臺灣大學海洋研究所學位論文
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本研究將過往2維的底質回聲剖面轉化為空間上的影像，成功發展了3維的底質回聲影像技術。3維回聲影像能幫助我們清楚分析海床下複雜構造的幾何形貌，正確定義出沉積物分佈範圍或地層之走向。 近年來利用反射震測於臺灣西南海域已發現大量的海底仿擬反射(BSR)存在，此一訊號被認為是天然氣水合物存在的重要指標。過往的調查通常為大範圍的普查，但針對滲漏型天然氣水合物儲集層仍缺乏較明確的描述，無法合理評估開採效益。本研究利用仿3維震測在具有探勘潛力的地區作業時，伴隨收集而來的回聲剖面資料做3維影像處理。首先以下枋寮盆地區的資料來發展此項技術，比對前人的研究成果做為驗證，然後將發展出來的技術應用在永安海脊區，再加入岩心和地化數據來探討海床上流體之滲漏現象。 在下枋寮盆地區是由八座泥貫入體包圍所組成，此處泥貫入體的抬升影響了沉積物的傳輸，使盆地呈階段性的發育，由於枋寮海底峽谷上游提供有限的沉積物量，加上盆地目前受泥貫入體阻擋，減少了沉積物填滿與溢出(fill and spill)的下坡充填過程，使得此區域以塊體運動堆積(MTDs)為主要的盆地填充沉積。本研究利用3維影像在此區發現三處塊體崩落堆積物，一處位於盆地中部東側斜坡腳下，水深約960公尺，從中心向西南方向約1.450平方公里外伸沉積體，厚度約20公尺；另一處位於盆地北部西側斜坡腳下，向東延伸面積約1平方公里、厚7公尺的沉積物；第三處的沉積物在研究區盆地北部，邊界範圍可再往北延伸超出研究區的範圍。由這些海床上沉積物的堆疊情形及分佈，能幫助我們了解近代盆地內的發育趨勢。 永安海脊西側斜坡盆地的發育受到古河道的多次切割與填充，承接了峽谷源頭帶來的砂質沉積物，良好的滲透率可以做為天然氣水合物移棲的空間。本研究發現在東側與西側斜坡盆地的岩心資料薄粉砂層顯示有高甲烷濃度的岩心深度，所對應到的底質回聲剖面為強振幅的反射層，且部分薄粉砂層面在被斜坡盆地截切的地帶，發現有麻坑現象的分布。利用3維回聲影像描繪出粉砂層面的分佈範圍，約從永安海脊西側斜坡盆地北部往南延伸3400公尺到盆地之中部，往西則延伸到海底峽谷的位置，深度約在1437至1470公尺之間，在永安海脊東側粉砂層走向約為北偏東30度，向東南傾斜1.5度，深度878至1047公尺。這些層面可能為淺部的甲烷滲漏管道，利用這些資訊期望對未來天然氣水合物探勘井位提供有利的評估資訊。
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板塊間的相對運動產生不同形式的板塊邊界，裂谷及中洋脊等地貌在板塊相互拉張的地區因應而生。這種板塊邊界一般認為可能與岩石圈受到熱及拉張作用有關，但大陸是如何開始張裂(continental breakup)以至張裂後轉變為海底擴張(seafloor spreading)的過程仍不完全清楚。非洲阿法爾裂谷位於南紅海張裂(Southern Red Sea Rift)、亞丁灣張裂(Gulf of Aden Rift)以及衣索比亞張裂(Main Ethiopian Rift)的交界處，正處於大陸張裂環境中，並向南紅海轉變為海底擴張，因此是了解大陸張裂初期過程的最佳地點。過去一般認為阿法爾的大陸張裂可能起源於地幔熱柱影響使得岩石圈減薄，但其受影響的位置、程度、和演化過程仍不清楚，而掌握岩石圈的構造是進一步了解阿法爾演化機制的關鍵。本研究取用阿法爾地區的地震陣列資料，利用地震移位成像技術(seismic migration)萃取並疊加散射波相以求取陣列下方的散射源(即可能的不連續面)分佈位置。本論文呈現了阿法爾區域第一個高解析度的散射波移位成像結果。我們發現在二維成像剖面的北段(阿法爾西北緣與衣索比亞高原交界)與南段(阿法爾南緣與衣索比亞張裂帶交界)各有一明顯的不連續面存在。跨過南段位於75公里深的不連續面波速由快變慢，可能代表岩石圈－軟流圈邊界層(lithosphere-asthenosphere boundary)，或可用熱物質上湧造成波速變化加劇來解釋。至於此熱作用來自地幔熱柱或是因張裂導致的上地幔局部被動流場，則需要進一步探討。另一方面，不同於南段，跨過剖面北段的不連續面波速由慢轉快，並由70公里往南漸深至90公里，其代表的構造意義尚待釐清。
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本研究旨在以放射性同位素方法估算宜蘭地區海底湧泉的輸出通量及其乾濕季變化。 研究結果發現海水222Rn活度在2014年八月介於0至2.26 Bq/m3，2015年一月活度為4.86至11.02 Bq/m3，海水224Ra活度在2014年八月活度介於0.43至1.14 Bq/m3， 2015年一月由0.48至1.98 Bq/m3。222Rn與224Ra活度冬季高於夏季，顯示地下水輸出訊號會隨著季節改變。 2014年四月至2015年一月，每三個月至蘭陽平原湧泉進行淺層地下水採樣，分析結果發現湧泉224Ra活度均不高，介於0.02至0.29 Bq/m3間，四季活度無明顯變化。222Rn活度介於386至32220 Bq/m3，活度差異甚大，其高值出現在雪山山脈旁之湧泉，越往平原與沿海地區活度越低，雪山山脈旁之湧泉出現氡高鐳低之現象。除湧泉採樣外，2015年一月及三月至礁溪溫泉與冬山600公尺深井做深部來源地下水採樣，發現其224Ra活度比地表湧泉高出許多，礁溪溫泉為2.26 Bq/m3、冬山深井為20.97 Bq/m3。 將本研究海水與湧泉之224Ra活度做比較，發現海水224Ra活度值高於湧泉，有別於地下水224Ra活度高於海水之認知，比對2015年三月之冬山深井，其224Ra活度20.97 Bq/m3遠高於淺層地下水0.02至0.29 Bq/m3，推測海域中可能有深層地下水體輸入。 宜蘭灣海底湧泉輸出通量計算結果顯示，2014年八月輸出量約4.3×106 m3/day，約為每日河水輸出通量的8%；2015年一月輸出量約為8.4×106 m3/day，約為河水輸出通量的16%。營養鹽中硝酸鹽輸出量在2014年八月約為7.7×106 mole/day，高出河水硝酸鹽輸出通量約六倍，一月約為1.5×107 mole/day，高出河水硝酸鹽輸出通量約12倍，硝酸鹽類藉由海底湧泉輸出至宜蘭灣，其通量大於河川輸出，顯示海底湧泉在沿岸生態環境扮演重要角色。
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本研究旨在以放射性同位素示蹤劑估算高屏沿岸海底地下水輸出通量（submarine groundwater discharge, SGD）。在陸域調查方面，2014年於屏東平原的河川及湧泉進行水體採樣工作，而海域調查方面則以海研三號研究船在高屏沿海分別於五月及九月進行兩個航次（OR3-1768以及OR3-1799）採樣工作。 本研究利用同步延時計數計（Delayed Coincidence Counter, RaDeCC）以及RAD7進行短半衰期鐳同位素（224Ra、223Ra）及水氡活度測量。陸域分析結果顯示，水氡能反應短時間區域性的降雨事件，濕季時淺層地下水水氡活度高達26000 dpm/100 L以上，但鐳同位素活度低於4 dpm/100 L。鐳同位素活度受到溶解時間以及地層岩性差異的影響，河水及湧泉的長半衰期的核種活度普遍高於短半衰期核種，惟高屏溪下游在山區降雨增加時224Ra活度明顯上升，其來源可能為地下水因地下水位升高而進入到河水中。海域調查結果顯示，平原區降雨增加會使表層海水的水氡及224Ra活度升高1.5倍，山區降雨則會反應在沿海底層的226Ra活度。 在海底地下水輸出通量估算方面，五月高屏沿岸的輸出主要發生在底部的地層，其輸出通量為26890 m3/day是表層輸出量的五倍；九月則集中在表層的輸出，其通量為981295 m3/day是底層八倍。以放射性同位素估算之SGD流速範圍約為2×10-10－4×10-8 m/sec，滲透係數約為1.1×10-7－2.2×10-5 m/sec，與地調所調查資料中顯示之屏東平原全區透水層的滲透係數範圍10-3－10-6 m/sec相符。
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由於臺灣長年受到颱風及地震的影響，並於外海引發嚴重的海底地質災害，因此本研究旨在釐清各事件對於沈積物的堆積及傳輸有何影響，並嘗試比較不同事件下沈積物的傳輸機制是否不同。透過2006~2015年間31個航次共178站位所收集的岩芯，透過粒徑中值、X-ray 攝影、含水量性質及鉛 二一０的分析計算沈積速率、儲量、累積質量，討論西南海域沈積物性質分布與傳輸之間的關係。由於臺灣長年受到颱風及地震的影響，各事件對於沈積物的堆積及傳輸有何影響，並進一步比較不同事件下沈積物的傳輸機制是否不同。 本研究區域範圍涵蓋高屏陸棚、高屏陸坡、高屏海底峽谷、枋寮海底峽谷以及深海海盆，探討臺灣西南海域不同地形單元沈積物堆積之分布。 岩芯粒徑中值空間分布結果顯示，西南海域沈積物粒徑中值主要為6-7phi，粗顆粒(3-5phi)則集中於陸棚及下枋寮盆地。推測西南海域，當有事件發生時，粗顆粒沈積物會藉由枋寮海底峽谷傳輸至下枋寮盆地。鉛 二一０儲量於西南海域空間之分布結果顯示，沈積物不只是堆積於高屏海底峽谷兩旁，而發現另一個堆積區位於下枋寮盆地。進一步利用事件沈積物累積質量結果，可見颱風與地震等事件沈積物主要傳輸途徑及堆積區不同於非事件時期之沈積物。颱風事件沈積物主要藉由高屏海底峽谷作為傳輸途徑，並堆積於陸棚及高屏峽谷兩側；地震事件沈積物主要藉由枋寮海底峽谷作為傳輸途徑。 研究結果顯示，沈積物於高屏海底峽谷主要透過高屏溪的水流傳輸，當有颱風事件侵襲臺灣，高屏溪沈積物通量也隨之增加，促使颱風事件堆積物主要堆積於高屏峽谷兩側。枋寮海底峽谷由於無河川提供沈積物來源，颱風事件發生時影響不大，而峽谷沈積物傳輸主要為地震事件之發生或邊坡不穩定，造成沈積物受到擾動，並使粗顆粒沈積物隨著枋寮海底峽谷傳輸、堆積至下枋寮盆地。
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南海是西太平洋最大的邊緣海，東北坡周遭環繞台灣、中國大陸、菲律賓及許多小島，承接大量經由河川帶來之陸源物質懸浮顆粒，其中以台灣懸浮顆利輸出量最為巨大。沉積物組成受到氣候、海平面升降和河川懸浮顆粒輸入通量改變，隨時序記錄不同沉積環境的特徵。本研究藉由沉積物中浮游性有孔蟲C14定年結果重建沉積年代，分析沉積物中有機物質碳氮比值、有機碳、碳酸鈣、生物矽濃度及粒徑大小分佈，探討此段時間內沉積物來源的變化及環境變遷影響機制。 研究結果發現，南海東北坡沉積物質受古氣候變遷影響，大致上可分成下列四種沉積環境狀態：冰期、過渡期、全新世與突發性事件(events)。全新世時期，深受台灣小河傳輸陸源物質所影響，全新世氣候較溫暖且降雨量大，河川懸浮顆粒輸出量大，大量陸源物質經由海底峽谷輸送至研究區域沉積。在過渡期期間，台灣端陸源輸出可能更為巨大，大量營養鹽輸入導致海洋基礎生產力在此時達到極大值，深水區的沉積物在此時沉積速率最快。冰期時，沉積物中陸源物質訊號比全新世時強，顯示此時陸源物質輸入不比全新世時少。全球性突發事件的發生，像是新仙女木事件、B/A暖期、D-O events與Henrichs events，均可在岩心中觀察到。另外，還發現許多強度不亞於全球性突發事件的區域性事件發生訊號，推測可能是颱風所造成。 在近台灣端之測站間冰期沉積速率為160 cm/ka，過渡期沉積速率更高達259 cm/ka。在距離台灣200公里遠的測站在間冰期有20~30 cm/ka的高沉積速率，過渡期沉積速率更高達30~74 cm/ka。造成此結果的原因除了氣候變遷改變河川輸入量外，亦受海底峽谷地形影響，導致台灣懸浮顆粒傳輸更遠。
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本研究旨在探討臺灣東部海域1000公尺深以下之深層水性質暨其來源和水團組成。本研究先使用「黑潮流量及其變化觀測計畫」下黑潮觀測航次所得之CTD資料，以溫鹽度的斜率變化界定深層水團的密度邊界，接著使用美國國家海洋資料中心的CTD、ARGO水文資料以及科技部海洋學門資料庫的船測CTD資料，整理出包含整個菲律賓海海域東經118°~150°，北緯4°~40°，每0.5°×0.5°為一網格，最大深度為2000公尺深平面網格的三維資料。然後，利用前一階段溫鹽斜率分析所得之密度區間，於設定之密度區間內進行均方根分析，以求鄰近深層海水與台灣東部海域深層海水性質之相似度，再計算位渦度、水層厚和斜壓地轉流場以追溯台灣東部海域深層水之可能路徑。最後，使用由花蓮東方的測線資料，帶入文獻中此地區可能之中、深層水來源水型，使用水團分析方法以求得台灣東部測線斷面上深層水的水團組合成分。 斜率分析研究結果顯示，台灣東部海域之深層水可以分成密度區間為1027.4~1027.5 kg m-3的「深海水第一層」，鹽度34.487~34.551、溫度3.764~2.700℃，以及密度區間為1027.6~1027.65 kg m-3的「深海水第二層」，鹽度34.578~34.610、溫度2.349~2.040℃。均方根分析的研究結果顯示，深海水第一層其鹽度性質與相同緯度海域相似，橫跨整個菲律賓海域，深海水第二層則是與其同緯度以上之菲律賓海北方海域相似。至於位渦度、水層厚以及斜壓地轉流場的計算結果則表示深海水第一層之深海水可能是由近北緯24°之深海通道進入菲律賓海盆，碰到琉球島弧後南下進入花東海盆而形成，深海水第二層也顯示了與深海水第一層類似的流況。水團分析的結果顯示，深海水第一層的水團組成為繞極深層水略等於太平洋中層水的比例，而深海水第二層則為繞極深層水大於太平洋中層水的情形。
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體長結構 (size structure)是代表魚群狀態的重要指標，因為它可以反應魚群的穩定度、對環境的抵抗力、以及族群的生產力。過去研究顯示體長結構主要受到 (1) 漁業捕撈以及 (2) 溫度變化 兩者的影響。然而，漁撈及溫度變化哪一者對體長結構有較大的影響並不清楚。另一方面，以往研究多使用體長結構指標 (size-based indicator)將體長結構簡化為單一指標來表示體長結構的變化，然而許多研究顯示這些指標僅能反應體長結構部分的變化，不一定能反應體長結構整體的改變，所以本篇的目的是使用多元回歸分析中的變異分配，來分析完整的體長結構變化，藉以了解23個經濟魚種的體長結構如何受到溫度變化和捕撈影響，以及去探討他們是否有一個交互作用。 研究顯示漁撈和溫度變化都會對體長結構造成影響，但線性的交互影響很小甚至沒有。我進一步去探討哪些因子與影響程度有相關，我發現會影響的因子包括1. 物種本身生長速率、2. 其受捕撈的程度與3. 其環境溫度變化的速率。其中漁撈對體長結構的影響與物種生長速率呈負相關，表示生長較慢的魚群其體長結構受漁撈的影響程度較大；另外，漁撈和溫度對體長結構的影響程度分別與溫度變化還有捕撈強度有關，而進一步使用廣義線性混合的效應模型(GLMM)去驗證單一因子是否有顯著影響，僅溫度在體長結構中影響程度與漁撈強度有顯著正相關；這些結果表示，即使在變異分配分析中線性的交互影響並不顯著，漁撈與溫度變化的交互作用可透由加乘的方式存在，且機制為：當魚群受到較強的捕撈，其族群對環境抵抗力較弱，較容易在其體長結構找到溫度的影響。本研究也將變異分配分析之結果與常用的體長結構指標做比較，我發現變異分配爭對上述漁撈與溫度變化之分析有較低的p值，亦即結果較顯著；因此，相較於傳統指標，使用變異分配分析體長結構受外在因素影響的程度是較有效的方法。
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本研究使用位在臺灣東部及呂宋東北部海域的兩條倒置式迴聲測深儀(pressure-sensor equipped echo sounder, PIES)測線觀測得到的聲傳時間資料，探討由東而西的海表面高度異常系統接觸黑潮後的相互影響與宿命。PIES觀測資料聲傳時間的變化與衛星測高資料海表面高度異常值在0時間差時通常為負相關，海面高度下降伴隨水下密度躍層抬升，反之海面高度上升伴隨水下密度躍層下降。但是兩條測線聲傳時間的變化與海表面高度異常值的負相關係數在進入黑潮主要流幅後逐漸下降，顯示海表面高度異常系統對密度躍層深度直接的影響在橫越黑潮的過程中逐漸減弱，另方面海表面高度異常系統也被黑潮的平流作用帶往下游離開PIES觀測斷面。由PIES聲傳時間資料與衛星遙測海表面高度異常值的相關分析結果發現，在臺灣東部北緯23.75°的測線觀測資料中，黑潮東西側海表面高度與等密面變化為反相位，當海表面高度異常系統的相對渦度和科氏參數為同一量級時，黑潮可能受到海表面高度異常系統所影響產生流徑和通量的變化，進而調整其海表面高度與等密面梯度，此外，當海表面高度異常系統的相對渦度為科氏參數的1/10時，海表面高度異常系統無法引起黑潮顯著的改變，但海表面高度異常系統本身受黑潮流域有效科氏參數(effective Coriolis parameter)的影響也可能造成水位梯度與等密面梯度產生調整。在臺灣及呂宋測線最東邊的PIES測站分別觀測到7個與9個密度躍層深度變動事件，進一步分析每個密度躍層深度變動事件與海表面高度異常系統時空變化的關係顯示，觀測海域的密度躍層可能同時受到來自東邊及南邊的海表面高度異常系統影響，且為海表面高度異常系統大小、強度、形狀和位置等因素綜合影響下之結果，遠比數值模擬理想情境下的結果複雜許多。在兩測線觀測重疊的半年內，亦只觀測到一次高壓海表面高度異常系統在影響呂宋測線密度躍層深度21天後影響臺灣東部測線上的密度躍層深度。
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過去研究已指出海水中存在著能夠代謝甲烷或甲醇的微生物，調控著甲烷、甲醇或其他甲基物質在海水中的變動，進而影響海域環境中的碳循環，然而現今對於這些微生物族群的相關研究仍有諸多未明之處，因此本研究選擇台灣西南海域 MV1、MV2、MV5 以及 MV12 泥火山和四方圈合冷泉區作為研究區域，分析其海水中甲烷濃度變化，並利用富化培養和穩定同位素標定 (Stable-isotope Probing, SIP) 探究海水中是否存在甲烷氧化菌 (methanotrophs) 或甲基氧化菌 (methylotrophs) 族群。 海水中溶解甲烷的分析結果顯示在多數海底泥火山的底層水均可測得較高濃度的甲烷，其中又以 MV12 泥火山供應甲烷的情形最劇烈，四方圈合冷泉區具有明顯的冷泉生態系統，底層水之甲烷濃度不高，這些由底層逸出的甲烷最終至表層大多已降為表層海水的背景值，顯見海洋中存在著機制進行甲烷的消耗，大幅降低了海洋輸送至大氣的甲烷逸散量。 選自 MV12 泥火山和四方圈合 TTC61 站位的底層水或中層水，以添加 13C 標定或未標定甲烷或甲醇進行富化培養，培養期間持續對樣本的代謝反應做監測，結果顯示添加甲烷之 TTC61 站位底層水培養的甲烷濃度有顯著下降，應為甲烷氧化菌消耗甲烷所致，而添加甲醇之培養所有樣本的二氧化碳濃度均顯著上升，推測是培養樣本中能夠代謝甲醇的甲基氧化菌或甲烷氧化菌所釋出。藉由 SIP 追蹤並分離出使用甲烷或甲醇之微生物的 DNA，再透過 16S rDNA 選殖基因庫的建立來檢視微生物族群結構，發現主要是由 methylotrophic group 和 Methylophaga sp. 所組成。使用甲烷而被 13C 標定的 DNA，透過即時定量聚合酶鏈鎖反應 (quantitative real-time polymerase chain reaction, qPCR) 可驗證其具有大量屬於甲烷氧化菌的功能性基因 (pmoA)。利用 pmoA 和 mxaF 功能性基因建立選殖基因庫，可進一步確認使用甲烷而被 13C 標定之 DNA 與 Type I 甲烷氧化菌 Methylobacter sp.、Methylovulum sp. 和 Methylomonas sp. 有 72 至 80 % 的相似度；使用甲醇而被 13C 標定之 DNA 與 Methylophaga sp. 有 82 % 以上的相似度，與 Type I 甲烷氧化菌 Methylomonas sp. 和 Methylobacter sp. 也有 88 % 以上的相似度。