新進教師學術研究計畫

研究成果報告

台灣西南部地區活斷層之活動行

為及其地震潛能探討

景國恩 助理教授

國立成功大學 測量及空間資訊學系

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台灣西南部地區活斷層之活動行為及其地震潛能探討

新進教師學術研究計畫

研究成果報告

1. 前言

斷層錯動時往往會伴隨著地震的發生，但潛移斷層（creeping fault）則是屬

於斷層發生位移時，卻無地震活動被觸發之斷層類型。在台灣，發育於東部縱谷

利吉混同層（泥岩區）的池上斷層就是一條典型的潛移斷層[Angelier et al.，2000；

Lee et al.，2001，2003]。透過對池上斷層活動特性之研究，我們得知：（1）潛移

斷層之錯動行為會和降雨量的變化有關。換言之，斷層潛移行為的發生或斷層錯

動量突然的增加，主要是發生在雨季的時期[Lee et al.，2003]；（2）潛移斷層也

同樣具有誘發大地震的潛能，如 2003年Mw 6.8成功地震之發生[Ching et al.，

2007a]。

本研究之工作區域位於台灣西南部泥岩區大小崗山至旗山一帶及部分屏東

平原（圖 1），而此地區有許多斷層存在，包含小岡山斷層（HKSF）、古亭坑斷

層（GTKF）、龍船斷層（LCNF）、平溪斷層（PCIF）、旗山斷層（CHNF）、潮洲

斷層（CCUF），其中之旗山斷層與小岡山斷層[陳柏村，2005]（圖 2）為經濟部

中央地質調查所公告（以下簡稱地調所）之活動斷層[林啟文等，2000]，故在此

研究中，我們以探討小岡山斷層和旗山斷層之特性為主。就地震觀測而言，自

1900年有現代化地震儀器紀錄以來，台灣地區已發生十數次之重大災害性地震

[e.g., Bonilla，1977；Cheng and Yeh，1989]，但是台灣西南部泥岩區雖然位於造

山帶前緣褶皺逆衝帶，卻幾乎沒有大規模地震之發生。此現象是否說明本研究區

域之主要斷層具有潛移斷層的活動特性？且不論此地區之斷層是否為潛移斷層，

這些斷層是否具有災害性地震之發震潛能？

為了試圖回答上述問題，本研究分析地調所與內政部共 201個 GPS測站、

內政部一等一級、一等二級水準路線與地調所兩條近乎東西走向跨旗山斷層與小

岡山斷層之精密水準測線等觀測資料，來探討此地區之地殼變形行為與斷層活動

特性。

2. 資料與研究方法

2.1 資料

本研究所使用的 GPS資料為 2002年至 2010年地調所 128個和內政部 73個

GPS重複觀測站資料（圖 2）。自 1995年起，地調所於台灣西南部地區佈設 GPS

重複觀測站及連續觀測站。GPS重複觀測站之施測約為每年 1次，每個測段會同

時測量 3至 10個測站，而每個測段每一測站會接收衛星訊號約 6至 14個小時。

衛星訊號之接收頻率為 15秒一筆，衛星接收之仰角大於 15°。本研究使用之資

料時間段為 2002年至 2010年間的 GPS觀測資料，利用一般通用之 GPS解算軟

體Bernese v.5.0進行計算與網形平差。各測站座標之水平分量誤差為 2至 5 mm。

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圖 1：台灣之大地構造框架。紅色大箭頭指示菲律賓海板塊相對於歐亞板塊之移動速率與

方向[Yu et al.，1997]。黑色三角形標示本研究使用之國內 GPS連續站 S01R、PKGM、

KDNM、KMNM 之位置。紅色方框為本研究之區域。黑色虛色為變形前緣，細黑

色實線之範圍為花東縱谷。

圖 2：本研究使用之測站分布圖。藍色三角形為地調所之 GPS重複觀測站；紅色三角形為

內政部衛星控制點。圓圈為內政部一等一級、二級水準路線 [Ching et al.，2011a]；灰

色方形為地調所水準路線[饒瑞鈞等, 2010]。紅色虛線為地調所公告之活動斷層位置。

CCUF：潮州斷層；CHNF：旗山斷層；HKSF：小岡山斷層。

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本研究使用兩種精密水準資料（圖 2），分別為 90個點位間距約為 2 km之

內政部一等一級與一等二級水準資料，資料時間段為 2000至 2008年，由 Ching

et al. [2011]提供，以及地調所點位間距約為 1 km之精密水準路線資料。地質調

查所之精密水準測量使用 DiNi12電子水準儀。測量作業規範及資料處理乃依據

現行「一等水準測量作業規範」[內政部，2001]實施。地調所於本研究區域一共

設立兩條水準路線，其一為通過大崗山北側長度約 91公里之路竹至茂林水準路

線，此路線在 2004年至 2010年共經過 6次的重複測量，另一條為通過大崗山南

側長度約 50公里之岡山至安坡路線，此測線在 2002到 2010年間經歷 7次的重

複測量。

2.2 研究方法

2.2.1 GPS座標解算策略

本研究採用 Bernese 5.0計算軟體[Dach et al.，2007]，藉由與 IGS（International

GNSS Service）測站資料之聯合解算，求解各測站相對於全球參考框架 ITRF2005

（International Terrestrial Reference Frame 2005）[Altamimi et al.，2007]之座標。

根據 IGS公告俄羅斯 Irkutsk連續站（IRKT）、日本 Tskuba連續站（TSKB）、美

國關島連續站（GUAM）、澳洲Perth連續站（PERT）、印度Bangalore連續站（IISC）

於 ITRF2005座標系 2000.0年之座標與速度場作為計算依據。我們利用 IGS公告

之座標與速度場，以線性關係式推出各個 IGS連續站於任一觀測時刻之座標，

並約制此 5個 IGS連續站之座標，來求解 4個國內連續站（KDNM、KMNM、

PKGM、S01R）於 ITRF2005座標系下之座標及速度場。

接著，我們採用上一步驟所獲得 4個國內 GPS連續站（KDNM、KMNM、

PKGM、S01R）於 ITRF2005座標系下之座標及速度場，以線性關係式推出這些

約制站於各 GPS觀測站施測時刻之座標，採用 Bernese標準解算程序並約制這 4

個國內連續站於各觀測時刻之座標，來求解研究區域內每個測段於 ITRF2005座

標系之座標。

2.2.2 GPS速度場解算方法

為了探討台灣地區斷層活動及地殼變形行為，我們利用歷年每日 GPS觀測

座標的成果，進行各個測站速度之評估。由於本研究使用之資料涵蓋時間並無地

震造成明顯之地表位移，因此我們採用線性回歸針對各測站各座標分量之時間序

列進行擬合，並評估各測站相對於被動大陸邊緣測站（S01R）之速度場。

2.2.3 應變速率解算方法

在應變速率的計算過程中，我們透過測站和內插點間的距離及測站速度的標

準偏差來給予各測站不同的權重，以獲得合理的應變速率場。為了求得一個符合

諧和（compatibility）條件之連續應變速率場，我們首先計算一個在空間上連續

之地表速度場，最後再藉由速度的梯度計算應變速率。就連續地表速度場之計算

方面，我們先在計畫執行區域內進行網格點（內插點）之建立。每一個內插點之

速度量是由周圍之觀測點計算而來，各觀測點之速度量對內插點的貢獻是使用距

離的指數函數來計算，距離愈近，貢獻愈大，反之則愈小[Shen et al.，1996]。

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圖 3：相對於澎湖白沙測站 S01R之 GPS水平速度場。箭頭代表 GPS重複觀測站資料推求

之位移向量，95%可信區間之誤差橢圓位於各位移向量頂端。黑色箭頭為地調所之

GPS速度場；紅色箭頭為內政部衛星控制點所估算之速度場 [Ching et al.，2011b]。黑

色方框標示速度剖面之位置。

圖 4：相對於澎湖白沙測站 S01R之垂直速度場。暖色三角形代表抬升，冷色反三角形代表

下陷。

3. 結果

3.1 水平速度場

由 2002年至 2010年 128個地調所與 73個內政部之 GPS測站計算得到的水

平速度場指出，水平速度場於旗山斷層以東之平均速率約為 63 mm/yr、方位角

N272°，以西則減至 26 mm/yr、方位角 N266°，呈逆時鐘方向旋轉，即速度場由

朝西往朝西南西方向。整體而言，水平速度場為由東向西遞減，且在旗山斷層至

小岡山斷層之間有明顯的速度梯度變化。此區北方的位移方向幾乎為東西向，南

邊的位移方向則由近乎東西向（約 270°）轉為西南西之方向（約 255°）（圖 3）。

3.2 垂直速度場

由內政部 2000年至 2008年一等一級與一等二級之垂直速度場[Ching et al.，

2011]（圖 4），我們可以注意到此地區之垂直速度場與地形高程相關。丘陵地區

之垂直速度場主要為抬升，抬升速率最高的地區主要位於小岡山與旗山斷層之間。

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相對的，其餘平原地區之垂直速度場主要為沉陷，沉陷速率約在 10 mm/yr以內

（圖 4）。由 2004年至 2010年地調所佈設水準路線計算而得之水準垂直位移結

果顯示可知，就北側之路竹-茂林水準測線，在小岡山斷層以西之抬升速率接近

零，小岡山斷層以東之速度場則逐漸增加至約 20 mm/yr，向東其垂直速度場再

逐漸下降，至旗山斷層以東，垂直速度場再度顯示近乎無變化；南邊之岡山-安

坡測線水準垂直速度場指出，小岡山斷層以西並沒有明顯的抬升情形，但斷層以

東之抬升速度則開始增加，其最大值約為 10 mm/yr，向東再逐漸下降，通過旗

山斷層後的抬升速率則接近 5 mm/yr，直至進入屏東平原，其垂直速度場再度接

近於零（圖 4）。

3.3 應變速率場

從膨脹應變速率可以發現此地區主要擠壓應變軸為近乎東西方向，其應變速

率介於 0.5-1.5 μstrain/yr（圖 5）。於旗山斷層北端有約 1.5 μstrain/yr相對較大且

近乎東西向之擠壓環境。於旗山斷層南端則存在有近乎東西方向約 1.0 μstrain/yr

之擠壓與近乎南北方向約 1.0 μstrain/yr之伸張應變場。此外，於中央山脈地區則

幾乎呈現為 1.0-1.5 μstrain/yr之伸張環境。值得注意的是，相對於周遭環境，小

岡山斷層與旗山斷層之間之膨脹應變速率並不特別顯著，約在 0.5-1.0 μstrain/yr

之間。另外從剪應變速率場發現旗山斷層上盤的剪應變速率約 3.5 μstrain/yr，下

盤約 3 μstrain/yr，旗山斷層有著右移的特性，小岡山斷層附近的剪應變速率相對

於旗山斷層小很多，約 1.0-1.5 μstrain/yr（圖 6）。由旋轉率分佈圖可以發現在旗

山斷層之西主要為順時鐘旋轉方向，其值由東向西由約 25°/Myr遞減到 15°/Myr

左右（圖 7）。在旗山斷層和潮洲斷層之間則以逆時鐘旋轉方向為主，其角度約

在 5°/Myr至 17°/Myr之間，而在研究區的南端則有約 60°/Myr較大角度的逆時

鐘旋轉方向（圖 7）。

圖 5：主應變速率分布圖。粗棒反映主應變速率之大小與方向，黑色代表擠壓，白色代表

伸張。色階變化則顯示面膨脹率之值。正值表示伸張之環境，負值表示擠壓之環境。

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圖 6：剪應變速度分布圖。長條狀為剪應變速度大小與方向，黑色代表左移，白色代表右

移。色階變化為剪應變速率之大小。

圖 7：旋轉率分布圖。灰色扇形為順時鐘旋轉方向，白色扇形為逆時鐘旋轉方向，色階圖

為旋轉速度值，藍色為順時鐘旋轉，紅色為逆時鐘旋轉方向。

3.4 速度剖面分析

就平行與垂直小岡山斷層走向分量之 AA’速度剖面（圖 8），我們可以用來

分析跨越小岡山斷層之速度變化。不論是平行或是垂直小岡山斷層走向之速度分

量皆顯示，跨越此斷層並沒有顯著之速度差異，然而於小岡山斷層與旗山斷層之

間，我們可以觀察到平行斷層走向速度分量（右移分量）逐漸增加，差異量可達

5 mm/yr；而垂直斷層走向速度分量（擠壓分量）亦逐漸增加，增加量達 10 mm/yr。

隨著小岡山斷層與旗山斷層間之水平速度分量之增加，垂直速度場之量值也隨著

增加。再往東，我們也注意到當水平速度分量之梯度發生變化時，垂直速度場也

開始下降。就平行與垂直旗山斷層走向分量之 AA’速度剖面（圖 9），我們可以

用來分析跨越旗山斷層北段之速度變化。就平行旗山斷層走向之速度分量，我們

注意到跨越斷層並沒有太顯著之速度差異，但是由東向西至旗山斷層東側，我們

可以觀察到約 25 km的距離內有約 15 mm/yr之右移速度差異。就垂直斷層走向

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分量部分，跨越旗山斷層有約 13 mm/yr之縮短量。然而，我們也注意到在這個

剖面中，旗山斷層以東之垂直速度場近乎為零。

就平行與垂直旗山斷層走向分量之 BB’速度剖面（圖 10），我們可以用來分

析跨越旗山斷層南段之速度變化。雖然整個剖面顯示此地區具有約 20 mm/yr之

右移分量與約 25 mm/yr之縮短量，然而，不論是平行或是垂直旗山斷層走向之

速度分量皆顯示，跨越旗山斷層並沒有顯著之速度差異。不過我們同時注意到，

雖然最大抬升速率主要集中在投影距離約 8-12 km處，但是在旗山斷層東側投影

距離約 12-23 km間仍有約 5 mm/yr之抬升速率。

圖 8：沿 AA’剖面依小岡山斷層走向速度分解之速度剖面圖。最上方為平行小岡山斷層走

向之速度分量，向北為正；中間為垂直斷層小岡山斷層走向之速度分量，向西為正；

下方為垂直速度場。黑色虛線標示斷層位置。x軸為沿 AA’剖面之投影距離，剖面位

置標示於圖 3。

圖 9：沿 AA’剖面依旗山斷層走向速度分解之速度剖面圖。最上方為平行旗山斷層走向之

速度分量，向東北為正，中間為垂直旗山斷層走向之速度分量，向西北為正；下方

為垂直速度場。黑色虛線標示斷層位置。x軸為沿 AA’剖面之投影距離，剖面位置標

示於圖 3。

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圖 10：沿 BB’剖面依旗山斷層走向速度分解之速度剖面圖。最上方為平行旗山斷層走向之

速度分量，向東北為正；中間為垂直旗山斷層走向之速度分量，向西北為正；下方

為垂直速度場。黑色虛線標示斷層位置。x軸為沿 BB’剖面之投影距離，剖面位置標

示於圖 3。

4. 討論與結論

在本研究區域介於小岡山斷層與旗山斷層之間，由 2002年至 2010年 GPS

水平速度場可見顯著的速度梯度變化，由東約 63 mm/yr、方位角 N272°，向西減

至 26 mm/yr、方位角 N266°，此逆時鐘方向旋轉之現象與台灣西南部之脫逸構造

是相呼應的 [Lacombe et al.，2001；Ching et al.，2007b]。

從過去文獻可以知道，逆斷層在活動時，會有水平方向位移伴隨著明顯的抬

升情形，依據 2000年至 2010年之水準資料分析顯示，此區域同時具有顯著之抬

升速率，最大之抬升速率約為 20 mm/yr，出現在小岡山斷層和旗山斷層之間，

但在水平速度場中相對應之位置卻無梯度變化之記錄。另外，由膨脹應變速率場

之分析結果指出，小岡山斷層與旗山斷層之間之應變速率約在 0.5-1.0 μstrain/yr

之間，與周遭環境相比，其值並不顯著，亦即在此兩斷層之間之擠壓現象，較周

圍環境小；而旋轉速率之分布發現旗山斷層為主要之邊界斷層，斷層以西主要為

順時鐘旋轉，以東則以逆時鐘方向旋轉為主，故也可推論旗山斷層附近為擠壓之

環境。而在剪切應變速率場中，也可看出旗山斷層和小岡山斷層皆有右移之情

形。

進一步之速度剖面分析可見，跨越小岡山斷層並沒有顯著之速度差異。在小

岡山斷層與旗山斷層之間，卻觀察到右移與擠壓之變形分量向東逐漸增加，速度

差異量分別可達 5 mm/yr與 10 mm/yr。隨著兩斷層間水平速度分量之增加，垂直

速度場之量值也跟著增加。而跨越旗山斷層北段，則可觀察到約 13 mm/yr之縮

短量。由美國加州聖安德列斯斷層與台東池上斷層的研究指出，出露地表之潛移

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斷層可由水平速度場看到顯著的水平速度變化，但如果斷層淺部是鎖定狀態，只

在斷層深部有潛移之現象時，加上尚不確定可能有潛移作用之深度，故難以從地

表上觀測到的水平速度變化來判斷是否為潛移斷層，我們需要更多的地質證據和

研究來推論此區是否有潛移斷層之存在。

結合速度場與速度剖面分析結果得知，本研究區域之主要變形帶位於小岡山

斷層與旗山斷層之間。由於此二斷層間之應變速率值並不顯著，說明此變形帶之

變形量可能連續分布於此區域，或是集中於數條未被公告之活動斷層上，像是古

亭坑斷層、龍船斷層、平溪斷層等，抑或可能受到其他地質構造活動之影響。此

外，我們也注意到跨越旗山斷層有顯著之水平縮短量卻無明顯之垂直抬升量，對

於此現象目前暫時並無較好的解釋，需要更進一步的研究來了解。

為了更進一步的了解本地區各主要斷層之滑移特性、滑移速率及其蘊含之地

震潛能，我們將於接下來的研究中，探討各主要斷層之斷層幾何，藉此建立各斷

層之斷層模型。

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