多模環境噪音雙波束成像層析法：揭示台灣中部增積楔構造
劉承楠、林凡奇
Department of Geology and Geophysics, University of Utah
台灣是世界上最活躍的造山帶之一，活躍的板塊擠壓與地殼變形造就了台灣擁有複雜的地形與地質構造。為了更清晰地描繪台灣中部造山構造，我們利用中台灣東西向的密集地震陣列，及環境噪音層析成像技術(Ambient Noise Tomography, ANT) (圖一)，建構了一個高解析度的二維剪切波速模型(圖二)，並對已知地質結構以及地震分佈進行比較。
在研究過程中，我們發現基頻(fundamental mode)與高階模式(higher-mode)雷利波共同存在(圖一)，其中高階模式雷利波主要存在西部的沿海平原區。為了更準確地測定局部相速度，我們開發了一種多模雙波束聚焦方法(multimode double-beamforming method)，針對2至5秒週期範圍內的雷利波進行分析，獲得陣列沿線的相速度分布。在相速度反演過程中，我們針對每個測點，將所有可用的基頻與高階模式相速度共同反演，並應用貝葉斯方法(Bayesian-based inversion method)來反演一維速度結構。最終，我們將所有獨立的一維模型整合，以構建從地表至約10公里深度的高解析度二維剪切波速模型。
我們發現，反演後建立的二維剪切波速模型清楚地描繪出台灣中部主要構造邊界及斷層幾何特徵，並驗證了先前提出的前楔(pro-wedge)與後楔(retro-wedge)造山模型。同時，該模型提供了新的視角，有助於深入理解該區域的地殼構造與地震危害特性。透過本研究，我們不僅強化了對台灣造山帶動力學機制的認識，也為區域性地震風險評估提供了重要的地球物理依據。
圖一、(a)台灣的構造地圖與本研究使用的地震儀測站(黑色三角形)。主要地質區域：CP(濱海平原)、WF(西部麓山帶)、HSR(雪山山脈)、CR(中央山脈)、LV(花東縱谷)、CoR(海岸山脈)、TVG(大屯火山群)、TB(台北盆地)、IP(蘭陽平原)。星號標示1999年集集大地震(Mw 7.6)震央，海灘球表示其震源機制。棕色線代表前陸盆地深度等高線。藍色矩形框示範本研究的重點區域(b)2至5秒垂直向互相關函數(Cross-Correlation Functions)，顯示西海岸邊M02測站與其他測站之間的信號範例。
圖二、(a)反演得到的2-D剪力波波速模型，垂直方向較水平放大2倍以加以顯示各區域細部的構造。黑色虛線標示0.5 km/s等速線，開放圓點顯示1991至2020年的背景地震分布。灰色束線區間標示測量誤差較高的區域。紅色虛線表示台灣西部的主要構造與斷層(修改自Yue et al., 2005)。CF(彰化斷層)、CLPF(車籠埔斷層)、ST(大茅埔-雙冬斷層)、SLKF(水里坑斷層)、TT(地利斷層)、LVF(縱谷斷層系統)。(b)與(a)相同，但為Huang et al. (2014)參考模型，比較(a)與(b)可以明顯看出新模型解析度較高。(c)與(a)相同，但未進行垂直放大。黑色圓點標示與(a)相同的背景地震分布，黑色虛線則代表濱海平原下方的清水頁岩及中央山脈西側的佳陽層。
參考文獻
Huang, H.-H., Wu, Y.-M., Song, X., Chang, C.-H., Lee, S.-J., Chang, T.-M., & Hsieh, H.-H. (2014). Joint Vp and Vs tomography of Taiwan: Implications for subduction-collision orogeny. Earth and Planetary Science Letters, 392, 177–191. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.02.026
Liu, C.-N., Lin, F.-C., Huang, H.-H., Wang, Y., & Gkogkas, K. (2024). Multimode ambient noise double-beamforming tomography with a dense linear array: revealing accretionary wedge architecture across Central Taiwan. Geophysical Journal International, 239(1), 467–477. https://doi.org/10.1093/gji/ggae283
Yue, L.-F., Suppe, J., & Hung, J.-H. (2005). Structural geology of a classic thrust belt earthquake: the 1999 Chi-Chi earthquake Taiwan (Mw=7.6). Journal of Structural Geology, 27(11), 2058–2083. https://doi.org/10.1016/j.jsg.2005.05.020