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地球物理學(xué)是根據(jù)物理學(xué)原理，設(shè)計(jì)及使用儀器，觀測固態(tài)地球諸多現(xiàn)象，從而探討及了解地球內(nèi)部。相較於地質(zhì)學(xué)，地球物理學(xué)是較為年輕的科學(xué)，19世紀(jì)末因科技進(jìn)步，制造出適用的儀器，地球物理學(xué)才開始蓬勃發(fā)展，并愈演愈盛。地球物理學(xué)主要發(fā)展出六大類：震、重、磁、電、熱、地形變，即觀測地球發(fā)出的震波、重力、地磁、地電、地?zé)?、大地變形，根?jù)物理法則，推論相關(guān)的地球內(nèi)部特性。
地球物理學(xué)有如下特徵：（一）地表觀測：主要在地球表面進(jìn)行觀測，再推論地下深部的情況。（二）累積疊加：地球信號一般都很微弱，需利用多部儀器及多次觀測（或長期觀測），將信號累積疊加，予以強(qiáng)化。（三）逆推模擬：根據(jù)物理原理，從地表資料逆推地下構(gòu)造，或建立模型計(jì)算地表應(yīng)有之物理量，并與觀測值比較。（四）現(xiàn)今現(xiàn)象：觀測到的結(jié)果為現(xiàn)今之地球，但可建立模型，推論時間上可能之演化。（五）非唯一解：常有空間上非唯一解的問題，例如體積大、密度小的物體產(chǎn)生的重力場，與體積小、密度大者相同，需利用其他條件作為制約，以解決非唯一解的問題。
近代，藉著電腦科技之助，制造出精密耐用的儀器，且因價格降低得以大量設(shè)置，大量儀器收集到的大量資料亦經(jīng)電腦處理，信號的解析度及品質(zhì)因此大幅提升，使得地球物理學(xué)的發(fā)展一日千里，例如太空科技發(fā)揮「從高空測地球」，在短時間即可收集大范圍的資料，新的現(xiàn)象或新的觀點(diǎn)不斷被發(fā)覺出來，復(fù)雜的地球內(nèi)部也愈來愈清楚。
除了探測地球內(nèi)部、求得新知外，地球物理學(xué)對人類最大的貢獻(xiàn)在於能源探勘及天然災(zāi)害防治。利用地球物理探勘，人類才得以發(fā)現(xiàn)地下深處的油藏，造成近代文明的興盛。地震、火山、海嘯等天然災(zāi)害可以利用地球物理方法，加以了解，并使用儀器監(jiān)測，進(jìn)行防災(zāi)及減災(zāi)。
地球物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)相輔相成，二者雖以不同工具探測地球，但目的相同，都是探討地球內(nèi)部，資料可以互相溝通，建立從淺到深的地球資訊。在整體地球的架構(gòu)上，地球物理學(xué)也與大氣科學(xué)、海洋科學(xué)攜手合作，成為探索地球不可或缺之一部分。近代統(tǒng)合成為「地球系統(tǒng)科學(xué)」，對地球四大圈及各圈之交互作用，提供重要的貢獻(xiàn)，協(xié)助減緩或解決因人類過度使用地球資源，所引發(fā)的地球危機(jī)。
貳、地球物理學(xué)原理及方法
地球物理學(xué)主要有六大類：震波、重力、地磁、地電、地?zé)峒暗匦巫?，由名稱可以知道其所根據(jù)的物理原理：
（一）震波：利用波動理論，尤其是彈性體力學(xué)及物理光學(xué)的部分，以波動方程式為基礎(chǔ)，建構(gòu)震波在地球內(nèi)部傳播的過程，量測的物理量是震波速度。依理論及實(shí)用分為地震學(xué)及震波測勘學(xué)。震波從震源出發(fā)，經(jīng)過地球內(nèi)部，到達(dá)測站被地震儀接收，因此，震源、震波傳遞及強(qiáng)震地動成為地震學(xué)三大部分。震波測勘學(xué)則利用震波反射信號成像原理，為地下構(gòu)造攝影，測知其分布，從而獲取所要的地下構(gòu)造資訊，例如地下油藏。
（二）重力：利用萬有引力定律建立位場理論，以波桑方程式為基礎(chǔ)，探討地球內(nèi)部的質(zhì)量分布，量測的物理量是密度。重力場是較為單純的物理量，受環(huán)境變動影響較小，除了地面外，也可在空中及海上觀測，因此重力觀測比較便宜，可以獲取大范圍資料。近代重力儀器量測精度已可達(dá)10-8 mgal，地表觀測到的重力變化，可以提供地下構(gòu)造分布極佳的地表制約，小至數(shù)公里深的斷層構(gòu)造，大至地函柱對流，都可以在重力場變化上表現(xiàn)出來，重力方法是經(jīng)濟(jì)有效的地球探測方法。
（三）地磁：利用磁感應(yīng)公式建立位場理論，量測的物理量是地下物質(zhì)的磁感率分布。以磁力儀測量各地的磁場變化，經(jīng)去除地球磁場日變化及緯度的影響之後，如果仍有磁力異常，通常是由地下構(gòu)造或巖石的磁感應(yīng)不同所引起，一般沉積巖的磁感率遠(yuǎn)小於火成巖或變質(zhì)巖，故磁力法常用以測定基盤面的起伏，或找尋火成侵入的情形，在磁或鐵礦體的探勘上，也很有用。地磁測勘也可量取巖心的磁性及磁感方向，建立地磁反轉(zhuǎn)剖面，經(jīng)與地層年齡結(jié)合，建立地球磁場反轉(zhuǎn)史，可作為定年的方法。
（四）地電：分為地電阻法及電磁波法，地電阻法利用歐姆定律來計(jì)算通電後的地下電場，電磁波法則利用天然閃電或地球電離層及磁層變動，產(chǎn)生的感應(yīng)渦電流場的電磁波理論來計(jì)算電磁場，二者均探討地下物質(zhì)的電阻率，從而推論地下構(gòu)造分布。地電阻法大量用於大地工程基礎(chǔ)調(diào)查、地下水探查等，電磁波法則用於探測數(shù)十至數(shù)百公里深的地殼或上部地函構(gòu)造，是板塊構(gòu)造研究極為重要的方法。
（五）地?zé)幔豪脽醾鲗?dǎo)公式，測量接近地表或鉆井中不同深度的溫度值，以估算熱流密度或熱源庫強(qiáng)度。以熱傳導(dǎo)方式形成的熱流密度，是熱導(dǎo)率與溫度梯度的乘積。熱導(dǎo)率是度量熱量通過物質(zhì)難易程度的一種標(biāo)準(zhǔn)。地?zé)釡囟葴y量是地?zé)豳Y源探勘的基本工作，巖石的熱導(dǎo)率受其成分、孔隙率、溫壓等條件影響變化幅度不大，所以影響熱流密度的原因，仍以地溫梯度為主。全球平均的地表熱流密度約為每平方公尺61毫瓦，但是地?zé)岙惓^(qū)的地表熱流密度?？筛哌_(dá)每平方公尺數(shù)百毫瓦。
（六）地形變：利用大地測量方法，觀察地殼變形，從而了解板塊運(yùn)動作用下地球內(nèi)部的應(yīng)力及應(yīng)變分布。早期使用傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量，近代則利用GPS大地測量，接收人造衛(wèi)星訊號，在測點(diǎn)連續(xù)觀測地形變動。另外亦大量使用遙測，以航空器大范圍收集地表變形資料。
參、臺灣的地球物理學(xué)研究
臺灣地震頻繁，1900年代初期起，即使用近代地震儀器觀測地震，有完整的地震研究史。其他地球物理研究則與油氣探勘息息相關(guān)，1950年代，由於苗栗地區(qū)油氣探勘成功，在中新世的打鹿層及木山層發(fā)現(xiàn)大量油氣，臺灣中油股份有限公司探勘研究迅速發(fā)展，尤其是震測、重力等方法。1957年，為弭平第二次世界大戰(zhàn)後全球敵對的氣氛，聯(lián)合國發(fā)起「國際地球物理年」，全世界各國共同參與研究地球，宣示「全球都是一家人」的觀念，臺灣中華民國政府為響應(yīng)此極具意義的活動，遂結(jié)合苗栗油氣探勘，成立專責(zé)的地球物理研究所，開啟臺灣地球物理研究新頁。
油氣探勘所仰賴的反射震測法，在1960年代發(fā)展出CDP技術(shù)，以多波道多震源點(diǎn)方式，收集重復(fù)資料，經(jīng)疊加後強(qiáng)化信號，并利用當(dāng)時剛開發(fā)的電腦來處理大量資料，使得深部的構(gòu)造清楚呈現(xiàn)，成功開發(fā)陸地最大的通霄-鐵鉆山油氣田，奠定臺灣油氣探勘及開采的基礎(chǔ)。油氣探勘工作遍及臺灣西部平原及部分西部麓山帶，包括臺北盆地及屏東平原，後來更擴(kuò)大到臺灣海峽，尤其是新竹外海及臺南外海，建立起以「北港高區(qū)」為界的臺灣西部變形前緣構(gòu)造的基本架構(gòu)。
重力儀器較為簡單，在日治時期已有若干觀測，油氣積極探勘的時期，所有平原地區(qū)都有密集的重力圖，協(xié)助大構(gòu)造分布趨勢之研究，對油氣探勘幫助很大。山區(qū)的重力值則有賴中央研究院研究人員深入山區(qū)三角點(diǎn)量取，至1980年代始完成全島的重力觀測，揭示臺灣重力曲線與山脈地形分布不一致的現(xiàn)象，對臺灣造山運(yùn)動研究投下重要的制約條件，引發(fā)一直到今日仍持續(xù)不斷的臺灣三維地體構(gòu)造研究。磁力觀測方面，常與重力同步實(shí)施，也有平原區(qū)的磁力分布圖，若干海域曾實(shí)施空中磁測獲取大范圍的地磁資料，但臺灣陸地尚未做過空中磁測。地磁反轉(zhuǎn)的研究則在中央研究院有完整的發(fā)展。
四、臺灣的地震研究
臺灣地震很多，地震觀測歷史也開始得很早。臺灣地區(qū)地震觀測從20世紀(jì)初開始迄今，一百年時間內(nèi)可分為四個時期。第一個時期為1897年至1944年之日治時期，主要跟隨日本系統(tǒng)，將地震觀測業(yè)務(wù)置於氣象廳，并於全省各測候所內(nèi)設(shè)置地震觀測站，共16個，如今日之臺北、臺南、臺中、高雄、臺東、花蓮、恒春、澎湖、阿里山、宜蘭、新竹、成功、大武等氣象站均是，這些氣象站目前仍設(shè)有地震測站。日治時期使用之地震儀都為機(jī)械式，包括大森式地震儀及威赫式地震儀，這些儀器放大倍率很小，只有幾十倍，至多一百倍，并以煙紙記錄，這些寶貴的記錄目前已制成微縮影片保存。此時期發(fā)生的最大地震為1935年新竹－臺中烈震，災(zāi)區(qū)在臺中縣后里、神岡、清水及苗栗縣的獅潭至三灣一帶，共3276人死亡，是為臺灣地區(qū)有史以來最為嚴(yán)重的一次地震災(zāi)害。該地震過後，有些測站的儀器更新為電磁式，并增設(shè)了新竹、宜蘭兩個觀測站。
1945年至1972年為第二個時期，此時期為臺灣地震觀測低潮期，在設(shè)備上不但沒有增加，反而由於日治時期所遺留下來的儀器逐漸損壞，地震觀測近乎停擺。此時期仍時有災(zāi)害性地震發(fā)生，例如1964年白河地震，造成嘉義、白河、關(guān)子嶺地區(qū)106人死亡。此段時期所幸有世界地震觀測網(wǎng)（World-Wide Standardized Seismograph Network，簡寫WWSSN）前來陽明山鞍部設(shè)立ANP測站，聊備一格。此世界地震觀測網(wǎng)除了觀測地震外，亦有監(jiān)測核爆之功能，屬於冷戰(zhàn)時期之產(chǎn)物。
白河地震發(fā)生後，政府監(jiān)於臺灣深受地震威脅，遂於1971年在國科會下成立地震專案小組（1982年改隸屬於中央研究院，成立地球科學(xué)研究所），設(shè)立臺灣遙記式地震觀測網(wǎng)（Taiwan Telemetered Seismic Network，簡寫TTSN），開啟臺灣地震現(xiàn)代化觀測的新里程。該網(wǎng)共有25個站，測站編號以TW開頭，例如TWU為烏來。TTSN使用之儀器為美國Mark出產(chǎn)之L4C感應(yīng)器或Kinematric之SS-1感應(yīng)器。最初只有垂直分量，後來逐漸增加兩個水平分量。感應(yīng)器所偵得的信號經(jīng)放大後，利用電話線或無線電波傳回臺北記錄中心。TTSN由於儀器感應(yīng)靈敏，且為中央收錄，時間一致，可偵測許多小地震，平均每年可收錄4,000個以上。由這些地震分布的位置及發(fā)震型態(tài)，臺灣附近板塊運(yùn)動的形貌才逐漸明朗，給臺灣造山運(yùn)動理論注入新的活力與視野。1971年至1990年為TTSN時期，奠定臺灣近代地震觀測之基礎(chǔ)。
中央氣象局地震儀器於1981年開始更新，采用美國Teledyne公司的S-13三向量感應(yīng)器，共17個站，最初為數(shù)字磁式帶記錄，後來才改為電話傳輸至臺北本局地震中心。1986年花蓮?fù)夂＿B續(xù)兩個地震，造成臺北市災(zāi)情，如中和華陽市場倒塌，加上此時期世界各地接連幾次大地震，政府遂決心建立新一代的臺灣地震監(jiān)測網(wǎng)，除了改組氣象局地震觀測單位為中心，增加人力，并大幅增設(shè)地震觀測站，新增的站都經(jīng)挑選設(shè)於較安靜的場址，至於原來設(shè)於都會區(qū)氣象站內(nèi)的測站，則將感應(yīng)器埋入一百或兩百公尺深的井底，提高偵測能力。氣象局地震觀測網(wǎng)後來增加到49個站，其中有8個站設(shè)於嘉義附近，用於偵測最危險(xiǎn)的嘉南地震。1990年，氣象局地震中心的組織及業(yè)務(wù)已漸趨完備，為統(tǒng)一全國地震觀測及發(fā)布，中研院地球科學(xué)所所屬的TTSN 25個站，遂移交氣象局，合并成立74個測站之氣象局地震觀測網(wǎng)（Central Weather Bureau Seismic Network，簡寫CWBSN）。每一測站皆裝有三分量之地震儀，資料并以數(shù)據(jù)專線傳回臺北中心站，經(jīng)電腦自動化處理，將地震定位所花時間縮短至3分鐘內(nèi)，對全島地震可迅速掌握。
新一代CWBSN擴(kuò)建完成後，臺灣地震觀測開始步入現(xiàn)代化觀測的時期，平均每年觀測到的地震在1萬個以上，將臺灣島在板塊作用下所引發(fā)的地震行為，鉅細(xì)靡遺的刻畫出來。這套地震資料，定位誤差最多3公里，而且大小地震都能收錄，在震災(zāi)預(yù)防及學(xué)術(shù)研究上逐漸發(fā)揮功能。
1990年以後，除了CWBSN即時遙記式地震觀測全面作業(yè)，嚴(yán)密監(jiān)測全島之地震外，為了收集都會區(qū)的強(qiáng)地動資料，了解地震在全臺灣不同人口密集地區(qū)或不同結(jié)構(gòu)物內(nèi)之振動特性，以有效進(jìn)行地震防災(zāi)準(zhǔn)備，氣象局地震中心亦積極推動臺灣強(qiáng)地動觀測計(jì)劃（Taiwan Strong Motion Instrumentation Program，簡寫TSMIP），計(jì)劃有兩部分，一為設(shè)立600部自由場強(qiáng)震儀，另一為選擇十幾棟代表性建筑物（共400部強(qiáng)震儀，後來增加到五、六十棟），在其內(nèi)密布儀器，收集結(jié)構(gòu)物之振動資料。TSMIP已於1996年全部安裝完成，收集的資料對全國地震防災(zāi)將發(fā)揮極大的功用。這項(xiàng)極具雄心的地震觀測計(jì)劃，亦建立了臺灣地震研究，在全世界令人矚目之地位。
氣象局地震中心現(xiàn)代化地震觀測網(wǎng)建立完成後，密布全島的地震儀將發(fā)生於1999年，20世紀(jì)臺灣最大的集集地震（九二一地震）之行為鉅細(xì)靡遺的記錄下來，獲得人類有史以來觀測最為詳盡的一次災(zāi)害性地震之記錄。更重要的是迅速將這批資料公諸於世，造成全世界一陣的1999年集集地震研究熱潮。美國國會於地震後曾舉辦公聽會，了解并稱贊臺灣在地震觀測工作上之貢獻(xiàn)。
伍、地球物理學(xué)展望
臺灣位於環(huán)太平洋地震帶，地震是臺灣重大的天然災(zāi)害之一，地震研究是地球物理中最重要的課題。隨著電腦科技的進(jìn)步，地震觀測將使用大量寬頻儀器，進(jìn)入山區(qū)或下到平原之深井中，收錄鉅細(xì)靡遺的大小地震活動，不僅監(jiān)測地震，亦利用地震信號，探討臺灣復(fù)雜的地下構(gòu)造，建立更為完整的造山運(yùn)動模式，做為防災(zāi)或資源探勘使用。
除了深入地下，「以空測地」亦將成為地球物理研究之主流，利用太空探測科技，攝取地表精細(xì)的變化，并與大地動力理論結(jié)合，探討深且廣的地球現(xiàn)象，了解由小到大的各式地球變化，并應(yīng)用到環(huán)境課題上，成為地球系統(tǒng)研究重要一環(huán)。
雖然化石能源問題重重，但人類數(shù)十年內(nèi)仍無法擺脫對化石燃料的依賴，加大探勘設(shè)備及能量，發(fā)展四維探勘科技（含時間），開發(fā)偏遠(yuǎn)、更深、更復(fù)雜構(gòu)造之油源，亦將是地球物理重要的任務(wù)。
中文關(guān)鍵字：臺灣地球物理發(fā)展史 , 臺灣地震觀測史 , 臺灣重要地球物理
英文關(guān)鍵字Geophysical development in Taiwan , Seismology development in Taiwan , Taiwan's major geophysical researches
參考資料
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