114 公務人員升官等薦任 物理 地球物理學 考古題詳解

核心觀念

本題考查三種地下速度構造探測方法的觀測資料、物理原理、反演方式與適用限制。三者都利用地震波在地下傳播的時間與路徑推知地下構造，但使用的波、資料型態及主要成像目標不同：

• 地震層析成像：利用多條地震波傳播路徑上的走時資料，反演地下速度分布。
• 反射震測法：利用地下介面反射回地表的波，描繪反射界面的位置與幾何形狀，並配合速度分析建立深度構造。
• 折射震測法：利用波在速度界面發生臨界折射後沿界面傳播，再返回地表的走時，推估地下速度層及界面深度。

地震波速與岩石性質、孔隙度、裂隙、流體及壓力等因素有關，因此速度構造可提供地下岩性與構造的間接資訊；但速度並非岩性或地質年代的唯一指標，解釋時須配合地質資料。

解題方法

作答時可依序說明各方法的「資料來源 → 物理原理 → 反演或成像結果 → 限制」，最後以資料需求、解析度、適用深度及模型假設比較。以下以主要使用縱波（P 波）的情形說明。

一、地震層析成像（Seismic Tomography）

**基本原理：**在地下配置或利用自然地震震源，於多個測站記錄地震波到時。地震波在地下不同速度區域具有不同傳播時間；不同震源—測站組合形成多條穿過地下的射線。將觀測走時與參考模型計算的走時比較，可反演地下速度異常。

若將地下分成許多小格，射線在第 $j$ 格內的行進距離為 $l_j$、波速為 $v_j$，走時可寫為

$$t=\sum_j \frac{l_j}{v_j} =\sum_j l_j s_j,$$

其中 $s_j=1/v_j$ 為慢度。對參考模型作線性化後，可概念性寫成

$$\delta t_i \approx \sum_j G_{ij}\,\delta s_j,$$

其中 $\delta t_i$ 是第 $i$ 條射線的走時殘差，$G_{ij}$ 表示該射線在第 $j$ 個網格內的路徑長度，$\delta s_j$ 是待求慢度異常。實務上通常須加入平滑或阻尼等限制，求得穩定模型。

**成像結果：**主要呈現地下速度或慢度的三維分布與相對異常。高速異常與低速異常可反映地下物性差異，但其地質成因須結合其他證據判釋。

限制：

1. 解析度取決於射線數量、方向分布及交會密度；射線稀疏或方位集中處，模型容易受平滑與先驗假設控制。
2. 反演具有非唯一性，不同速度模型可能產生相近的走時；阻尼、平滑方式及初始模型會影響結果。
3. 射線路徑本身會受速度模型影響，線性化反演通常需反覆更新模型與射線路徑。
4. 走時資料主要約束射線經過的區域，射線未充分穿越處的構造不易可靠解析。

二、反射震測法（Reflection Seismic Method）

**基本原理：**在地表或近地表施加人工震源，記錄地震波向下傳播後，於地下岩層界面反射並返回地表的訊號。當介面兩側聲阻抗不同時，會產生反射。聲阻抗為

$$Z=\rho v,$$

其中 $\rho$ 為密度、$v$ 為波速。對正入射的簡化情形，振幅反射係數為

$$R=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}.$$

反射強弱取決於介面兩側的阻抗差異；速度改變可能促成阻抗差異，但反射訊號並非單由速度決定。

記錄到的反射波以雙程走時表示。經靜校正、去噪、速度分析、動校正與疊加等處理，可形成時間剖面；再利用速度模型將時間轉換為深度，建立地下界面構造。若採水平層狀且速度近似 $v$ 的簡化模型，垂直雙程時間 $t$ 與深度 $z$ 的關係為

$$z\approx \frac{vt}{2}.$$

**成像結果：**擅長描繪反射界面的連續形態、地層傾斜、褶皺、斷層與沉積層序。其主要成果通常是反射界面的時間或深度影像；要取得可靠的地下速度構造，須另外進行速度分析或速度反演。

限制：

1. 需要良好的震源、測線及接收器配置，也仰賴訊號處理；近地表速度變化、噪音及多次波會降低影像品質。
2. 反射需要足夠的阻抗差異；界面阻抗差異小時反射訊號可能不明顯。
3. 地下複雜構造會造成反射波偏離簡單路徑，若速度模型不準確，深度定位會有誤差。
4. 反射震測主要呈現界面，不等於直接量得完整的岩層速度分布。

核心觀念

本題考查以多重地球物理方法追蹤山崩、河道阻塞、堰塞湖蓄水與潰決洪水的時序變化。作答重點不是只列儀器，而是說明各階段的監測目標、適用方法、可觀測量，以及如何整合訊號發出警戒。

堰塞湖風險主要受三項因素控制：阻塞體的穩定性、湖水位與蓄水量變化，以及溢流或潰決後洪水的傳播。監測應建立事件前基準值，事件發生後持續更新，並以不同原理的方法交叉驗證。

解題方法

依題目指定的五個階段，逐段回答「要看什麼、用什麼方法、訊號代表什麼」。以下以地震學、地表變形監測、無人機影像與直流電阻法為主，並輔以地面水文資料。至少兩種方法需跨階段配置，避免只羅列方法名稱。

時序階段	監測目標與方法	可判讀的變化及應用
一、山體崩塌前	在坡體布設地震儀或微震監測站，建立背景振動與微震活動基準；以 GNSS、全站儀或地表傾斜計量測坡體位移；以無人機或衛星影像定期取得地形與裂縫資料。	微震頻率或能量增加、坡體位移加速、裂縫擴展，可視為失穩徵兆。以連續觀測判斷變化是否持續，必要時提高警戒與巡查頻率。
二、崩塌物阻塞河道形成堰塞湖	以無人機影像或空載光達測繪崩塌範圍、堆積體高度、堵塞河道的位置與寬度；以地震儀辨識崩塌震動與後續坡體活動；沿安全位置架設水位尺或雷達水位計，記錄湖面變化。	地形測繪可估計阻塞體與湖盆幾何，水位上升則顯示蓄水開始。若堵塞體仍有微震活動，須同步評估其穩定性。
三、上游大雨使堰塞湖蓄水增加	以雨量計和水位計連續監測降雨及湖水位；重複無人機測繪湖面範圍與湖盆地形，估算蓄水量；在阻塞體適當位置施作直流電阻法，追蹤含水狀態與滲流通道；以 GNSS、傾斜計或雷達干涉測量監測阻塞體變形。	水位快速上升、蓄水量增加、阻塞體位移加速，或電阻率呈現與含水增加相符的變化，均代表風險升高。電阻率受地質、孔隙率與水質影響，應與水位及變形資料合併判讀，不宜單獨作為潰決判定。

核心觀念

本題考查二氧化碳地質封存（CO₂ geological storage）的多方法、長期監測。監測的重點是確認注入的二氧化碳是否留在預定儲層與封閉構造內，並及早偵測可能的遷移、滲漏或地層反應。

二氧化碳注入後，可能以超臨界流體形式存在於深部儲層，也可能溶解於地層水、殘餘滯留於孔隙，或與岩石礦物反應。流體組成與壓力變化會改變地下介質的波速、密度、電阻率及磁化率；注入造成的孔隙壓力與體積變化，也可能引發地表變形。因此，監測應先建立注入前基線，再以重複測量追蹤時間變化，並結合井中資料、地質構造與多種地球物理方法判讀。

解題方法

題目要求至少提出兩種方法並綜合說明。作答時可依「量測物理量 → 二氧化碳造成的變化 → 如何判斷異常 → 方法限制與搭配方式」逐項說明。以下列出題目指定的方法，實務上宜依場址條件選用數種互補監測。

一、重複震測

在地表或井中重複施測震測，追蹤注入前後的反射振幅、走時、波形及速度變化。二氧化碳取代孔隙中的鹽水後，會改變岩層的體積模數與密度，進而影響 P 波速度、阻抗與反射特徵。若將不同時期的資料進行差異分析，可描繪儲層內流體變化及二氧化碳羽流範圍，並觀察其是否朝預定封閉構造以外遷移。

震測對儲層流體變化有較高的空間解析能力，但結果會受到地層非均質性、資料重複性及處理流程影響；若羽流很薄、飽和度變化小，或地層條件不利，也可能不易辨識。故宜先建立基線震測，並搭配井中測井、地震學或電性監測驗證。

二、地震學監測

在場址周圍布設地震儀，監測自然地震、微震及注入誘發地震。注入使孔隙壓力上升，會改變有效應力條件；若斷層或裂隙受到活化，可能產生微震活動。微震事件的位置、震級、深度與發生時間，可用來判斷受壓區域是否延伸至儲層以外，或是否出現封閉層、斷層附近的異常活動。

地震學主要監測的是岩體破裂與應力變化，不能單獨證明二氧化碳已滲漏至地表。微震事件也須結合地質構造、注入壓力及其他監測資料判讀；沒有微震不等於沒有流體遷移。

三、重力監測

以地表重力或井中重力重複測量重力場變化。二氧化碳注入會改變地下流體質量分布：二氧化碳取代較高密度的地層水時，儲層的局部質量可能減少；若流體重新分布或二氧化碳累積於其他位置，亦會形成可測的重力異常。重複重力測量可追蹤質量變化及羽流的大尺度遷移。

重力法反映的是地下密度與質量分布的綜合效應，空間解析度通常不如震測，且需校正儀器漂移、潮汐、地表水與地下水變化等因素。它適合與震測、壓力資料或地表變形監測搭配，作為質量變化的互補證據。

四、磁力監測

重複磁力測量可偵測地下磁場變化，但二氧化碳本身通常不是強磁性物質，因此磁力法對二氧化碳羽流的直接辨識能力有限。若注入引起氧化還原條件、含磁性礦物的化學狀態或地下水分布改變，磁性物質的磁化率可能隨之變化，進而造成磁異常；若場址存在適當的磁性礦物或可追蹤標記物，磁力監測的用途才較明確。

作答時應指出其限制：磁力異常並非二氧化碳的專一訊號，須配合地質資料與其他方法確認，通常不宜單獨作為主要滲漏判據。

五、直流電阻法

核心觀念

本題考查海底擴張的地球物理證據，以及海底擴張如何補足大陸漂移學說的機制。最具代表性的證據，是以海洋磁力測量繪出的海底磁異常條帶；海洋地殼的年齡分布、海底地形與熱流資料也提供佐證。

海底擴張學說指出：洋中脊附近的岩漿上湧、冷卻凝固，形成新的海洋地殼；新地殼向洋中脊兩側移動，較老的海洋地殼則遠離洋中脊，並可在海溝隱沒、回到地函。

解題方法

回答可分成兩部分：先說明如何從地球物理探測辨認擴張，再說明這項發現如何解釋大陸漂移。

一、海洋磁力測量：辨認對稱磁異常條帶

研究人員以磁力儀測量海底岩石造成的地磁場變化，發現洋中脊兩側分布著大致平行於洋中脊、且彼此鏡像對稱的磁異常條帶。

海底玄武岩冷卻凝固時，磁性礦物會記錄當時地磁場的方向。由於地磁場曾多次反轉，岩石便留下正常磁極與反向磁極交替的磁化紀錄。新生海洋地殼由洋中脊向兩側移動，因此不同時期形成的磁性條帶依序排列在洋中脊兩側，形成對稱圖樣。

這項觀測支持「洋中脊持續生成新地殼，並向兩側擴張」的解釋。磁條帶的寬度配合地磁反轉年代，亦可估算海底擴張速率。

二、海底年齡、地形與熱流：交叉驗證