楊燦堯臺灣大學：地質科學研究所傅慶州Fu, Ching-ChouChing-ChouFu2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/54839空氣成份與源自於地殼深處的氣體成份截然不同，地表附近深入地殼的斷層或破裂帶，可成為地底深處氣體向上遷移的通道，而使該處地表土壤氣體成份異常。台灣南部潮州斷層為一被地表沖積層覆蓋的活動斷層，本研究沿著幾條明顯穿過構造線的剖面採集土壤氣樣本，進行氦氣、二氧化碳、甲烷、氧氣、氬氣及氮氣等氣體成份的分析，配合鄰近地區已有的地質、地球物理探勘及地形資料，探討潮州斷層之地表分佈。 分析結果顯示土壤氣中氦氣與二氧化碳濃度，在每條剖面的異常值出現處，呈南北向分佈，與已有文獻所報導的潮洲斷層分佈位置吻合。因此在本研究區域內，氦氣與二氧化碳成為指示斷層位置非常有效的氣體。本研究區域的土壤氣體，除了地表之空氣成份以外，還可以辨識出兩個端成份：一為來自深斷裂的氣體，其氦氣異常程度隨著二氧化碳含量增高而增加；另一則源於淺破裂的氣體，其所含之氦氣濃度並未隨著二氧化碳含量升高而有明顯變化，顯示其二氧化碳來自淺處。 氦同位素 (0.52 ~ 1.05 Ra) 顯示，本研究大部分樣本主要成份為空氣，部分可能有地殼氣體成份混合，但無明顯的地函來源。二氧化碳之碳同位素值介於–11.8 ~ –23.4 ‰之間，顯示有機物質與石灰岩混合的結果。氦同位素和碳同位素表示本研究區域的確有多種的氣體來源。由連續的觀測結果亦發現，斷層帶土壤氣體成份的變化，可能與當地的地殼應力變化有關；因此非常適合日後進行斷層活動的監測。The soil-gas method is based on the principle that faults and/or fractures are highly permeable pathways in rock formation where gases can migrate upward from the deep crust and/or mantle and retain their deep-source signatures in the soil cover. This method is adopted because it can give results in short time. In this work, soil-gas compositions are measured and synthesized in conjunction with the geological, geophysical and geomorphological information along the Chaochou Fault, which is considered as an active fault in southern Taiwan. Soil-gas samples were collected along several traverses crossing the observed structures and analyzed for He, CO2, CH4, O2 + Ar and N2. The results show that both helium and carbon dioxide concentrations in the soil gas have anomalous values at the specific positions in each of the traverses. The trace of these positions coincides with the N-S trending faults and/or fractures, that is, the postulated trend and pattern of the faults in southern Taiwan. Hence, helium and carbon dioxide are useful index gases in this area. Based on the helium and carbon dioxide concentrations of the soil gases, at least three components are required to explain the observed variations. In addition to the atmospheric air component, two gas sources can be recognized. One is the deep crust component, exhibiting high He and CO2 concentrations, and considered as best indicator for the surface location of fault/fracture zones in the region. The other component could be a shallower gas source with high CO2 concentration and low He concentration. Moreover, helium isotopic compositions of representative samples vary from 0.52 to 1.05 Ra (the 3He/4He ratio of air), illustrating that most samples have soil air component and may be mixed with some crustal component but no significant input of mantle component. Carbon isotopic composition (δ13C) of carbon dioxide in the soil samples vary from –11.8 to –23.4 ‰, which could be the result of mixing between organic and limestone components. Both helium and carbon isotopic results support the multiple gas sources in studied area. Meanwhile, continuous monitoring indicates that soil gas variations at fault zone may be closely related to the local crustal stress and hence, is suitable for further monitoring on fault activity.目 錄 中文摘要……………………………………………………………………… I 英文摘要……………………………………………………………………… II 目錄………………………………………………………………………… IV 表目錄………………………………………………………………………… V 圖目錄………………………………………………………………………… V 壹、前言……………………………………………………………………… 1 貳、研究原理及前人研究…………………………………………………… 5 2-1研究原理……………………………………………………………… 5 2-2土壤逸氣調查的特點………………………………………………… 7 2-3 主要研究氣體之特性………………………………………………… 8 2-3-1氦氣(Helium)…………………………………………………… 8 2-3-2二氧化碳(Carbon dioxide)……………………………………… 9 2-4 台灣地區之土壤氣探勘之概況………………………………………10 參、研究地區地質概況及相關研究………………………………………… 11 肆、採樣與分析……………………………………………………………… 17 4-1野外採樣……………………………………………………………… 17 4-2實驗室分析…………………………………………………………… 17 4-2-1氦氣偵測儀 ……………………………………………………21 4-2-2攜帶式氣相層析儀………………………………………………21 4-2-3氦氣的純化與氦同位素分析……………………………………24 4-2-4二氧化碳的純化與碳同位素分析………………………………25 伍、結果與討論………………………………………………………………27 5-1第一階段調查………………………………………………………… 27 5-1-1土壤氣體異常分佈位置與斷層之相關性………………………31 5-1-2土壤氣體來源……………………………………………………33 5-2第二階段調查………………………………………………………… 34 5-2-1時間因素與土壤氣體的相關性…………………………………37 5-2-2土壤氣體來源……………………………………………………40 5-2-3土壤氣體異常分佈位置與斷層之相關性………………………44 5-3第一階段調查與第二階段調查之比較……………………………… 45 陸、結論………………………………………………………………………47 柒、參考文獻…………………………………………………………………48 捌、附錄………………………………………………………………………55 附錄8-1：本研究相關之論文成果一………………………………………56 附錄8-2：本研究相關之論文成果二………………………………………70 表目錄 表2-1 大氣的主要組成份…………………………………………………… 6 表3-1 土壤氣體的分析結果……………………………………………… 43 圖目錄 圖1-1台灣的構造輪廓和主要構造單元……………………………………2 圖2-1 不同的土壤覆蓋層對於斷層帶上土壤氣成份影響示意圖…………6 圖2-2 不同的土壤覆蓋層對於斷層帶上土壤氣成份影響示意圖…………7 圖3-1 南台灣的數值地形圖與斷層的分佈情形…………………………12 圖3-2台南、高雄地區麓山帶之地質簡圖………………………………13 圖3-3台南、高雄地區麓山帶之地下構造剖面…………………………14 圖3-4 潮州斷層帶的斷層與地形面分佈圖………………………………15 圖3-5 潮州斷層剖面示意圖………………………………………………16 圖4-1 第一階段研究區域的採樣點分佈圖………………………………18 圖4-2 第二階段研究區域的採樣點分佈圖………………………………19 圖4-3 野外採樣土壤氣體的實際情形……………………………………20 圖4-4 採樣示意圖………………………………………………………… 20 圖4-5氦氣偵測儀………………………………………………………… 22 圖4-6氦攜帶式氣相層析儀……………………………………………… 22 圖4-7 GC檢量校正曲線…………………………………………………23 圖4-8 氦氣純化系統示意圖………………………………………………24 圖4-9 二氧化碳純化系統示意圖…………………………………………25 圖5-1 剖面A~F的土壤氣中氦氣與二氧化碳分析結果…………………28 圖5-1(續) 剖面G~L的土壤氣中氦氣與二氧化碳分析結果……………29 圖5-2 土壤氣體濃度異常分佈圖…………………………………………30 圖5-3 斷層帶上覆不同的土壤層對於地表土壤氣成份影響示意圖…31 圖5-4 綜合所有資料所推測的斷層或破裂帶分佈圖……………………32 圖5-5 土壤氣體中氦氣與二氧化碳含量之投圖…………………………33 圖5-6 剖面A~J的土壤氣中氦氣與二氧化碳分析結果…………………35 圖5-6（續） 剖面K~R的土壤氣中氦氣與二氧化碳分析結果……………36 圖5-7 I剖面土壤氣中連續氦氣與二氧化碳的分析結果…………………39 圖5-8 I剖面中土壤氣氦氣的連續觀測結果………………………………40 圖5-9 潮州斷層地區土壤氣樣本氦同位素的三端源圖…………………41 圖5-10 潮州斷層地區土壤氣樣本的碳同位素值…………………………42 圖5-11 土壤氣體中氦氣與二氧化碳含量之投圖…………………………42 圖5-12 綜合第二階段調查所有資料所推測的斷層或破裂帶分佈………45 圖5-13 綜合前述資料而得到的3D的構造模型…………………………465775527 bytesapplication/pdfen-US土壤氣體活動斷層潮州斷層氦氣二氧化碳台灣soil gasactive faultChaochou Faultheliumcarbon dioxideTaiwanthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/54839/1/ntu-95-R91224112-1.pdf