中央大學應用地質研究所學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
地下流體的富集與移棲是現今地球科學重要課題之一，而岩石之孔隙率和滲透率分別為估算儲集層儲量和流體移動速率的重要參數。然而流體流動特性之應力相依性以及其與深度之關係至今仍然有一些爭議。本研究利用高圍壓孔隙滲透儀(YOKO2)進行岩石孔隙率與滲透率之室內量測，並以實驗獲得之壓密曲線嘗試建立應力歷史相依(stress-history dependent)之孔隙率與滲透率之模型。試驗試體來自兩個場址：台灣車籠埔斷層深鑽計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project, TCDP)之深鑽井與二氧化碳封存前導計畫之三鶯一號鑽井(well Sanying-1)，試體之所屬地層主要為台灣西部麓山帶之地層，岩石屬於矽質碎屑沉積岩，地層分別為中新世至更新世之南莊層、桂竹林層、錦水頁與卓蘭層。 本研究主要將分析方向分為五個部分：1. 利用TCDP試體進行室內孔隙率滲透率量測，並建立應力相依之孔隙率滲與透率模型以及應力相依之比儲水係數，實驗結果顯示壓密曲線符合冪次律，經室內實驗加壓解壓後呈現不可回復之變形，進而反映至孔隙率與滲透率隨有效圍壓之變化。2. 利用孔隙率量測結果，並考慮應力歷史對於孔隙率之影響，建立應力歷史相依之孔隙率模型。並利用模型進行線性迴歸獲得每個試體之最大預壓密應力，結果顯示，於TCDP三義斷層上盤之岩層，因侵蝕所造成之釋放應力平均為29.48 MPa，進一步估算TCDP場址三義斷層上盤之抬升量(2482 m)與滑移量(11.5 km)。3. 利用應力歷史相依之孔隙率模型估算TCDP鑽井之孔隙率與深度之關係，與井測孔隙率作比對，結果顯示成功預測應力歷史對孔隙率-深度關係之影響，孔隙率變化趨勢與井測之孔隙率一致，主要受控於有效應力、岩性變化與應力歷史之影響。4. 利用已受抬升作用之三鶯一號井試體與井測資料結合應力歷史相依之孔隙率模型，成功推估未抬升之相對應地層孔隙率與深度之關係，並能推算灌注壓力造成岩石有效應力下降對孔隙率變化之影響。5. 利用TCDP試體，建立應力歷史相依之滲透率模型，估算滲透率與深度之關係。於TCDP鑽井，完整砂岩滲透率為10-12-10-13 m2，完整泥岩滲透率為10-17-10-19 m2。並利用Oda之模型估算裂隙滲透率(10-12-10-15 m2)，估算裂隙滲透率與深度之關係，發現估算岩石滲透率時，泥岩僅需考慮裂隙滲透率，而砂岩則須評估完整岩石對整體滲透率之影響。
- 學位論文
2008年汶川地震誘發中國四川省的大光包山崩，其為汶川地震所誘發規模最大之巨型山崩，土方量高達約10.51億立方公尺。基於災前災之地形變化，以及野外調查建立之地質構造模式，推論此山崩為楔型破壞，兩滑動面為層面及高角度節理，其滑動方向大略沿著其弱面之交線方向 (N70°E/14°)，滑行距離約1900公尺。楔型破壞規模一般不大，因此，地震誘發楔型破壞之大光包山崩為十分罕見之案例。本研究主要目的是利用Newmark位移分析法計算大光包楔型塊體受震後之位移量變化。過去Newmark位移分析法常用於分析邊坡受震後之永久位移，一般常用於平面型破壞及圓弧型破壞之邊坡，楔型破壞之Newmark分析案例較少見。根據前人研究，楔型體穩定性分析之方法有剛塊法(Rigid Wedge Method)及最大剪力法(Maximum Shear Stress Method)，Ghosh and Haupt (1989)利用剛塊法進行楔型體之Newmark分析，該分析基於下列四點假設：(1)滑動塊體為一剛體；(2)不需考慮垂直於滑動方向之水平地震加速度；(3)垂直地震加速度可被忽略；(4)假設摩擦係數為一定值，不隨速度和位移改變。但這些假設並不適用於每個案例。因此，本研究探討Ghosh and Haupt所提出假設之適用性，得到下列結論：(1)當破壞形式越接近平面型破壞、弱面視傾角越小、摩擦係數越小時，剛塊法及最大剪力法之結果相差不大，在這三個條件下可用簡單之剛塊法進行塊體之穩定性計算；(2)使用剛塊法時，在弱面摩擦係數小、弱面交線傾角陡與弱面視傾角偏緩之情況下，垂直之地震加速度影響較大不可被忽略；(3)垂直於滑動方向之水平地震加速度之方向若朝向摩擦係數較低、視傾角較大之弱面及弱面交線傾角較大之條件下，有無考慮此方向地震加速度所得之塊體穩定性差異大。另根據前人針對大光包山崩滑動面材料旋剪試驗結果，建立速度與穩態摩擦係數間之關係式。將所得之速度位移相依摩擦律引入Newmark位移法，並透過剛塊法與最大剪力法計算，可得大光包楔型破壞在地震過程中之速度與位移量。結果顯示大光包之楔型體受地震力作用的影響後，並不會產生長距離滑移的現象，然而，有無考慮地下水之影響亦會造成結果不同。根據控制因素分析，本研究採用之地震紀錄地震頻率過高，可能是影響Newmark分析結果的主要原因。因此，山崩處之場址效無法評估，可能造成Newmark分析結果與事實不符。
- 學位論文
單速旋剪摩擦試驗在過去幾十年中成功地被用來探討斷層力學與大型山崩滑移。近期研究顯示，集集地震誘發之草嶺山崩在快速滑動前，藉由Newmark分析可以觀察到山崩塊體在觸發階段時有加速與減速的運動，此一結果顯示在加減速條件下，較能符合地震及山崩之滑動過程，因此以加減速條件研究滑動面摩擦特性有其必要性。本研究利用根據單速旋剪摩擦試驗所建立之速度與位移相依摩擦律，模擬在加速減速滑移過程中斷層泥摩擦係數的改變，並與前人研究比較，結果發現在變速度實驗過程時，在滑移速度降至零時，剪切材料之強度會回復至最大值，與實際震盪速度試驗結果不符。因此本研究進一步利用純高嶺土進行單速與加、減速旋剪試驗，並根據試驗結果，建立高嶺土之速度-位移相依摩擦律，本研究建議之摩擦律納入了加、減速行為、最大速度，以符合加減速試驗所觀察到的摩擦係數回復值隨頻率增加而減小的現象，並可進一步應用於地震斷層動力學或地震誘發山崩之觸發機制。
- 學位論文
台灣東北海岸的萊萊海蝕平台為雪山山脈地質的延伸，煌斑岩脈(lamprophyric dikes)以右階雁行排列(right-stepping en-echelon form)的形式聳立於其上，伴隨著有不同尺度的斷層、節理及褶皺等構造的出現。煌斑岩脈約形成於九百萬年前，當時的分布形貌，記錄了中新世晚期火山活動的應力環境；岩脈及圍岩中的斷層及破裂等構造，則紀錄上新世以來蓬萊造山運動的應變史，同時反映岩石強度差異所造成的不同變形行為。本研究進行岩脈及地表構造分布及形貌之詳細記錄及精確構造作圖，輔以無人飛行載具 (UAV) 的空照正射影像，以不同比例尺(最大到1:20)的底圖進行野外工作，搭配地電阻測勘剖面確認岩脈在地下的延伸情形，藉以判定各斷層的位態及錯動性質等。煌斑岩脈呈現東西走向，高可達3公尺，總長約190公尺，由2到30餘公尺長不等的19段岩脈所組成。圍岩岩層為漸新世晚期大桶山層，以硬頁岩為主，大體上呈北北東走向，向西傾約十幾度。研究結果顯示，最晚期的斷層作用為南北向的右移斷層，明顯錯開岩脈，但錯距皆小於2米，在還原斷層錯動後，岩脈僅為三道，但仍以右階雁行排列；藉野外構造觀察的推論及地層序列的分析，研判岩漿沿當時既存的垂直裂縫爬升，侵位當時地下2.6公里深的”大桶山層”中的雁行排列節理，冷卻後形成至少三道右階雁行排列的垂直岩脈。分析岩脈與圍岩的破裂現象，岩脈上除了一系列低角度西傾的逆斷層外，另有和岩脈走向夾銳角的右移斷層，使得岩脈內出現水平向的類併置構造(duplex structures)；而圍岩則產生變形。構造演育形成順序為，晚漸新世在被動的大陸棚環境沉積，經深埋岩化後，產生差排的垂直裂隙，中新世晚期岩漿沿著裂隙侵位，形成右階雁行排列的岩脈列，上新世以來受到蓬萊運動的影響，使得岩脈產生逆斷層及類併置構造，圍岩則產生變形，而後應力場改變產生南北向的右移斷層將岩脈錯開，最後構造抬升及頂蝕作用(unroofing)，形成張裂節理，岩脈則以右階雁行排列出露於現今的海蝕平台。
- 學位論文
數值模式的發展日新月異，已廣泛應用到許多領域中，有限元素方法是一個功能強大的數值方法，可以靈活處理許多複雜的問題。但有限元素法的模式開發包括複雜程式撰寫、除錯與模式最佳化驗證等，需投入大量資源提高程式開發效率。本研究應用高階計算偏微分方程的模組FreeFEM++ （Free Finite Element ++），透過物理控制方程的變分推導，編寫包含吸附與自然衰減特性的地下水與污染傳輸模式。模式經與MODFLOW與解析解驗證結果顯示水流與污染傳輸擬合良好，方均根誤差（RMSE）分別為0.003 m與0.0784 mg/L。模式應用於實際的三氯乙烯（TCE）污染場址，本研究將現地水文地質參數的一般克利金法（ordinary kriging）統計分析結果代入模式中率定，運用場址過去豐富的觀測數據與模式結果交互驗證。結果顯示污染團濃度分布與觀測結果擬合， RMSE介於0.1~0.69 mg/L，證實本研究所開發的FreeFEM++地下水流與污染傳輸模式可適切反應污染場址內污染團之移動機制。最後本研究評估自然衰減和抽水兩種整治方法應用於整治場址後期的整治效益，分析結果顯示場址TCE濃度大於 0.1 mg/L時，使用抽水整治效果較顯著，而且在污染團下游抽水效益最高，但濃度低於0.05mg/L時，兩種方法的效益會趨於一致。
- 學位論文
對於岩體而言，孔隙率與滲透率是決定地下流體富集與移棲之關鍵因素，然而岩體會受沉積環境與構造作用而產生不同之孔隙率與滲透率。故本研究利用高圍壓孔隙率/滲透率量測儀(YOKO2)量測沉積岩隨有效圍壓變化下之孔隙率和滲透率、觀察岩石薄片及岩石粒徑分析，探討岩性與構造作用對岩石孔隙率與滲透率之影響。本研究使用之試體取自台西盆地南側彰化濱海地區之台灣電力公司TPCS-M1鑽井，為受大地構造影響較低之地區，而試體所屬地層為中新世至更新世。利用其試驗結果，相較於受構造抬升作用影響較大之台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫(Taiwan Chelunpu-fault Drilling Project, TCDP)鑽井的岩心試體。結果顯示因岩性與受到構造作用的程度之差異，使得TCDP與TPCS-M1砂岩類之孔隙率及滲透率為粒徑組成、膠結程度與微裂隙密度所控制。然而，TCDP砂質岩類孔隙率與滲透率高於黏土含量較高及微裂隙密度較低之TPCS-M1砂質岩類(孔隙率差距約2 - 5%；滲透率差距約兩個數量級)，卻低於膠結較差之TPCS-M1砂質岩類(孔隙率差距約3 - 7%；滲透率差距約一至兩個數量級)。另外，TCDP泥質岩類之孔隙率及滲透率，均低於TPCS-M1泥質岩類(孔隙率差距約8%以內；滲透率差距約一至三個數量級)，原因可能與砂含量和岩石之原始埋藏深度有關。
- 學位論文
臺灣山多平原少地勢陡峭，再加上河川沖刷因此形成許多沖積台地及平原，沖積地質經過時間的演化，地表下常夾雜不同厚度的低透水層。在地小人稠的臺灣，都會區快速發展地表不透水面積增加，導致雨季來臨時下游低窪地區淹水。如何在現有的都會空間中增加地表水入滲，將是目前當務之急。入滲速度快慢取決於土壤特性，若採用礫石樁工法貫穿地層中的低透水層，使地表水藉由礫石樁快速入滲。但是該工法所造成的入滲效益是否符合預期目標，需藉由數據量化加以分析討論。本研究目的透過現地及實驗室方法，配合數值模擬量化評估都會地區滯洪池增設礫石樁之入滲效益。研究場址位於台中市大里區工業區內的南區滯洪池，研究透過壓力鍋實驗得到現場土樣特徵參數，並進行現場入滲實驗得到飽和水力傳導係數，將實驗得到的土壤特徵參數和飽和水力傳導係數與地理數值高程運用FEMWATER數值模式，透過降尺度技術建立符合滯洪池尺度和礫石樁尺度之水文地質模式模型，設定滯洪池內不同積水深度、水力傳導係數以及地下水位面，量化分析不同礫石樁數量和距離等情境下入滲率變化。模擬滯洪池入滲率和礫石樁入滲特性，並針對現場規劃適當礫石樁數量。 實驗得到van Genuchen土壤特徵參數如下：飽和體積含水率為0.358（-）、殘餘體積含水率為0.067（-）、空氣入滲係數為0.643（1/L）及材料孔徑參數1.556（-），以及入滲試驗求得之飽和水力傳導係數（Ks）0.6（m/day）。模擬結果顯示滯洪池的入滲量影響主要來自現場水力傳導係數以及池內積水深度；模擬雙樁間距分析顯示樁距大於1m以上時，以現場年平均地下水位及材料分層條件，對入滲量變化沒有顯著改變；礫石樁尺度模型內增設一支礫石樁將使入滲量每天平均增加約2%。因此若由礫石樁尺度模擬結果回推滯洪池範圍下，增加2%入滲率則需於滯洪池中增設16支礫石樁，而研究場址已設置三支礫石樁其等效水力傳導係數為0.603（m/day），約可增加0.375%入滲率。未來可將進一步以現地實驗驗證分析結果，而礫石樁設置工法將可廣泛應用在台灣各地區以補注日漸減少的地下水資源。
- 學位論文
含氯有機溶劑常出現於台灣地下水污染中，其會對人體健康造成傷害，含氯有機溶劑中的四氯乙烯會因生物降解依序轉變為三氯乙烯、二氯乙烯、乙烯。監測式自然衰減法(monitored natural attenuation)為整治概念，使用前須先通過自然衰減可行性評估，其中需使用污染傳輸模式進行自然衰減的模擬，以確定污染物濃度是否於時間內達到整治目標。BIOCHLOR為美國環保署用來模擬含氯有機溶劑自然衰減整治之模式。但此模式存在著兩個問題：(1)其解為Domenico的近似解析解，而文獻中指出Peclet number小會造成誤差；(2)模式假設各物種有相同的遲滯因子，與每個物種個有不同的遲滯因子情況不符。本研究針對BIOCHLOR 2.2進行功能性評估，藉由HYDROGEOCHEM 4.5s進行比較。結果顯示，BIOCHLOR 2.2適用於Peclet number大、濃度達到穩態時，而且為四氯乙烯、三氯乙烯和二氯乙烯結果較為可信，BIOCHLOR 2.2不適合做氯乙烯之致癌風險評估，因為會有低估風險的疑慮。
- 學位論文
地下水污染傳輸模式是了解預測地質介質中污染物傳輸的重要工具，然而前人研究常假設出流邊界長度為無窮遠，此假設不符合實際情況，而有限邊界多為一維系統，無法適當描述現實問題。本研究目的為發展有限域二維溶質傳輸解析解模式，考慮移流、延散傳輸、線性平衡吸附、一階衰減項和源/匯項，以描述二維溶質的傳輸行為，進一步考慮初始、邊界條件和源/匯項為Dirac delta、常數、Heaviside step、週期性正弦或指數衰減函數。解析解推導主要是連續使用各種積分轉換消去時間微分項與空間微分項，將偏微分方程式轉換為代數方程式，再由一系列逆轉換求得完全顯示解析解。本研究發展之解析解與有限差分(Finite difference method)數值方法進行相互驗證，兩者的驗證結果十分吻合。此模式可應用於週期性正弦函數的參數推估，以推求現地在有限資料中的延散係數，且可適當使用於現地尺度場址中，了解污染物傳輸行為且作為初步污染整治的基礎，此模式可作為數值模式測試與驗證的工具。
- 學位論文
國際上高放射性廢棄物最終處置設施多位於深層地層，以阻絕放射性污染物進入人類生活圈，放射性核種傳輸數值模式常被使用作為處置設施功能安全評估工作之重要安全分析模式工具，幫助我們更清楚了解放射性核種的傳輸現象。在現有的解析模式中已發展可完整考慮在穩態均流場條件下之多核種衰變鏈傳輸解析解，因此將可以提供放射性核種傳輸數值模式之重要驗證參考依據，而數值模式則對處理非穩態、非均質、非等向地質環境之複雜流場較有彈性。本研究使用HYDROGEOCHEM 4.5s作為模擬在地下環境之放射性核種傳輸安全分析工具，並與前述解析解進行案例比較驗證，兩者在同時考慮源項衰變、吸附相污染物的衰變與多物種衰變鏈等影響皆有相當吻合結果，並進一步假設忽略吸附相衰變對核種傳輸結果的影響進行模擬探討，研究結果顯示不考慮吸附相衰變會高估母核種的濃度，並且低估子核種的濃度。未來在功能安全評估實務應用上，可以結合放射性核種傳輸解析解與數值模擬之優點以提升安全分析之可靠度。