一、旗山斷層的監測儀器
“ 斷層 ”此一名詞的認識 ，對許多人而言，可能是經歷過1999年的921大地震後，才開始聽聞的，而 “ 斷層位置 ” 如何得知 ？對大多數人而言 ，則更為陌生，且 可能只有少數專業人士才能判斷 。他們除了跑野外 ，在現場測量判讀外，尚須高科技的儀器對大區域進行監測，例如: 全球衛星定位系統 (GPS) 、 雷射測距儀和精密水準測量儀等。以下就監測儀器作進一步的介紹:
I.旗山斷層GPS 觀測網地殼變形監測系統(照片一 、 二 、 三 、 四 、 五)：
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| 圖一:監測旗山斷層的 5 個 GPS 固定站及 2 個基樁站(宋國城，2003) |
此子系統由「 5 個 GPS 固定站」與「 2 個基樁站」所組成的「一對五 RTK-GPS 斷層水平活動性監測網」，因 GPS 垂直方向的精度較差，因此主要是監測水平變形為主。
其中5個 GPS 固定站 ( 圖一 , 表一 ) 為全自動觀測、記錄、比對和分析，其運作是利用數據機與電話線，將 5 個 GPS 固定站所觀測與儲存的資料傳回高師大燕巢校區寰宇大樓 601 實驗室(照片六)的即時監控系統主機，並在此基站主機上自動進行記錄、比對和分析的工作。此基站主機會於所設定的固定時距 ( 例如每 120 分鐘 ) ，自動撥打電話到5個 GPS 固定站將 GPS 固定站所觀測與儲存的資料傳回。
2 個基樁站 ( 圖一 , 表一 ) 則預定每三個月聯合施測一次，但若遇有規模大於五之地震，即馬上施測。至於 此 5 個 GPS 固定站及 2 個基樁站的位置安排，則是經過專業判斷的選定。 而所謂儀器設置的專業判斷包含:
- 位置要正確:需先知道斷層位在何處，且斷層上下盤皆要設置儀器。
- 地點要固定:不能滑動，因要測量地動而非邊坡滑動。
- 要有電力設施。
- 要有通訊設施。
- 通視要好，即展望良好的位置，以無礙應用測距儀施測為原則。
表一: 5 個 GPS 固定站與 2 個基樁站的大地座標與所在位置
站名 |
Ｘ座標 |
Ｙ座標 |
位置 |
GPS1 |
192707.05 |
2527752.03 |
中寮社區錢龍山莊 |
GPS2 |
190129.09 |
2524408.54 |
中寮社區衛生所 |
GPS3 |
190101.85 |
2526108.78 |
田寮鄉 204 高地 |
GPS4 |
187015.55 |
2520829.51 |
深水村 151 高地 |
GPS5 |
188154.75 |
2521179.04 |
高師大燕巢校區 |
基樁 1 |
194318.27 |
2529492.87 |
武鹿坑活動中心 |
基樁 2 |
188606.36 |
2523554.05 |
千秋寮民宅 |
II. 跨斷層短基線測量監測系統：
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圖二 21個雷射測距經緯儀稜鏡站的位置與預定進行精密電子水準儀測 量的「測線」。紅 點為雷射測距經緯儀稜鏡站，12點至15點分佈 在高師大校區外。紅線為精密電子 水準儀測量路線，星號為水準 原點。圖中各點的詳細資料請參考表二。 (宋國城，2003) |
此子系統為由「短基線多點全自動追蹤式雷射測距經緯儀」(照片七)以及「 21 個稜鏡站」 ( 圖二 , 表二 ) 所組成 ( 其中共 17 個稜鏡站分佈在高師大燕巢校區內，共 4 個稜鏡站分佈在校區外 ) 的「短基線多點全自動斷層三維平活動性監測網」，可進行斷層三維變形監測。
預計每三個月施測一次，但若遇有規模 大於五之地震，即馬上施測。
表二 21 個雷射測距經緯儀稜鏡站的大地座標與所在位置( ID 為圖二中各點的代號)
ID |
Ｘ座標 |
Ｙ座標 |
位置 |
附註 |
1 |
187975.12 |
2520950.57 |
霽遠樓 |
安裝二套 |
2 |
188064.71 |
2520994.73 |
歸燕食巢 |
安裝二套 |
3 |
188144.05 |
2521052.63 |
詠絮樓 |
安裝二套 |
4 |
188027.38 |
2521055.66 |
文萃樓 |
安裝一套 |
5 |
188180.68 |
2521155.78 |
致理大樓 |
安裝二套 |
6 |
188125.96 |
2521167.13 |
寰宇大樓 |
安裝二套 |
7 |
188162.53 |
2521250.31 |
高斯大樓 |
基座及後視覘標 |
8 |
188064.18 |
2521338.88 |
高雄縣政府苗圃 |
安裝一套 |
9 |
188012.87 |
2521206.11 |
高雄縣政府苗圃 |
安裝一套 |
10 |
188216.52 |
2521460.97 |
科技大樓 |
安裝二套 |
11 |
188546.42 |
2521249.63 |
污水處理廠 |
安裝一套 |
12 |
188080.43 |
2521850.75 |
高雄縣政府苗圃 |
安裝一套 |
13 |
187601.3 |
2521854.67 |
170 高地 |
安裝一套 |
14 |
187383.85 |
2520927.55 |
高雄縣政府苗圃 |
安裝一套 |
15 |
188616.03 |
2520718.68 |
深水村民房 |
安裝一套 |
16 |
188161.45 |
2521298.5 |
星號位置 |
燕巢校區 |
共計 |
21 套 |
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III. 跨斷層短水準測量監測系統:
此子系統在高師大燕巢校區內選定之路線上埋設 70 個基樁，利用「精密電子水準儀」(照片八)每三個月對所預定的「測線」 ( 圖二 ) 施測一次。跨斷層精密水準監測的施測成果精度以內政部公告之一等水準控制點量測精度為準。此水準線測量結果可提供高師大燕巢校區內旗山斷層垂直向錯動的變化量級。
IV. 航遙測影像處理工作站：
此子系統為由「遙測影像正射
糾正處理軟體 PCI 」及其相關硬體設備所組成的「數位攝影測量工作站」，其可產製高精度、高密度的 DTM 與向量的採集。可監測環境變化。
V. 網際網路版地理資訊系統與工作站：
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此子系統為由「網際網路版地理資訊系統軟體 Mapguide 」以及「地理資訊系統軟體 ArcGIS Arcview 8.3 桌上型地理資訊系統及其 3D 分析模組」所組成的「旗山斷層活動性整體監測與評估系統工作站」，其可將上述 1~4 項子系統所測量或製作的資料加以整合，以 WWW 網頁的模式提供區域網路 (Intranet) 進行旗山斷層監測資料之查詢。
綜合上述可知，斷層的監測是一項十分專業且長期的工作，所需花費雖然昂貴，但對於位處地震帶上的台灣而言，卻是無法忽略的重大議題。甚至，應教育全民對於斷層的存在要有基本的認識與觀察，期能避險與確保身命財產的安全。
二、旗山斷層監測成果
由教育部「輔導新設國立大學健全發展計畫」專案補助，於民國 九十二年十二月底在 高師大燕巢校區寰宇大樓六樓所成立的 「 斷層監測實驗室 」 ，在配合國科會「 臺灣西南部旗山斷層之活動性監測研究 」計畫下，已完成整個實驗室各項監測工作的標準操作程式（包括： GPS 測網地殼變形監測、短基線多點全自動追蹤式雷射測距經緯儀監測，以及跨斷層精密水準監測），並 已有如下之初步旗山斷層監測資料資料完成。
1 、 GPS 監測資料結果：
從 5 個月 (2004 年 7 月初 ~12 月初，共約 157.92 天 ) 的資料來看：
(1). 位於斷層上盤，位置最北的 CHLM 站，其相對於下盤的 8P5K 站而言，水平方向速度場為略向東北 (x = 19.07 m m/yr ， y = 23.44 m m/yr) ，垂直方向速度場則略為上升 (z = 40.36 m m/yr) ；同樣
(2). 位於斷層上盤，位置稍南的 CHTV 站，其相對於下盤的 8P5K 站而言，水平與垂直方向速度場皆與 CHLM 差不多 (x = 17.03 m m/yr ， y = 22.73 m m/yr ， z = 71.28 m m/yr) ，亦為略向東北與略為上升的趨勢；而
(3). 位於斷層下盤，位置最南的 DEWT 站，其相對於下盤的 8P5K 站而言，水平方向速度場亦為略向東北 (x = 5.24 m m/yr ， y = 13.20 m m/yr) ，但是量值約僅有 CHLM 與 CHTV 的一半，而垂直方向速度場則是略為下沉 (z = -0.89 m m/yr) ，但其量值小許多，約只有 CHLM 與 CHTV 的 1~2% 。
故目前為止，雖然估計數值都在誤差範圍內，但就整體速度場而言，呈現旗山斷層上盤相對於下盤抬升且向東北方移動的趨勢。
CHLM |
X |
Y |
Z |
A_SLOPE(m/dy) |
0.0000522 |
0.0000642 |
0.0001106 |
B_INTERS(m) |
193413.6398064 |
2527469.3731264 |
272.5870243 |
STD(m/dy) |
0.0179336 |
0.1403875 |
0.0147696 |
Velocity(mm/yr) |
19.0711921 |
23.4406917 |
40.3634227 |
V_STD(mm/yr) |
6545.7471168 |
51241.4433679 |
5390.9161787 |
CHTV |
X |
Y |
Z |
A_SLOPE(m/dy) |
0.0000466 |
0.0000623 |
0.0001953 |
B_INTERS(m) |
190721.7877995 |
2524026.6302898 |
381.9343832 |
STD(m/dy) |
0.0134840 |
0.0713766 |
0.0184868 |
Velocity(mm/yr) |
17.0262398 |
22.7312608 |
71.2836587 |
V_STD(mm/yr) |
4921.6589960 |
26052.4468226 |
6747.6941477 |
DEWT |
X |
Y |
Z |
A_SLOPE(m/dy) |
0.0000144 |
0.0000362 |
-0.0000024 |
B_INTERS(m) |
187952.8564883 |
2520076.5807556 |
87.3947921 |
STD(m/dy) |
0.0000000 |
0.3205572 |
0.0172694 |
Velocity(mm/yr) |
5.2394878 |
13.2039792 |
-0.8854252 |
V_STD(mm/yr) |
0.0000000 |
117003.3630603 |
6303.3456307 |
2 、Total Station 監測資料結果：
目前的資料有 2004/6/21 、 2004/9/30 、 2004/10/4 、 2004/10/14 、 2004/10/21 、 2004/11/29 、 2004/12/10 等 7 筆，而 2004/6/21 的資料為標準操作程式 (S.O.P.) 建立前的測量資料，與之後測量的 6 筆資料差異較大，其差異似與棱鏡 (A1 、 A2 ， P01~P19) 到基站 (S1 、 S2) 之間的距離成正比，從距離第 7 遠的 P15 開始，在 X 、 Y 、 Z 三個分量之中，至少會有一個分量其 2004/6/21 的值與之後的 6 筆資料差異甚大，因此不將 2004/6/21 的資料納入回歸。
然而目前為止，回歸的結果仍然變動頗大，無法呈現太多可供判讀的訊息，因此仍有待日後持續增加資料筆數後再進行分析。
3 、 Leveling( 水準測量 ) 監測資料結果： 
施測的水準點分佈于高師大燕巢校區，一共有 70 個點環繞著燕巢校區內外。位置如右圖所示：
施測一圈共花三個工作天，閉合差為 0.9 公分 而測線長約為 4 公里 ，所以測量結果應屬於二等水準測量 (
) 。並將其與各點 RTK 資料的高程值做比較。
下圖為水準測量結果，藍色線段為 93 年 6 月 21日所施測的 RTK 高程結果，紅色線為精密水準測量結果，從圖上看來兩者相差不遠，其差值約介於 +-0.2m m 之間如黃色線斷所示。其中有些差值大到 0.8m m 應屬衛星測量於高程方面有較大的誤差所致。
泥火山觀測現況
1 、儀器：
目前裝置於泥火山的監測設備有：氣體流量計、水溫計、酸堿值感應計、雨量計、氣溫計與地溫計等，這些儀器從 11 月中運作至今，除偶有遇到泥火山噴發較為劇烈以致部份儀器無法完全置於水中之外，其餘一切運作正常。置於水中的儀器有水溫計與酸堿值感應計，這兩個儀器是固定在氣體流量計的氣體收集罩之內，一同放入于水中，氣體收集罩所收集到的氣體再由塑膠管線牽引進入泥火山野外測站由氣體流量計所紀錄。雨量計與氣溫計是架設於離地約 2.5 米 的空中，地溫計埋設於地下 80 公分 處。上述這些儀器所收集到的資料經由電纜線或塑膠管線牽引進入泥火山野外測站中，由置於測站中的紀錄器記載資料。野外測站所需要用到的電源部分經由太陽能板或由科技大樓牽交流電源供應之。
2 、運作流程如下圖（十一）所示：
圖十一：泥火山監測站觀測流程
圖十二：觀測站外觀近照
3 、資料收集要領
泥火山為一活動的地質現象，無論氣體、液體或泥均無一固定的噴發量或值，隨時隨地都在改變。因此水位時高時低、氣體噴發量有時多有時少，為確保資料連續所以需要將集氣罩保持於水位以下，並有罩到氣體噴發的位置，另一方面也是為了讓水溫計、酸堿值感應計一直處於有水的狀態中。一般在選擇時須先觀測一段時間，在氣體噴發量接近 3 公升 的噴發口中選擇一較為穩定的，以確保資料收集的連續與穩定。
4 、目前各項所得的觀測資料
(1) 流量：目前泥火山監測站的氣體流量為每一分鐘記一筆資料。每分鐘平均約有 2.5~3.5 公升左右。累計每鐘頭約有 180~200 公升左右。下圖為流量的觀測資料，間斷部分為沒有紀錄到氣體的流量資料，原因是原收集處之噴氣口已停止噴發，但缺乏全天的照料而沒有適時的移動集氣罩位置以致沒有收集到氣體；或是水位有變動而使集氣罩遠離水面。
圖八：泥火山氣體流量 ( 公升 / 分鐘 )
(2)pH 值： pH 值的探針隨著集氣罩一同放入水中，每 15 秒計一筆資料，所得的資料介於 8~8.6 之間呈微鹼性，約略同於海水。圖九為每日的 pH 值的變化情形。
圖九： pH 值的日變化情形
圖十：水溫的日變化情形
(3) 水溫：水溫探針亦一同於集氣罩置入水中，所得結果一天中最高溫為下午 1 點至 1 點半左右最低溫為臨晨 6 點左右，可知水溫的變化受到氣溫的影頗大。
(4) 氣溫：儀器裝於鐵杆支架上離地約 2.5 公尺，所得的資料最高溫與最低溫所發生的時間與水溫相同，整體而言水溫約高於氣溫 5~ 6℃ 。黃線為冬台登陸當天，氣溫明顯變低，隨後幾天所反映的是寒流來臨的低溫。
圖十一：氣溫的日變化情形
(5) 地溫：埋於野外測站後方下面 80 公分處，所得資料溫度界於 18~20 度之間，可說是非常穩定，如下圖所示。黃線為冬台南瑪都發佈颱風警報當天，地溫從晚間八點左右開始下降，隨後的三天因寒流來襲，地溫線都降到 18.8 度以下。
圖十二：地溫的日變化情形
圖十三是將水溫、氣溫與地溫的日平均，放在一起做比較。可以更明顯看出水溫的變化受到氣溫的影響很大。水溫約高於氣溫 5~ 6℃ 而地溫則界於兩這之間約為 19.1℃ 左右。
圖十三：各溫度的平均
以長時間來看，並將溫度間距拉大。可發現一天之中地溫的最高最低溫發生的時間與氣溫及水溫發生的時間相反，其可能原因是氣溫最高溫發生的時候深埋於地下 80 公分 處的地溫計尚未有熱能傳達，此時尚處於臨晨時的低溫狀態。當能量傳到地下 80 公分 處時，地溫開始升高，而此時正是氣溫較低的時候。也就是因為熱需要先傳導致地底，所以產生了時間差。
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