臺(tái)灣地球科學(xué)研究概況（上）

遲斌　張濤

臺(tái)灣地球科學(xué)研究概況（上）

遲斌張濤

成立“地球科學(xué)研究推動(dòng)中心”

臺(tái)灣位于亞洲大陸板塊的邊緣，同時(shí)處在菲律賓板塊的相沖地帶，地理環(huán)境特殊，擁有活躍的地質(zhì)造山帶，經(jīng)過(guò)中生代及新生代的塑造過(guò)程，加上火山及地震活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致地層與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形坡度很大，巖石種類(lèi)繁多，成因與演化關(guān)系微妙；加上四面環(huán)海，東臨西太平洋，深受大氣環(huán)流、熱帶洋流及東亞季風(fēng)的影響，常年飽受臺(tái)風(fēng)與暴雨的侵?jǐn)_，時(shí)常引發(fā)嚴(yán)重的自然災(zāi)害。

早年在臺(tái)灣，氣象、海洋與地球科學(xué)是三門(mén)彼此相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。上世紀(jì)60年代臺(tái)灣空軍主管部門(mén)即非常重視這三門(mén)學(xué)科的發(fā)展，并特別設(shè)立專(zhuān)門(mén)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)，鼓勵(lì)島內(nèi)大學(xué)教師和科技人員開(kāi)展相關(guān)研究。但當(dāng)時(shí)基本以資源勘探調(diào)查開(kāi)發(fā)及自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)為主。

到上世紀(jì)90年代，鑒于當(dāng)時(shí)出現(xiàn)全球性資源短缺、自然災(zāi)害日益嚴(yán)重以及全球變暖、環(huán)境持續(xù)惡化，導(dǎo)致人類(lèi)在地球上的生活與生存開(kāi)始明顯感受到壓力與威脅，臺(tái)當(dāng)局認(rèn)識(shí)到氣象、海洋與地球科學(xué)彼此關(guān)聯(lián)，于1990年首次制定“全球變遷研究”規(guī)劃，1991年成立“全球變遷研究推動(dòng)小組”、“全球變遷研究審議小組”，1993年成立“環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)”?！叭蜃冞w研究”包括5項(xiàng)大型計(jì)劃，即古全球變遷、氣候與空氣品質(zhì)臺(tái)灣站、赤道海洋與全球大氣研究、黑潮邊緣交換過(guò)程研究、世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)。

表1　2013年臺(tái)灣地球科學(xué)領(lǐng)域SCI論文世界排名

1996年，臺(tái)灣科技主管部門(mén)在“中央”大學(xué)成立“地球科學(xué)研究推動(dòng)中心”，明確地球科學(xué)范疇包括地球、大氣及海洋3個(gè)學(xué)科，涵蓋地理學(xué)及區(qū)域地質(zhì)學(xué)、地球物質(zhì)學(xué)、應(yīng)用地球物理學(xué)及地質(zhì)學(xué)、地球及行星化學(xué)、地磁學(xué)和地電學(xué)、地震學(xué)、水文學(xué)、測(cè)地學(xué)和重力學(xué)、地球歷史學(xué)及地球動(dòng)力學(xué)、高層大氣、大氣動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬、大氣物理與大氣化學(xué)、天氣學(xué)與氣候?qū)W、海洋物理、海洋化學(xué)、海洋遙測(cè)、海洋生物、海洋地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域。

“地球科學(xué)研究推動(dòng)中心”的任務(wù)主要有三項(xiàng)：協(xié)助臺(tái)灣科技主管部門(mén)推動(dòng)相關(guān)學(xué)科研究發(fā)展方向與重點(diǎn)；協(xié)助開(kāi)展與海外有關(guān)研究機(jī)構(gòu)合作及學(xué)術(shù)交流；舉辦學(xué)術(shù)性研討會(huì)、演講會(huì)及學(xué)術(shù)聯(lián)系活動(dòng)，及為臺(tái)灣有關(guān)研究人員提供服務(wù)。

表2　 2007—2013年臺(tái)灣地球科學(xué)領(lǐng)域重要期刊論文發(fā)表情形

進(jìn)入21世紀(jì)后，臺(tái)灣地球科學(xué)的研究范圍又逐步擴(kuò)展至防災(zāi)科技、可持續(xù)發(fā)展、氣候變遷與全球環(huán)境，以及空間資訊等與民眾生活直接的相關(guān)領(lǐng)域，近年來(lái)平均每年發(fā)表論文3萬(wàn)余篇，2013年被SCI收錄的論文有4469篇。發(fā)表論文數(shù)量最多的研究機(jī)構(gòu)主要有：臺(tái)灣中研院、臺(tái)灣大學(xué)、中山大學(xué)、“中央”大學(xué)、成功大學(xué)、海洋大學(xué)、臺(tái)師大、中國(guó)文化大學(xué)、東華大學(xué)、中央地質(zhì)調(diào)查所、“中央氣象局”等。

重視地震研究

早在1891年，臺(tái)灣安平海關(guān)即開(kāi)始地震觀測(cè)工作。上世紀(jì)20年代日本殖民時(shí)期，初步建成了地震觀測(cè)網(wǎng)。到1945年臺(tái)灣光復(fù)時(shí)，島內(nèi)共有17個(gè)地震觀測(cè)臺(tái)。1951年臺(tái)東及花蓮發(fā)生大地震，為此增設(shè)了加速度地震儀和新型的強(qiáng)震儀。1963年接受美國(guó)商業(yè)部海岸大地測(cè)量局的贊助，在臺(tái)北市近郊設(shè)立了一個(gè)屬于世界標(biāo)準(zhǔn)地震臺(tái)網(wǎng)(WWSSN)的地震臺(tái)，裝有高放大倍數(shù)的長(zhǎng)周期及短周期電磁式地震儀各一套。

針對(duì)臺(tái)灣地震多發(fā)的特點(diǎn)，臺(tái)灣科技主管部門(mén)成立后即非常重視對(duì)包括地震在內(nèi)的地球科學(xué)研究，并特別設(shè)立專(zhuān)門(mén)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)，鼓勵(lì)島內(nèi)大學(xué)教師和科技人員開(kāi)展相關(guān)研究。

該部門(mén)1968年提出地震研究長(zhǎng)程計(jì)劃，此時(shí)卻發(fā)現(xiàn)島內(nèi)缺乏專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)及設(shè)施，零星研究人員之間也缺少相互配合。為此，該部門(mén)在1971年成立地震專(zhuān)案小組，負(fù)責(zé)建設(shè)臺(tái)灣環(huán)島自動(dòng)測(cè)震網(wǎng)，由覆蓋各地區(qū)的25個(gè)野外地震臺(tái)站記錄地震訊號(hào)，可以準(zhǔn)確測(cè)定里氏2.0級(jí)以上地震，所獲得的數(shù)據(jù)可用于研究島內(nèi)地震震源的特性、地震波的衰減及地下介質(zhì)的非均勻性。

1973年，地震專(zhuān)案小組改隸屬于臺(tái)灣中研院物理所，在該所內(nèi)設(shè)立地震研究組。1976年，臺(tái)灣中研院將其獨(dú)立出來(lái)，成立地球科學(xué)研究所籌備處，1980年又增設(shè)同位素地球化學(xué)及地體構(gòu)造物理學(xué)兩個(gè)研究組。1982年7月，正式成立中研院地球科學(xué)研究所，最初設(shè)在臺(tái)灣大學(xué)校園內(nèi)，1993年初遷至臺(tái)北市南港區(qū)新建的研究大樓。1991年3月，臺(tái)灣環(huán)島自動(dòng)測(cè)震網(wǎng)并入臺(tái)灣氣象主管部門(mén)地震觀測(cè)網(wǎng)。

該所現(xiàn)任為所長(zhǎng)趙豐，共有35位研究人員，包括特聘研究員5名、研究員9名、副研究員10名、助研究員3名，設(shè)有多個(gè)研究室及各種實(shí)驗(yàn)室，設(shè)有地球物理、地球化學(xué)、工程技術(shù)和設(shè)施救援4個(gè)部門(mén)，主要研究方向?yàn)椋旱卣饘W(xué)、地質(zhì)構(gòu)造、地球物理學(xué)、地球化學(xué)及地質(zhì)高壓實(shí)驗(yàn)，包括放射性和穩(wěn)定性同位素分析、地質(zhì)和宇宙礦物學(xué)、火山和地質(zhì)構(gòu)造學(xué)、陸地及海洋地質(zhì)定年技術(shù)等研究。近年來(lái)在地磁學(xué)、大地測(cè)量學(xué)的應(yīng)用，特別是地幔動(dòng)力構(gòu)造模擬計(jì)算熱流、太空遙感、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和重力研究方面也有較大的發(fā)展，2013年發(fā)表SCI論文100余篇。

該所同時(shí)還與臺(tái)當(dāng)局其他政府部門(mén)（如氣象主管部門(mén)）共同運(yùn)作遍布全臺(tái)灣的地球物理學(xué)及測(cè)地學(xué)儀器臺(tái)網(wǎng)，與臺(tái)灣許多有關(guān)機(jī)構(gòu)有合作關(guān)系，并經(jīng)常協(xié)助推動(dòng)臺(tái)灣的地球科學(xué)教育，對(duì)預(yù)防和減輕地震災(zāi)害、重大建設(shè)項(xiàng)目的地震危害度評(píng)估等也提供專(zhuān)業(yè)性服務(wù)。

“中央”大學(xué)是島內(nèi)最早培養(yǎng)地球科研人才的搖籃。該校前身是創(chuàng)建于1915年的南京高等師范學(xué)院，1929年改名為中央大學(xué)，其地質(zhì)、氣象等方面的教學(xué)實(shí)力在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)首屈一指。1979年，臺(tái)當(dāng)局在島內(nèi)“復(fù)建”所謂“中央”大學(xué)。但其實(shí)早在正式復(fù)校之前，即在1962年，島內(nèi)來(lái)自大陸的部分該校師生就在臺(tái)灣教育主管部門(mén)的支持下，先行成立中央大學(xué)地球物理研究所，開(kāi)展相關(guān)研究并嘗試培養(yǎng)研究生。1968年，又設(shè)立“中央”大學(xué)大學(xué)部物理系地球物理組，開(kāi)始對(duì)外招生；1976年與物理系分離，單獨(dú)成立地球物理系?！爸醒搿贝髮W(xué)正式成立后，該系在第二年便設(shè)立博士生班，1990年又成立應(yīng)用地質(zhì)研究所，同時(shí)將原地球物理系更名為地球科學(xué)系，形成一系(地球科學(xué)系)兩所(地球物理研究所、應(yīng)用地質(zhì)研究所)的結(jié)構(gòu)，涵蓋更廣的領(lǐng)域，使地球科學(xué)教育更為充實(shí)蓬勃，同時(shí)承擔(dān)臺(tái)灣科技主管部門(mén)及其它民營(yíng)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或企業(yè)的委托研究項(xiàng)目，開(kāi)展地震、地電、地磁、測(cè)井、地質(zhì)等研究工作，以便學(xué)生能學(xué)以致用的，獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其培養(yǎng)的學(xué)生已成為日后活躍于臺(tái)灣地球科學(xué)界的骨干。

此外，臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)主管部門(mén)所屬“中央地質(zhì)調(diào)查所”、氣象主管部門(mén)所屬地震測(cè)報(bào)中心等部門(mén)也都設(shè)有與地球科學(xué)相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)。

中央地質(zhì)調(diào)查所最早創(chuàng)立于1916年，歷史悠久。1949年國(guó)民黨當(dāng)局?jǐn)⊥酥僚_(tái)灣時(shí)，該所人員幾乎全部留在大陸，島內(nèi)的地質(zhì)工作實(shí)際由1946年成立的臺(tái)灣省地質(zhì)調(diào)查所負(fù)責(zé)，首任所長(zhǎng)為畢慶昌。

上世紀(jì)70年代，臺(tái)當(dāng)局基于經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，特別是礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)及農(nóng)業(yè)、交通、土木工程、水利建設(shè)、環(huán)境治理等各方面均需要地質(zhì)資料作為設(shè)計(jì)及施工的參考，在1978年11月恢復(fù)成立經(jīng)濟(jì)主管部門(mén)下屬“中央地質(zhì)調(diào)查所”，原臺(tái)灣省地質(zhì)調(diào)查所由“中央地質(zhì)調(diào)查所”接管后撤銷(xiāo)。該所最初設(shè)在臺(tái)北市仁愛(ài)路二段1號(hào)，首任代所長(zhǎng)為徐鐵良，1983年5月遷至臺(tái)北縣（今新北市）中和市華新街地質(zhì)研究館新址。

該所的主要任務(wù)是調(diào)查島內(nèi)地質(zhì)礦藏，培育地質(zhì)專(zhuān)才，開(kāi)展資源開(kāi)發(fā)、工程建設(shè)及學(xué)術(shù)研究。所內(nèi)設(shè)有綜合企劃室、區(qū)域地質(zhì)組、構(gòu)造與地震地質(zhì)組、環(huán)境與工程地質(zhì)組、資源地質(zhì)組、地質(zhì)資料組等技術(shù)部門(mén)，以及多個(gè)地球科學(xué)研究室及X光實(shí)驗(yàn)室、電子微探儀實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)室、薄片制作實(shí)驗(yàn)室、巖石力學(xué)試驗(yàn)室、土壤力學(xué)試驗(yàn)室、地球物理實(shí)驗(yàn)室、沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)室、地質(zhì)資料中心、標(biāo)本陳列室等，重要儀器設(shè)備包括：偏光顯微鏡、液包體加熱冷凝臺(tái)、立體顯微鏡、X光繞射儀、電子微探分析儀、電子顯微鏡、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、三軸壓縮試驗(yàn)儀、直接剪力儀、單向度壓密儀、地下水流速流向儀、井測(cè)儀、地電儀、自錄式水位儀、熒光光度計(jì)、工程用地震儀、激光粒徑分析儀、滲透試驗(yàn)儀、感應(yīng)式耦合等離子光譜儀、空中磁力探測(cè)設(shè)備等。

該所現(xiàn)有研究人員70余人，主要研究方向包括：臺(tái)灣島內(nèi)活動(dòng)斷層分布及特性調(diào)查研究，編制及更新活動(dòng)斷層圖，地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究，建立基本地質(zhì)及環(huán)境與工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，地震地質(zhì)及災(zāi)害調(diào)查研究，變動(dòng)地形分布及特性調(diào)查研究，因臺(tái)風(fēng)暴雨而形成泥石流災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查研究，建立山崩土石流數(shù)據(jù)庫(kù)，因坡地不當(dāng)開(kāi)發(fā)所造成地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究等。

臺(tái)灣氣象主管部門(mén)地震測(cè)報(bào)中心是島內(nèi)地震臺(tái)網(wǎng)和地震測(cè)報(bào)的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)，下設(shè)強(qiáng)地動(dòng)觀測(cè)、地震海嘯觀測(cè)、系統(tǒng)維護(hù)、資料處理、測(cè)報(bào)研究等科室，擁有40余名工作人員。該機(jī)構(gòu)既是地震監(jiān)測(cè)部門(mén)，也是臺(tái)灣官方的地震信息發(fā)布中心，不但為島內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)提供所需的地震資料，而且通過(guò)新聞媒體向公眾發(fā)布地震消息，包括有關(guān)震中、震源深度、震級(jí)、烈度等數(shù)據(jù)。

該中心目前擁有一個(gè)分布在全臺(tái)灣各地的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，共有102個(gè)加速度型即時(shí)強(qiáng)震站，隨時(shí)監(jiān)測(cè)全臺(tái)灣的強(qiáng)震活動(dòng)，并即時(shí)發(fā)布有感地震消息；另有71個(gè)速度型即時(shí)地震監(jiān)測(cè)站、611個(gè)地震觀測(cè)站（不含前述102個(gè)地震速報(bào)站）、61座結(jié)構(gòu)物觀測(cè)陣列，用來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)臺(tái)灣地區(qū)的地震活動(dòng)，尤其是微震資料。

表3　1981年－2012年各國(guó)和地區(qū)地球科學(xué)領(lǐng)域每5年相對(duì)影響系數(shù)

重要研究成果

鑒于臺(tái)灣早期地球科學(xué)研究多屬自選課題，彼此缺少聯(lián)系，導(dǎo)致研究力量分散，臺(tái)灣科技主管部門(mén)1982年制定了由島內(nèi)各學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)共同合作開(kāi)展的三個(gè)大型綜合研究計(jì)劃，分別為：臺(tái)東地區(qū)地質(zhì)與地球物理研究；臺(tái)灣新地質(zhì)構(gòu)造研究；臺(tái)灣第三紀(jì)地層層序研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果很好。

1985年10月，臺(tái)灣科技主管部門(mén)召開(kāi)地球科學(xué)十年計(jì)劃規(guī)劃委員首次協(xié)調(diào)會(huì)議，商定4項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，分別為：固體地球物質(zhì)的物理及化學(xué)研究；臺(tái)灣地區(qū)地震物性之研究；臺(tái)灣東部地質(zhì)與地球物理的研究；臺(tái)灣新地體構(gòu)造的研究。

同年12月，該部門(mén)制定出首部完整的地球科學(xué)學(xué)科規(guī)劃，配合島內(nèi)的研究環(huán)境及整合島內(nèi)現(xiàn)有研究人力，提出長(zhǎng)期重點(diǎn)研究方向，主要集中在兩大類(lèi)，第一大類(lèi)是地質(zhì)構(gòu)造、地球物理及能源與資源勘探研究，第二大類(lèi)為地震災(zāi)害調(diào)查分析與對(duì)策。

自上世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初年，在地質(zhì)學(xué)方面，臺(tái)灣科技人員取得的成果包括：臺(tái)灣中研院地球所劉林根發(fā)現(xiàn)并確定了現(xiàn)在稱(chēng)為“劉氏石”的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鎂鐵硅酸鹽，被國(guó)際公認(rèn)是構(gòu)成地球最主要和最豐富的物質(zhì)；臺(tái)灣北部前陸褶皺沖斷帶第三紀(jì)沉積巖的古地磁研究；觀察地磁場(chǎng)在極性反轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)程；磁性結(jié)構(gòu)汲巖石磁學(xué)的研究；利用大地測(cè)量資料從事板塊邊界及活斷層區(qū)的地殼變形研究；進(jìn)行大地測(cè)量系統(tǒng)誤差分析，以提高觀測(cè)精度；利用全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星測(cè)量方法，觀測(cè)研究臺(tái)灣地殼變動(dòng)；由臺(tái)灣各地區(qū)地形及斜坡演化歷史，配合放射性同位素定年資料，利用擴(kuò)散觀念，建立地形定年的數(shù)理模式；由祁連縫合帶火成巖及變質(zhì)巖的礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)及定年學(xué)，推斷當(dāng)時(shí)地體構(gòu)造作用與南極大陸的關(guān)系；整合沉積盆地火成巖特性及區(qū)域構(gòu)造資料，探討華南地區(qū)大地構(gòu)造演化及其與臺(tái)灣古、中生代演化間的關(guān)系；建立臺(tái)灣西部麓山地區(qū)層序地層、大地構(gòu)造與石油蘊(yùn)藏間的可能關(guān)系；建立臺(tái)灣各水資源區(qū)的地下水流模擬與地下水資源開(kāi)發(fā)技術(shù)；發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣北部火山帶屬于張裂環(huán)境下的巖漿活動(dòng)，且目前仍處于張裂力場(chǎng)下；發(fā)展超微標(biāo)本分析技術(shù)，探討巖漿在巖漿庫(kù)的形成過(guò)程；進(jìn)行西藏高原、中南半島地區(qū)的火成巖與變質(zhì)巖的地球化學(xué)、定年學(xué)與板塊重建研究，探討西藏高原新生代的抬升機(jī)制、新生代大型斷層錯(cuò)移的活動(dòng)歷史、南海張裂演化與大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模式；研究亞洲大尺度的構(gòu)造，在北越紅河斷裂帶之南，發(fā)現(xiàn)南中國(guó)揚(yáng)子陸塊最老的地殼基盤(pán)巖石在28億年（晚太古代）前由地幔形成；分析位于中央山脈與屏東平原交界，貫穿高雄與屏東縣的潮州斷層附近地下速度構(gòu)造，證實(shí)潮州斷層兩側(cè)速度差異極為明顯，為臺(tái)灣板塊活動(dòng)一個(gè)重要邊界斷層；研究新疆吐魯蕃盆地的古地磁，發(fā)現(xiàn)中新統(tǒng)早期有約20°～30°的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；分析鄂霍次克海巖心MD012414的古地磁，發(fā)現(xiàn)53.88米的巖心涵蓋177萬(wàn)年，冰期主要沉積物為來(lái)自勘察加半島冰川帶來(lái)的火山碎屑；建立各水資源區(qū)的地下水流模擬與地下水資源開(kāi)發(fā)技術(shù)等。