圖六-1 基準站與監測站之地理位置。

圖六-2 七個地殼變形觀測站。




研究方法與原理

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GPS定位原理

        以地心為三度空間座標上原點(圖七),XY 軸在赤道平面上, X 軸貫穿經度 0 度與180 度,Y 軸貫穿東西經 90 度,Z 軸貫穿南北兩極,距離地心半徑 R 的球體方程式如下:


X2+Y2+Z2=R2



利用全球GPS導航衛星,在地球上任何地方只要能接收四顆衛星資料,就可以計算出在地球上的位置(圖八)。GPS衛星傳遞的訊號包括衛星自身(a, b, c)座標資料以及發射時間,那麼GPS接收儀就可以利用這些資訊計算位址,經過長時間的資料累積解算與分析回歸,最高精度可達0.1毫米。

圖七 計算地球上位置之參考座標示意圖。

圖八 四顆衛星即可解算。



傾斜儀量測原理

        AGI-Lily井下傾斜儀是專為火山和構造研究所設計,並能針對地下變形過程作監測,運用在學界與工程界領域已有25年的經驗。AGI-Lily屬於雙軸傾斜儀可量測東-西向與南-北向的傾斜方向,其中包含兩個電極傳感器(X與Y傾斜軸),當儀器傾斜時,會產生的電阻變化給傳感器,而傳感器輸出轉換成使用率定對應的相對目標量,得到數位化的傾斜角度,最高精度可達<5×10-9徑度。