MiDAS Project

計畫主持人:馬國鳳 教授
中央研究院 地球科學研究所 特聘研究員
國立中央大學 地震災害鏈風險評估及管理研究中心 中心主任

(資料提供:地震災害鏈風險評估及管理研究中心,攝於2021年12月31日。)

花蓮米崙斷層科學鑽探研究:地震觀測「光」世代

由中央研究院地球科學研究所與國立中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心共同執行跨米崙斷層井下光纖地震研究,在花蓮七星潭設置兩口井下地震觀測站,引進光纖地震觀測技術,是世界首例跨斷層的地震,開啟地震觀測「光」世代。

2018年花蓮地震造成諾大的傷亡損失,其中引發嚴重災害的米崙斷層,因地震活動週期不到百年更須關注。地震災害風險評估已是現代都市開發規劃中不可忽視的項目,而進行地震災害風險評估之前,收集完整的地震背景資訊更為必要。為瞭解花蓮地震及其未來潛勢,馬國鳳教授在中央研究院關鍵計畫與教育部高教深耕計畫等經費的支持下,聯合中央研究院地球科學研究所、中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心、東華大學環境學院等學術機構,於2020年啟動米崙斷層鑽井研究計畫(Milun fault Drilling and All-inclusive Sensing project, MiDAS)。

地震觀測站選址在米崙台地西北緣,鄰近七星潭海岸,藉由鑽鑿兩口貫穿米崙斷層的對偶觀測井,設置井下地震觀測站。引進光纖地震觀測技術,並參考車龍埔斷層鑽井(TCDP)研究經驗,新世代地震光纖結合傳統井下地震儀與斷層帶水氣監測,建立跨斷層地震觀測系統。提供周圍孕震構造及斷層動力學數據,有助探討米崙斷層錯動及斷層系統機制,並提出防災對策。

20世紀末的921集集地震發生後,科技部台灣車籠埔斷層鑽井計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project, TCDP)在台中大坑設置了井下地震觀測站,自2006年起開啟長達15年的地震觀測,並對台灣地震研究提供了卓越的貢獻。TCDP地震觀測站已於2021年底退役,而接棒的MiDAS計畫承先啟後,期望成為開創台灣地科學界下一個二十年輝煌的重要起頭,將台灣地震觀測與災害風險評估研究推進至「光」世代的領域。

米崙鑽井工作紀要

前期資料調查

2022年2月 井B開工

未來工作

  • 學術專題研究
  • 即時地震監測
  • 地震資料分析
  • 地震災害風險評估
  • 地震災害教育推廣

2018-02-06 花蓮米崙地震勘災

七星潭大橋受米崙斷層錯動影響,橋面斷裂。

 

七星潭大橋面破裂處呈現20公分以上的落差。

 

七星潭民房牆壁因米崙斷層錯動被拉扯破裂。

 

東華大學米崙校區操場跑道受米崙斷層錯動造成雁型破裂。

(資料提供:地震災害鏈風險評估及管理研究中心,攝於2018年2月。)

花蓮米崙斷層構造調查與鑽井選址

根據經濟部地質調查所台灣活動斷層米崙斷層調查與歷史地震紀錄,米崙斷層近年於1952年與2018年共發生兩次災害地震,為地震週期不到百年的第一類活動斷層。

2018年的米崙地震,斷層錯動造成地表破裂,斷層帶沿線穿過整個花蓮市人口密集區域,引發建築物毀損倒塌,產生人員傷亡與經濟損失。為了減少未來地震發生再次引發嚴重災情,提供周圍孕震構造及斷層動力學數據。因此規劃在米崙斷層選址,規劃建置井下地震站,長期監測米崙斷層建置地震資料庫。本計畫透過架設短期地震觀測網與淺層反射震測調查(2019年起),記錄米崙地區地震背景資料,勘查米崙斷層沿線地質構造,經由研究團隊研議後,選址於米崙斷層北段七星潭地區,鑽鑿兩口貫穿米崙斷層的對偶觀測井,分別命名為米崙井A與米崙井B,。

米崙震測調查
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(資料提供:王乾盈,國立中央大學地球科學系。)

震測調查用地申請:

2019-04-24 東自環字第1080008148號
2019-04-29 水九管字第10850030720號
2019-05-13 水九管字第10802024360號
2019-04-30 蓮文資字第1080004835號
2019-05-01 府觀產字第1080081768號
2019-05-08 府建水字第1080081770號

短期監測用地申請:

2019-06-06 中大地物字第1084000496號
2019-06-18 蓮文資字第1080006918號
2019-07-16 花政字第1088163325號
2020-02-12 中大震字第1097900012號

鑽井用地取得

經地球物理探勘研究選定米崙斷層場址區域,並評估長期觀測與永續發展等行政因素,米崙鑽井研究選址於花蓮市民心段198地號與新城鄉大漢段1134地號之國有土地埋設井下地震站。該國有地為花蓮縣政府代管,經由行政院東部聯合服務中心調地方民意,並在花蓮縣政府的大力支持下,最終米崙鑽井研究順利於2021年開始鑽井作業,並於2022年完成米崙兩口井下觀測站建置,開始進行米崙斷層長期地震觀測工作。

由行政院東部聯合服務中心召開公有土地協調會,拍攝於2021-02-23。

米崙鑽探研究用地申請:
2020-08-31 東自環字第1090015839號
2021-03-24 
東自環字第1100005303號
2021-04-23 府觀產字第1100077789號
2021-07-22 台財產北花二字第11032008190號
2021-08-16 台
財產北花二字第11003072170號
2021-09-30 地球字第1101350314號

 

地震觀測井體設計

米崙地震觀測站設計為斷層上下盤的對偶觀測井,主要採用光纖地震儀,並搭配傳統地震儀進行地震觀測。藉由地球物理探勘調查描繪出地下構造斷層位態,對偶井設計為上盤井深度700公尺,預計能穿過斷層帶;下盤井深度500公尺。

為了防止鑽探過程中淺部礫石層崩落,因此在深度0-30公尺設計第一層套管。又因米崙斷層研究於上盤井深度350-550公尺區間採樣岩心,因此採三層套管設計。

井體第三層裝置鋼質套管,依據傳統地震儀尺寸,第三層套管規格為8-1/2″,以便於套管內安裝儀器。套管外則藉由光纖電纜夾與置中器固定地震訊號感測光纖電纜。

井體尺寸:

◆ 深度:A井700m;B井500m
◆ 三層套管,井管內孔徑125.7mm

井下地震觀測儀器:
◆ 套管內側:傳統地震儀
◆ 套管外側:光纖地震儀 (Fiber)

米崙井套管規格

鑽探深度範圍
裸孔直徑
套管外空隙
套管尺寸
套管外徑
管壁厚度
套管內徑
(Drilling Depth range)
(Drilling Diameter)
(Outer space of casing)
(Casing size)
(OD)
(Thickness)
(ID)
Base
0-30m
18-1/2”
水泥固封 cement seal
14”
355.6 mm
5.7 mm
344.2 mm
First Round
30~150 m
12-1/4”
水泥固封 cement seal
9-5/8”
244.4 mm
9.2 mm
226 mm
Second Round
Hole A 150~700 m;Hole B 150~500 m
8-1/2”
水泥固封 cement seal
5-1/2”
139.7 mm
7.0 mm
125.7mm

2021年5月 米崙井A開工

深井鑽探作業(米崙井A)
鑽探地點:花蓮四八高地
工程時間:2021-05-05~
鑽探深度:700m
鑽探設備:採用「T4W 車載式旋轉鑽機」

鑽井日程:
2021-06-11~2021-06-25  第一階段0~30m鑽進
2021-07-27~2021-08-10  第二階段鑽進30~350m鑽進
2021-09-19~2021-10-20  岩心取樣作業
2021-12-22~2021-12-27  第三階段350~700m鑽進(含取心擴孔)
2021-12-30~2021-12-31  套管與井下光纖安裝
2022-08-02~2022-08-04  洗井、安裝法蘭

米崙井A鑽探至目標深度700公尺後,於2021年12月31日完成井下套管與光纖安裝。

米崙井A深度529m至597m區間之鑽探縮時攝影,拍攝日期2021-12-25 。

米崙井岩心與岩屑採樣工作

2021年 米崙井A 岩心採樣

米崙井A
—岩心取樣時間:2021/09/20~2021/10/20
—岩心取樣範圍:361.1~522.9m

備註:
—採樣作業至深度522.9m時,受地層不穩定影響,遭遇鑽桿斷裂於井底。
—經歷兩個月的斷桿打撈作業後,結束井A岩心取樣工作。
(恢復鑽進作業繼續下探至目標深度700m)
—全井每鑽進10m採樣一次岩屑樣本。

2022年 米崙斷層帶岩心採樣

斷層帶岩心採樣

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鑽進過程中每10公尺採樣一次岩屑樣本。

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岩心取樣範圍在深度361.1公尺至522.9公尺,每1公尺截斷後記錄儲存於岩心盒中。

(照片提供:郭力維教授,國立中央大學地球科學系,攝於2021年。)

米崙井裸孔電測

米崙井鑽探達到目標深度且裸井狀態時直接對地層收集地層參數,包含:P-S波速、孔隙率、電阻、密度、溫度、自然電位、井偏與井徑等。藉由分析這些地質參數,並配合鑽井採樣的岩心與岩屑、水氣監測數據、即時三維地震監測等研究成果,可對斷層力學研究提供最直接的數據,提供花蓮地區地震防災規劃作為有效的參考,進而評估米崙斷層地震災害風險程度。

米崙鑽井的裸孔電測施測項目包含:自然電位井測(Spontaneous Potential)、自然伽瑪井測(Natural Gamma)、電阻探測(Electric Resistivity)、井偏井測(Deviation Log)、聲波井測(Full Waveform)、聲波電視井測(Acoustic)等六個電測項目。

米崙井A裸孔電測日程:

2021-08-02~2021-08-03  井A 30~150公尺裸孔。
2021-12-28~2021-12-29  井A 150~700公尺裸孔電測。

米崙井B裸孔電測日程:

2022-04-20~2022-04-21  井B 30~150公尺裸孔。
2022-05-31~2022-06-01  井B 150~500公尺裸孔電測。

米崙井C裸孔電測日程:

2021-12-12~2021-12-13  井C 30~500公尺裸孔電測。

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(中央研究院委託工業研究院綠能所進行裸孔電測,攝於2021年12月。)

2021年 水氣採樣與水氣井鑽探

  • 深井鑽探作業過程中,即時的鑽探泥漿溶解氣體觀測與岩心氣體的採樣
  • 瞭解地層氣體的組成分與辨識破裂帶位置
  • 2021年12月鑽探米崙水氣監測井(C井),距離米崙井A西側約20公尺鑽探500公尺深度之水氣監測井。
  • 米崙井C也有完整的裸孔電測資料,可供米崙井A數據對照比較。
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(資料提供:傅慶州,中央研究院地球科學研究所,2022年。)

2021年12月 米崙井A井下光纖安裝

米崙光纖地震儀採用英國Silixa公司紀錄器,井下光纖電纜每4公尺有一個接收裝置。

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2021/12/30開始安裝井下光纖(米崙井A)

• 米崙井A深度700m,使用5.5”鋼質套管,全井安裝光纖電纜。
• 光纖電纜底端以「BHA」製作迴路,固定於井底,將訊號傳回地表。
• 套管長度每根約10~12m,共使用63根套管串接至井底。(總長700m)。
• 套管與套管之間連結以「接箍」鎖定串接。
• 套管底部700m處設置「封塞」防止地下水滲入套管內部。
• 每根套管安裝「置中器」避免套管光纖等裝置與井壁摩擦碰撞。
• 光纖電纜以「電纜夾」固定於井套管外侧,隨套管下放作業進行安裝。
• 光纖電纜使用滑輪吊掛,穩定光纖並防止彎折損傷。吊掛處設有張力計控制光纖纜繩張力。

★ 第1根套管(井底)
• 套管安裝置中器,避免儀器與地層井壁摩擦。焊接固定光纖BHA。安裝光纖夾,固定纜線。

★ 第2根套管
• 以接箍連接兩隻套管,使用絞鍊鎖定。安裝置中器與光纖夾。控制光纖纜線走向與張力。

★ 第3根套管
• 重複以上步驟,將光纖固定於套管,並將其餘的光纖連同套管安置於井孔中。
• 避免地下裸孔井壁不穩定,爭取作業時間,光纖安裝持續至入夜。
• 光纖暨套管安裝作業持續至次日12月31日。

★ 第63根套管
• 使用光纖夾固定光纖(重複步驟)
• 下放最後一根套管
• 整理井口光纖纜線;安裝井頭;將光纖訊號連接至地震站機房檢視井下光纖訊號。

(米崙井A井下光纖地震儀安裝縮時攝影,拍攝日期:2022年12月30日)

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(資料提供:林欽仁,中央研究院地球科學研究所,2022年。)

2021年11月 淺層速度補測 (D1 & D2)

由於米崙井A與井B為了防止淺層礫石崩落而安裝的防護套管,因此在米崙鑽井裸孔電測中缺失了地表到深度30公尺之間的資訊,因此於2021-11-09至2021-11-15期間實施淺部地層速度補測(D1與D2)。

(資料提供:郭俊翔,國立中央大學地球科學系,2022年。)

2022年1月 光纖溫度監測 (米崙井A水泥固化)

米崙井A於2021年12月31日完成井下光纖安裝,立即於2022年開始記錄井下數據,利用DTS光纖溫度記錄儀,米崙井A深度700公尺,光纖紀錄長度來回共1400公尺,在光纖溫度記錄中可觀測到,米崙井A完成水泥灌漿後的井下溫度變化。

(資料提供:林欽仁,中央研究院地球科學研究所,2022年。

2022年2月 光纖訊號人工震源校驗

 

以井口為起點,向東北方向延伸,每4m間距設置一個震源點,每點撞擊5次,每次間距30秒,共計20個震源點。

跨斷層帶設置臨時地震儀smartsolo array共43站。
井場外震源沿smartsolo array位置施放人工震源點共32處。
每個震源點間距平均約70m~100m,每點撞擊5次,每次間距20秒。

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(資料提供:王乾盈,國立中央大學地球科學系。)

2022年2月 米崙井B開鑽

深井鑽探作業(米崙井B)
鑽探地點:七星潭
鑽探時間:2022-02-15~
鑽探深度:500m
鑽探設備:採用「T4W 車載式旋轉鑽機」

鑽井日程:
2021-05-25~2021-06-15  第一階段0~30m鑽進
2022-04-13~2022-05-29  第二階段鑽進30~500m鑽進
2022-06-01~2022-06-02  套管與井下光纖安裝
2022-07-28~2022-08-01  洗井、安裝法蘭

米崙井B鑽探至目標深度500公尺後,於2022年06月02日完成井下套管與光纖安裝,並串聯熔接地表光纖,完成米崙三維光纖地震網設置(2022-06-03)。

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光纖熔接
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2021年4月 地表跨斷層光纖設置

米崙光纖地震觀測
米崙斷層上盤,井A-700m井下光纖。(2021-12-31完成)
米崙斷層下盤,井B-500m井下光纖。(2022-06-01完成)
跨米崙斷層地表光纖 (2022-04-06完成)

–七星潭風景區堤防沿岸佈放約1,250M
–台電電桿-中華電信桿架空佈放60M
–中華電信既有管道內部佈放650M
–四八高地旁野地佈放約620米

詳細的光纖設置請參閱中研院地球所電子室MiDAS工作紀錄

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(資料提供:林欽仁,中央研究院地球科學研究所,2022年。

2022年8月 短期光纖網觀測

在2020年8月至10月間在米崙斷層於東華大學米崙校區操場上的地表破裂帶佈設光纖地震網進行短期的觀測。

(資料提供:卓穆蓼,德國GFZ亥姆霍茲波茨坦中心,2022年。)

2022年8月 井下地震儀安裝

米崙地震觀測站設計為斷層上下盤的對偶觀測井,分別不同深度位置安裝全頻段地震儀、嘉速度型地震儀與短週期地震儀。上盤井A深度700公尺,預計能穿過斷層帶,下盤井深度500公尺。

井下地震儀資料的科學研究議題包含:幫助光纖地震儀校正、監測斷層帶地震活動、估算微地震震源參數(包含位置、規模、應力降及地震能量等。)
以及Site Condition研究(0m, 100m, 300m, 700m ACC)、強震地盤反應分析、微地震Nucleation研究、近斷層強震記錄(如果米崙斷層再次錯動)、米崙斷層三維構造解析、米崙斷層復癒(Healing)研究、米崙斷層Trapped wave觀測。

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(資料提供:林彥宇,國立中央大學地球科學系,2022年。)

2022年12月 米崙地震工作站

米崙斷層鑽井研究於七星潭設置長期地震觀測站,將光纖地震訊號引入花蓮縣災防博物館,可通民眾參觀,促進地震防災知識推廣。

幻燈片標題
身是菩提樹,心如明鏡台,時時勤拂拭,勿使惹塵埃。菩提本無樹,明鏡亦非台,本來無一物,何處惹塵埃。
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專題研究

米崙鑽井計畫集結了頂尖的國內外學者專家,從前期調查,經歷鑽井工程,到後續的長期監測,收集了數量龐大且珍貴,可供科學研究的地震數據與資料。期望承接車龍埔斷層研究,成為開創台灣地球科學界下一個二十年輝煌的重要起頭。專題研究領域包含地質、地球化學、地球物理與大數據分析,概括羅列如下:

震源應力

林彥宇教授 國立中央大學

郭俊翔教授 國立中央大學

應用地質

郭力維教授 國立中央大學

吳文傑教授 文化大學

 

地球物理

王乾盈教授 國立中央大學

張文彥教授 國立東華大學

郭陳澔教授 國立臺灣大學

地球科學

顏君毅 國立東華大學

吳泓昱 國立成功大學

葉恩肇 國立師範大學

米崙鑽井計畫相文章

米崙斷層相關專題研討會

米崙鑽井計畫發表文章

  •  

致謝

中研院 關鍵突破計畫經費

教育部 高教深耕計畫經費

行政支援

行政院 東部聯合服務中心

財政部 國有財產署北區分署花蓮辦事處

經濟部 水利署第九河川局

花蓮縣政府

花蓮縣政府 農業處

花蓮縣政府 文化局

花蓮縣政府 消防局

中華電信 花蓮營運處 

工業技術研究院 綠能與環境研究所

德國GFZ亥姆霍茲波茨坦中心

科技部 台灣地震科學中心

臺灣東部地震研究中心

國家災害防救科技中心

國家地震工程研究中心

中央研究院 地球科學研究所

國立中央大學 地球科學系

地震災害鏈風險評估及管理研究中心 

國立臺灣大學

國立東華大學

國立成功大學

文化大學 

媒體採訪

網頁編輯:胡玉燕
聯絡信箱:yuyen@e-dream.tw
編輯日期:2022-08-08

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