地球所多年來進行各種基礎研究並發揮地球科學兼具基礎與應用的特性,一方面利用台灣活躍的地質環境來發掘與測試有關板塊邊緣之地殼變形及隱沒活動之新假說與想法,一方面戮力環境變遷的基礎研究並應用於降低台灣的天然災害。1999年9月21日的集集大地震,引起國際地學界對台灣空前的重視,政府也對地學研究支持有加。台灣島是一個非常良好的天然實驗室,提供了各種地質條件及作用供我們研究,但本所的研究範圍並不只限於台灣本島,許多同仁從事更廣大、更全球性的研究,空間擴及整個亞洲及其他地區。本所目前主要研究為:

一、環境地球科學與地表作用

(一)水文環境研究

臺灣降雨量的時空變遷及在全球氣候變遷下的可能變化趨勢,並發展臺灣週圍區域性氣候及降雨變化模式及預測的能力。
集集地震對濁水溪沖積扇地下水文變化的影響。
(二)地表土壤侵蝕、沉積物的搬運與沉積

分析台灣地區土壤中落塵核種分布與降雨、地形、植被等因子的關係,並據以發展因地制宜的土壤侵蝕模式。
從落塵核種於台灣周遭海域的沉積紀錄,計算沉積速率並分析海域沉積與陸地侵蝕的關聯、地震及洪水造成濁流層的歷史紀錄等。
(三)亞洲古環境變遷

本所主題計畫「亞洲古環境變遷:海陸關連與對比」,結合國內大學從事相關研究之精英,從陸地上及海洋中尋找各種時間尺度的紀錄,加以解析及比對,期望對晚更新世以來亞洲地區之環境及氣候變遷進行系統性的研究。研究材料包括海洋沉積物岩心及陸地上的湖泊沉積物岩心、黃土、鐘乳石等,方法則包括同位素地球化學、古生物、古地磁、岩石磁學等。

二、地球的結構、動力與演化

(一)地球內部的三維成像(1)下地幔之3-D成像。(2)下地幔熱邊界層的溫度性質。(3)小尺度核幔邊界與內核結構的空間變化。

(二)地球內部之物理與化學性質

過去三十年來,地球科學家已確定多種存於高溫高壓的新矽酸鹽礦物相,一般相信這些礦物相也應是構成地球內各部分的物質,故此等矽酸鹽相之理化性質將左右吾人對地球深部的瞭解。在未來數年,擬從常溫常壓實驗著手,藉布里安散射法探討各高壓相的彈性性質,再漸進至高溫高壓的研究。

(三)亞洲大陸生長與地體構造

研究世界兩大型態的造山作用:增積造山(Accretionary Orogen)及碰撞造山(Collisional orogen)。中亞造山帶為世界最大的顯生宙增積造山帶,它提供了最佳的研究大陸地殼增生的條件,我們也探討台灣及日本的增積造山作用。至於碰撞造山帶則以喜馬拉雅山造山帶最為聞名,我們研究青藏高原及中南半島之地塊縫合帶中的隱沒與碰撞紀錄,重建這些地塊碰撞造山的過程與結果,及碰撞後之火成作用。
研究大陸地殼為因應碰撞與隱沒作用而引發的超高壓或超高溫變質作用,以及這些作用所導致的礦物變化、元素分配與岩石物性在時空上的改變。
三、類地行星的原料及其演化

本所與美國Argonne國家實驗室及田納西大學,合作建造一台雷射游離飛行時間質譜儀(綽號Dust buster),它的靈敏度比目前的儀器提高100-1000倍,將用來分析隕石內保存的星塵,以及NASA星塵號太空船由彗星採回的微塵標本。透過分析標本,預期可以得知元素是如何在恆星內部形成、在太空凝固成星塵,又如何漂流到太陽系。

同時本所也在進行與這個實驗相輔相成的理論研究,合作對象是本院天文所及清華大學研究恆星—行星系統形成的同仁。利用Dust buster測試我們最近提出造成太陽系最早固體的X-Wind模式,並進一步研究這些固體如何形成彗星與小行星,最後再進一步累積成類地行星。並且使用現有的熱游離質譜儀,尋找Be-10放射性同位素在太陽系早期存在的證據。並由此了解與X-Wind應同時發生的早期太陽系之閃焰所引起的核反應,是否為這些放射性原子核的來源。

四、台北都會區地震學研究

大台北地區為我國的政治、經濟重心,區域內人口眾多,近年來重大公共設施(例如超高大樓與大眾捷運系統)增加快速,因而受到鄰近地區所發生之災害性地震威脅也逐漸增加。本所近年投入大量的人力和物力,研究台北都會區的災害地震及其所引發的強地動特性。主題計畫「台北都會區強地動、活斷層及地震研究」Strong Motions, Active Faults, and Earthquakes in the Taipei Metropolitan Area(SAFE-Taipei)為二階段的三年期計畫(第一階段2005年到2007年及第二階段2008年到2010年),第一階段將包含四個子題:(一)台北都會區地震及活斷層活動特性;(二)台北都會區地下孕震帶構造;(三)台北都會區強地動特性;(四)建置台北都會區井下地震儀陣列;(五)發展數值計算方法。第二階段將著重在強地動模擬及已知斷層之破裂機率預估。這些研究工作,除了解決都會區地震學之基本問題外,更有助於台北都會區之地震防災和減災工作(圖1)。本主題計畫之子計畫主持人,除了本所之地震工作學者外,還邀請交通部中央氣象局、中央大學地球物理研究所及中正大學地震研究所的學者參與。除了與國內同行合作外,國際合作將有助於本計畫研究內涵和成果的深度與廣度,為此我們將推動與美、日、法等國的學者合作研究。

圖1、世界上有許多城市發展在盆地上,如台北、洛杉磯和墨西哥市,這些城市又剛好在地震帶上,盆地將地震波能量聚在一起,經常造成加倍的災害。地球所正聯合國內各研究單位以井下地震儀和平行運算等新發展的技術,研究地震波在盆地中的傳遞與放大效應。加州理工學院在洛杉磯盆地研究中的經驗與技術將對此一計畫提供有力的支援。

五、板塊邊界觀測站

台灣板塊邊界觀測(Plate Boundary Observatory in Taiwan, PBOT)計畫乃結合地殼應變的各種量測工具,觀測板塊邊界上不同時間與空間尺度的地殼變形,以充分掌握四維(空間三維及時間)的板塊邊界變形特性與機制。這些工具包括地震學、全球衛星定位系統(GPS)、合成孔徑雷達差分干涉法(InSAR)、井下應變儀和地震地質學等方法,具有互補及相輔相成的效果。地球所自2002年起,投入人力與經費,逐步啟動PBO-T之研究項目。

地表變形為建立四維板塊邊界模型的最基本資料。數年之GPS資料,其敏度可達到10-12至10-13。至2005年,台灣GPS密集連續觀測網將擴充為200站,能更精準地描繪出台灣地殼的變形模式(圖2)。InSAR對地殼變形之監測敏度與GPS大致相同,但對地表之變化,尤其是地震前後之地形、地貌的改變,能提供大尺度的全景。GPS與InSAR所觀測的地表變形全貌,可成為地震後應力分配控制餘震之模式分析的重要邊界條件。井下應變儀直接量取地殼內的應變而具備探測10-12至10-14應變率的敏度,故不需要靠長時間的觀測來累積足以分辨的應變量。應變儀有能力偵測出緩慢釋放應變能量的所謂「慢震」,為地震物理的研究提供新的觀測資料。PBOT需要用地震學的方法透視地殼,以描繪主要斷層在地殼深處的位置和研判盲斷層存在的可能性,並探討板塊相對運動造成的總擠壓如何分布各斷層上的問題。地震學的運用將GPS、InSAR等空間二維模型延伸到三維。

在PBO-T的第四維-時間上,地震儀對應的是「秒」,應變儀是「天」,GPS和InSAR則是「年」;「百年」以上之長時間尺度觀測能力則由地震地質學提供。地震地質學的研究是藉著槽溝開挖、地形分析、地質學觀察以及精確詳細的定年,了解同一斷層系統中地震重複發生的週期及錯動量在時間軸上的分布,以及地震的運動學特性及地體構造機制。地球所和台灣地質界在這方面已有堅強的基礎,目前本所構造地質學的專才已全力投入此一在台灣尚屬新興的古地震學研究。

圖2、了解台灣之地震與地質現象的成因,必須從研究大區域的板塊構造著手。全球衛星定位系統(GPS)便是監測板塊相對運動的利器。地球所的科學家領導台灣的GPS觀測地殼變形研究,也參與菲律賓的GPS計畫。左圖為以歐亞陸塊為參考點,台灣、呂宋兩地的GPS測站速度(1996-2000年)。由紅色箭號的長短可看出,由呂宋、巴丹、蘭嶼、綠島和海岸山脈組成的呂宋島弧,在台灣附近撞上歐亞板塊陸緣而形成山脈;橫跨台灣造山帶的聚合率約80 mm/yr。在菲律賓,島弧離北方板塊旋轉軸更遠,聚合速度因而比台灣來得大。

六、隱沒帶之整合研究

岩石圈隱沒帶、地幔及島弧火山和弧後盆地組成一個獨特的動力與化學系統。本所雖在過去對板塊地震之發生機制及島弧火山地化性質著墨甚多,但對隱沒系統之整合研究並未發展成熟。將此一系統之物理與化學特性,視作一跨領域的研究目標是目前地球所正在醞釀的方向。我們將投入人力和資源,由地震學、流體力學與地球化學著手,探討隱沒帶系統。

(一)地幔楔三維構造與動力學

在2000年以後,台灣的陸上地震觀測網無論在頻寬和密度上都已臻成熟,地球科學界開始思索兩個問題,一是如何向東延伸,涵蓋外海地震,二是如何增加觀測孔徑,涵蓋深部構造。海底地震儀(OBS)便是達成此二目標的最佳選擇。地球所於2002年起規劃OBS計畫,傾向以發展技術難度較高之寬頻OBS為主,和大學主導之短週期儀器有所區隔。

迄今,寬頻OBS之技術仍未標準化或商業化,國際間各大實驗室莫不投入人力研發。目前的技術瓶頸包括如何降低功率以維持一年以上之長期部署,降低海浪、洋流與氣壓變化帶來的噪音,以及如何有效率地回收資料等。Wood Hole Oceanographic Institution(WHOI)不但有一個經驗豐富的工程團隊,也有札實的學理研究作為後盾,並享有充裕的資源。地球所的研究人員和工程師們在WHOI的實驗室,以六週的時間由零件組裝與測試做起,此一梯次完成了第一套寬頻OBS。第二梯次(2005年9月)將完成另外三套,並進行淺海測試。

向外海延伸是台灣地球科學界的共識。除了中研院的寬頻和大學的窄頻OBS外,中央氣象局正與學界共同規劃利用退休之海底電纜連接OBS,以發揮即時資料傳輸的測報功能。屆時台灣外海的地震特性、板塊結構,以及深部構造之面貌將逐漸精準地浮現,那將是地球科學研究的一個新紀元。

(二)島弧岩漿之生成與演化

島弧系統火山岩在地球化學特性上的異常分布反映著隱沒、對流與岩漿生成機制之不同。地球所將持續加強從事西太平洋島弧岩漿活動機制的研究,並著重在地殼隱沒物質對地幔中融熔作用的影響。未來數年地球化學研究的涵蓋範圍,將由台灣外海沿著琉球島弧火山前緣及弧後盆地,擴展至日本九州內陸火山。火山岩同位素在各種大地構造上的異常分布,是檢驗地幔楔動力系統各種參數的條件之一;同時以物理與化學的方法來探討地幔楔,是挑戰性極高的整合研究。此外,將發展新引進的Re-Os同位素實驗方法,研究來自地幔楔之島弧火山岩中捕獲岩的同位素,並由此推論島弧岩漿生成及因隱沒作用引起的地殼-地幔之交互作用。