地球科學系(含 海洋環境科技研究所)

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本系設立的宗旨,首在養成學生具備地球科學五大學術領域–地質學、大氣科學、海洋科學、天文學和地球物理–充分之本職學能;本系的教育目標,則首重致力培養有志從事地球科學之專精人才,以培育優秀之地球科學研究人才和實務工作的專業人才為主軸,並以培養優良的中學地球科學師資為輔。特別是在國內各地球科學相關系所中,本系是唯一同時涵蓋五大地球科學研究領域,並擁有師範大學在科學教育專業基礎的高等學術機構,此為本系之特色。若志在從事中等學校地科教學,本系亦可提供地科教學知能和教育專業知識,充分培育健全之地球科學師資。

在課程上,為營造更優質的學習與研究環境,本系已適度調整原以師資培育目標為主的舊有課程架構,整合各地球科學次領域之基礎課程,降低本系必、選修課程之比例,大幅減少各次領域之必修課程學分,以增加學生在各次領域課程選修之自由度及彈性,進而充分落實各次領域之專業進階課程。此外本系並積極鼓勵學生,實際參與實驗、撰寫論文、從事專題計畫研究等,以豐富其研究經驗,訓練學生使其具備獨立研究之精神與能力。經由選修本系提供之更多進階專業課程,進而厚植學生之理論基礎、充實其專業背景,並強化其選定目標次領域之學術養成和專業訓練;連同充足的研究經驗,本系學生的未來發展,將更具時代性與面對挑戰時的競爭力,進一步達到「博而精、廣而深」的終極目標。近來本系更積極增聘優秀外籍專任師資,以全英語教學方式授課,期能增加學生之國際觀與國際競爭力。

本系在碩、博士班研究所的教育上,採一系多所之架構,除地球科學研究所外,還包括海洋環境科技研究所。本系研究所的研究重點與發展方向,首在地球科學各領域之深耕與研究發展,並加強各次領域間之跨學門合作,以進一步提升本系之學術研究及國際化,並為本系學生的訓練和學習,提供全面全方位的考量,以訓練學生從容面對多變的世界,因應未來的挑戰。

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    台北101之動態響應:從模態分析到預測模型
    (2025) 陳耀傑; Chen, Yao-Chieh
    本研究針對 TAIPEI 101 進行長期結構健康監測(SHM)分析,使用近十年高解析度的環境振動資料,透過隨機遞減技術(RDT)擷取模態參數,確認溫度與風速為主導的環境因子。除此之外,我們發現颱風事件會造成短期頻率下降,其幅度與長期趨勢相當,而旋轉模態(Torsion mode)對環境與結構變化則展現出更高的敏感性。除長短期趨勢分析外,本研究亦評估支援向量迴歸(SVR)模型對模態頻率之預測能力,並提出固定式及漸進式兩種模型,儘管漸進式模型的更新能力提升了模型的適應性,固定與漸進模型皆在資料中斷後的動態與未建模之結構變化上表現不佳,顯示現有方法亟需具備物理背景與情境感知能力的預測架構。此外,調諧質量阻尼器(TMD)的異常也揭示了當前 SHM 模型的不足,往後研究時將 TMD 動態資料與其操作情境納入模型中,對於提升預測準確性與結構反應解釋能力至關重要。綜合以上,本研究顯示結合環境資料、長期監測與進階分析技術,我們能有效支持超高層建築之安全性與韌性管理,然尚有部分技術及資料分析有待改進。
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    印尼東爪哇巴契丹地區中新世中期火山岩的年代與地球化學特徵
    (2025) Lintjewas Lediyantje; Lintjewas Lediyantje
    None
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    北臺灣大屯火山群七星山岩漿庫行為之研究
    (2025) 賴旭泯; Lai, Hsu-Min
    七星山亞群為大屯火山群眾多的火山亞群之一,其主要山體包括七星山、白雲山、燒庚寮、竹篙山、紗帽山與七股山等。依據前人研究成果,七星山之岩漿活動可區分為三期,分別產出紫蘇輝石角閃石安山岩、含角閃石兩輝石安山岩及兩輝石角閃石安山岩等不同岩性。七星山東、西兩側各發育一條包含約四個噴發破裂口之裂隙帶。陽管處於2021年執行之地質鑽探計畫中,完成東側四口鑽井,並成功取火成岩之岩心資料。本研究旨在利用上述鑽井所獲岩心中之火成岩樣本,探討七星山下方潛在岩漿庫之性質與活動機制。岩心採樣位置集中於七星山東側蒸氣噴發破裂口帶,取樣自S1及S3-1-1兩口井。其中S1井取樣深度為4.3 - 4.6 m、9.4 - 9.8 m及11 - 11.4 m;S3-1-1井則取自5.7 - 6 m與7.4 - 8 m,共五段岩心區段。將岩心樣本製成岩石薄片進行岩象學觀察,確認其中所包含之礦物種類,將需要做礦物化學的礦物鎖定在斜長石、角閃石、輝石。製作岩石靶進行掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope,SEM)與電子能量散射分析(Energy-Dispersive X-ray spectroscopy,EDS)來觀察礦物外型及化學組成。將SEM-EDS所得到的結果,再利用電子微探儀(Electron Probe Microanalyzer,EPMA)對礦物進行化學成分的定量分析。礦物化學數據藉由前人文獻中的經驗公式,針對斜輝石進行地溫計與Fe-Mg擴散速率的計算、角閃石進行地壓計的計算、斜長石觀察其An值與Mg擴散速率之間的關係,推論此岩漿在地下所停留的時間及有岩漿補充的歷程。結合40Ar/39Ar定年分析結果,了解岩漿噴發的時間。並進行全岩主要元素、全岩微量元素、全岩鍶釹同位素地球化學分析,比對前人的地化特性。本研究樣本噴發年代太過年輕,因此無法得到40Ar/39Ar定年的結果。七星山全岩的地球化學成分均一,釹同位素值變化極小,顯示岩漿源區單一。藉由礦物化學分析結果得知,此岩心中的礦物生長環境在地下6-12公里之間的區域,晶體開始生長時的溫度在1120 - 1180 ℃間,透過擴散速率得知岩漿在噴發之前,最久於岩漿庫停留了約8000年的時間,而在岩漿噴發的前十年間,出現了密集的3次岩漿補充事件。
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    「臺灣地區豪大雨預報實驗」之定量降水預報評估研究:預實驗午後雷陣雨/颱風個案結果
    (2025) 吳哲維; Wu, Zhe-Wei
    本研究以「臺灣地區豪大雨預報實驗計畫」(Taiwan Area Heavy-rainfall Prediction Experiment, TAHPEX)之高解析多模式數值天氣預報系統為基礎,評估其對梅雨季午後對流與颱風事件之五日(120小時)定量降水預報(Quantitative Precipitation Forecast, QPF)效能,探討系集預報在不同降雨類型、雨量門檻及預報時間下的預報能力與雨區大小分辨。資料涵蓋2017至2021年TAHPEX實驗期間,梅雨季午後對流事件共17例、颱風事件4例,分別採6小時與24小時累積雨量進行分析,模式成員為TAHPEX計畫內M01至M13等多位成員。午後對流個案,本研究依據雨量分級劃分為A級(3小時 ≥ 100mm)、B級(時雨量 ≥ 40mm但< 100mm)、C級(時雨量 < 40mm),並以11種雨量門檻進行TS(Threat Score)與BS(Bias Score)等技術指標評估。結果顯示,在低雨量門檻(0.05、2.5mm)條件下,多數模式成員即便在預報時間長達四至五日前,仍能維持TS ≥ 0.2之預報能力,顯示模式具備掌握對流事件的潛力。其中,模式成員M04、M05與M12表現穩定,於多數事件與時段皆達「良好預報」標準(0.8 < BS < 1.25 且 TS ≥ 0.2)。但預報能力於高雨量門檻下明顯下降,C級事件則普遍預報困難,顯示弱對流事件本身之模擬仍具挑戰。 颱風個案則以10種雨量門檻進行24小時與前後12小時降雨的比較分析。結果而言,24小時累積雨量預報之TS值較12小時為高,但當降雨集中於特定12小時時段,短時預報之表現反而優於全日累積預報。 TAHPEX系集預報對於災前預警與氣象作業具有實務應用潛力。研究建議未來可進一步引入模式加權整合、資料同化與積雲參數化,以提升模式在高雨量事件條件下之定量降水預報,並強化臺灣地區在面對颱風及午後對流等致災性天氣事件時之防災決策支持能力。
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    全新世早期島尾Ⅰ、Ⅱ遺址瘤岩螺殼體穩定同位素紀錄所反映之馬祖亮島地區古環境及採收季節
    (2025) 吳家陽; Ng, Ka Ieong
    本研究分析馬祖亮島島尾Ⅰ遺址(距今約7900至7300年前)中9隻瘤岩螺殼體、亮島島尾Ⅱ遺址(距今約5800至5100年前)中6隻瘤岩螺殼體和現今馬祖南竿地區6隻不同時間所採集的螺類殼體之穩定碳、氧同位素成分,結合馬祖地區水體之穩定氫、氧同位素紀錄,探討約距今約7900至5100年前之古環境。馬祖北竿白沙水體之穩定氫、氧同位素數值(V-SMOW)分別介於-7.9至2.4‰(平均值-2.5±2.5;N=54)及-1.8至-0.1‰之間(平均值-0.8±0.4‰),南竿復興水體之穩定氫、氧同位素數值分別介於-7.5至3.0‰ (平均值-2.9±2.6‰;N=55)和-1.5至0.0 ‰之間(平均值-0.8±0.4‰)。統整現代水體穩定氫、氧同位素紀錄及該地區之温度、鹽度、降雨量等資料,該地區受到中國東部及東南部沿岸地區淡水匯入的影響。馬祖南竿地區所分析6隻現生螺類殼體之穩定碳、氧同位素數值(V-PDB)分別介於-2.4‰至-1.0‰之間(平均值-0.3±0.7‰;N=394)和-2.7‰至0.1‰之間(平均值-1.6±0.4‰),現生螺類殼體的氧同位素數值與理論平衡氧同位素數值大致相似,但螺類在冬季時會因為生長緩慢或停止生長而未記錄到最低温的訊號。馬祖亮島島尾Ⅰ遺址中9隻瘤岩螺殼體之穩定碳、氧同位素數值介於-1.9‰至2.7‰之間(平均值0.8±0.7‰;N=1327)和-3.5‰至0.7‰之間(平均值-1.5±0.5‰),島尾Ⅱ遺址6隻瘤岩螺殼體之穩定碳、氧同位素數值介於-1.4‰至2.6‰之間(平均值0.8±0.7‰;N=1059)和-3.3‰至0.5‰之間(平均值-1.6±0.6‰)。兩個遺址瘤岩螺殼體之平均碳同位素數值均比現生螺類殼體之平均碳同位素數值較大約1.1‰,可能是因為距今約8000年前全球海平面較現今海平面低約20公尺,造成當時亮島和周圍主要陸地之海岸線距離變短,比現今更易受到中國沿岸地區淡水所攜入之陸源物質的影響,導致當時的亮島附近海域的營養鹽增加,使得當時的海洋基礎生產力比現今為高。根據單一殼體氧同位素紀錄及四分位法協助判斷螺類生長時氧同位素數值之變化趨勢,島尾Ⅰ遺址中瘤岩螺殼體的採收季節分佈於秋季(N=4)、春季(N=2)、春夏季之間(N=2)和夏秋季之間(N=1)。島尾Ⅱ遺址的採收季節分佈於春季(N=4)、春夏季之間(N=1)和秋冬之間(N=1)。尾Ⅰ遺址之平均夏天氧同位素數值為-2.3±0.4‰(N=35),假設距今約7900至7300年前的海水氧同位素數值比現今大0.2‰,將現今夏天水體的氧同位素數值(-0.5±0.3‰;N=3)校正冰川效應後,島尾Ⅰ遺址之夏天的平均海水氧同位素温度為28.3℃。島尾Ⅱ遺址之平均夏天氧同位素數值為-2.4±0.4‰(N=29),因距今約5800至5100年前的海平面與現今大致相同而無須校正冰川效應,故島尾Ⅱ遺址之平均海水夏天氧同位素温度為27.8℃。島尾Ⅰ遺址和島尾Ⅱ遺址瘤岩螺殼體所反映之距今約7900至7300年前和距今約5800至5100年前的亮島地區的夏季和現今夏季(約28℃)一樣温暖的環境。
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    宜蘭地熱區裂隙活化趨勢分析初探以芃芃溪、排谷溪及土場-仁澤為例
    (2025) 王婷慧; Wang, Ting-Hui
    為因應全球於2050年實現淨零排放的目標,臺灣政府積極推動地熱發電作為能源轉型的重要策略,因此極需大規模且精準的前期地熱探勘作業。前人研究指出,宜蘭地區具備多處溫泉與噴氣孔等地熱徵兆,配合鑽探資料推估的高地溫梯度,顯示其具有優良的地熱潛能。本研究以宜蘭地區芃芃溫泉、排谷溪、土場與仁澤等地為範例,評估裂隙作為地熱流體通道的潛力。首先利用高解析度數值高程模型判釋地表線型構造之特徵線段,並運用三角網格法進行裂隙位態計算,再結合球型變異分析與投影角篩選技術以提升資料準確度。配合震源機制反演所得應力場與野外地質調查,探討裂隙分布與地質構造及應力場之間的關係。最後根據裂隙活化潛勢統計製作裂隙密度分布圖與活化趨勢圖,推估熱液流出至地表之潛在區位,作為後續地熱探勘與開發的依據。數值高程模型與三角網格分析顯示,芃芃溪與排谷溪地區共判釋出252條裂隙,主要以近南北走向高角度裂隙為主;土場與仁澤地區共296條裂隙,走向以東北-西南與西北-東南為主。震源機制應力逆推結果顯示,芃芃溪與排谷溪區域應力為正斷層應力場, 水平最小擠壓方向為東-西向。土場-仁澤地區區域應力為正斷層應力場, 水平最小擠壓方向為東北東-西南西向。震源機制反演與裂隙活化分析指出,芃芃溪與排谷溪地區導水性佳的高活化裂隙主要為西北-東南走向之高角度裂隙;土場與仁澤地區則以西北-東南走向裂隙具導水性佳的高活化裂隙。參考地質調查現地熱水裂隙位態所訂定之活化趨勢閥值,結果顯示芃芃-排谷溪地區之擴張趨勢閾值為0.8、不安定性0.6;土場-仁澤地區之擴張趨勢閾值為0.8、不安定性0.7。綜合上述分析,芃芃、排谷溪與土場、仁澤地區皆具有良好的地熱裂隙活化潛勢與導水能力,可能為熱液上湧的主要通道。本研究建立之裂隙密度圖與活化潛勢圖可有效降低地熱探勘風險與不確定性,並為未來宜蘭地區地熱資源開發提供重要參考依據。
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    應用機器學習預報臺灣北部夏季午後對流之研究
    (2025) 黃品豪; Huang, Pin-Hao
    本研究以臺灣北部地區夏季午後對流降雨為研究對象,採用XGBoost機器學習模型(eXtreme Gradient Boosting)進行降雨分級預報,並結合SHAP方法(SHapley Additive exPlanations)分析模型輸出結果,以強化預報的可信度與可解釋性。研究使用2018至2024年5至9月間的中央氣象署觀測資料、探空資料及相關模式輸出進行模型訓練與驗證。結果顯示,XGBoost模型對於午後降雨事件具備良好的分級預報能力,其驗證資料的預兆得分(TS)達 0.76,誤報率(FAR)僅 0.11,較過去採用模糊邏輯方法之 TS = 0.594、FAR = 0.333明顯提升,展現 AI 方法在中小尺度降雨預報上的潛力與優勢。研究進一步指出,當預報目標越單純時,XGBoost所獲得的技術指標表現越佳,顯示明確界定預報任務能有效提升模型效能。透過SHAP分析,成功辨識影響午後對流降雨的多項關鍵特徵,包括低層水氣輸送、中高層大氣穩定度及近地面風場配置等;各特徵貢獻方向與過往研究所揭示的午後對流機制相符,驗證模型結果具備物理合理性與可解釋性。此外,分析也發現,當預報目標限定於弱綜觀環境下的午後對流降水時,模型對中高層動力與穩定度特徵的依賴性顯著增加,而針對所有降雨事件則以地面水氣與風場為主要依據,顯示不同尺度與條件下,AI 模型可捕捉不同的環境場訊號。研究同時討論了AI模型於中小尺度對流事件預報上的應用優勢與侷限,指出雖能突破傳統數值模式在解析度與即時性上的限制,但AI模型的黑箱過程仍是實務應用的重要挑戰。透過SHAP分析,本研究部分化解此問題,提升了預報結果的透明度。然而,本研究也坦承資料量有限及僅聚焦夏季弱綜觀條件,模型於不同區域及季節的泛化性尚待驗證。未來研究建議可擴增更長期與多樣化的觀測資料,並結合AI與數值模式之優勢,發展混合式預報系統,兼具物理完整性與AI高效能及可解釋性。同時,針對尚未完全明瞭的高層與近地面動力場特徵,未來亦應結合更高解析度的資料進一步探討。綜上所述,本研究展示了以XGBoost搭配SHAP方法進行午後降雨分級預報的可行性,成果可為短期降雨預報作業提供新的技術參考與方法支持,亦為未來相關應用提供可持續發展之基礎。
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    大屯火山群火山噴氣孔噴泥事件初探
    (2025) 陳昇平; Chen, Sheng-Ping
    自2021年底起,大屯火山群出現多起具代表性的火山噴泥事件,顯示其後火山活動型態可能已由單純的氣體逸散或泉水湧出,轉變為涉及封蓋層破裂與熱液壓力釋放的新機制。為探討此類事件的成因與地下熱液系統的動態變化,本研究針對大油坑、小油坑與焿子坪三處活動區域所採集的11筆火山泥樣本,進行X光繞射 (XRD) 與掃描式電子顯微鏡-能譜分析 (SEM-EDS),並結合水化學監測資料加以解析。研究結果顯示樣本中廣泛存在Cristobalite、Quartz、Pyrite、Alunite與少量Illite、Kaolinite等礦物,反映其形成於100 - 250 °C、pH < 3之酸性蒸氣交代環境。SEM-EDS影像揭示多階段交代與氣液混合沉澱的顆粒特徵。水化學監測亦顯示噴泥事件前常伴隨Cl-、SO42-、Total dissolved solids (TDS) 等離子濃度短期異常上升,對應流體通道變化與封蓋層壓力釋放之可能徵兆。綜合礦物與水化學證據指出,噴泥樣本具多來源特性,可能為不同深度熱液物質的混合所致,且與箱根火山2015年蒸氣噴發事件的礦物組成高度相似,支持其屬於小規模蒸氣噴發的推論。本研究建立了礦物學與水化學交叉驗證之分析框架,證實結合XRD、SEM-EDS與監測資料可有效提升對後火山活動之理解,並對未來火山監測與蒸氣噴發預警機制提供關鍵參考。
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    2020年梅雨季前段極端降雨事件之原因及多重尺度交互作用分析
    (2024) 邱彥超; Chiu, Yen-Chao
    本研究調查了2020年5月21日至23日,臺灣地區所經歷的一次破42年梅雨季紀錄之極端降水事件(Y20R事件)。此次降水事件的成因主要與多個天氣系統之間的交互作用有關。2020年梅雨季前段,西北太平洋副熱帶高壓異常強大,導致西南季風顯著增強,從而加強了南海與中南半島一帶往東亞地區的水氣傳輸。在強烈的季風影響之下,於青藏高原東南側形成的西南渦(SWV)向臺灣方向移動。當SWV通過臺灣北側海面時,它提供了臺灣附近的潮濕渦旋環境,其底層的西北風與西南季風在臺灣海峽中部匯合,形成了有利於鋒面生成的動力和熱力條件,進而增強了海峽上的鋒面活動。這一過程中,SWV的位置則會影響鋒面生成的位置,而鋒面的位置又對降水強度影響甚大,當鋒面位於臺灣南部雨區的北側時,會顯著增加該地區的降水量。最後,觀測系統模擬實驗的結果顯示,在預報系統中加入南海北部的投落送資料可以提升對南海地區風場和水氣場的初始條件,從而改善臺灣,尤其是臺灣南部地區的強降水預報能力。本研究對理解臺灣梅雨季降水的形成機制以及大尺度背景場(2020年環境場)和中尺度天氣系統(SWV)之間的交互作用具有重要意義,並對提升極端降水事件的預報能力提供了一個參考方案。未來的研究可以擴大範圍,包含更多類型的降水事件,以便深入瞭解其降水機制。
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    增進海底電磁儀資料與分析方法並建構西太平洋上部地函電導率構造
    (2024) 洪振翔; Hung, Chen-Hsiang
    地層中各岩體不同的導電率(electrical conductivity)可以反映不同物性,如溫度越高或含水量越多的物質組成(例如:部分熔融、熱液)其導電率就越高,進而可了解地層下方的電性構造。而海域的電性構造可透過佈放在海底的海底電磁觀測儀(Ocean Bottom Electro-Magnetometer,簡稱OBEM),觀測儀器下方與周遭的綜合電磁場訊號,並以大地電磁法(magnetotelluric,簡稱MT)逆推獲得地底下導電率隨深度的變化情形。本研究對西太平洋海底電磁場數據進行分析,資料來自27個站點共計46台OBEM,主要目的是增進對西菲律賓海盆(West Philippine Basin,WPB)和四國-帕里西維海盆(Shikoku-Parece Vela Basin,SPVB)底下導電率結構的理解。本研究通過結合Chave and Thomson(2004)提出的standard 和generalized兩種遠程參考法(remote reference method,RR),成功降低了大地電磁響應(MT response)的誤差並提高觀測與預測電場之間的相干性(coherence),其中generalized RR在較短週期內表現出色,得到誤差更小且相干性更高的大地電磁響應。而部分站點觀測紀錄長達三年,更使得大地電磁響應誤差減少約40%,凸顯了在海洋環境中進行長期數據採集的重要性。所記錄的電磁響應包含三維地形影響,在利用電磁響應逆推一維地層導電率前須考量三維地形效應進行地形修正,本研究針對每個測站的初次電磁響應逆推其一維地下電性構造做為初始模型,結合三維地形順推計算該測站理論電磁響應與觀測電磁響應比較後重複迭代,最後收斂求得代表一維地下構造導電率。經過考慮地形效應後,我們首次觀察到使用最終一維地下電性構造結合三維地形順推求得的磁場感應向量(induction vectors)與觀測資料之磁場感應向量非常吻合。由於構造逆推過程中並沒有納入磁場感應向量擬合,表明此研究中在電性構造與電磁響應之逆推結果一致。顯示三維地形修正的重要性外,也代表各測站並無明顯二維電性構造的特徵,所求得的一維地下構造導電率可代表各測站下方電性構造進行討論。本研究透過分析各測站的最終一維電性構造,發現在WPB的T01、T02和T04站點下方30至125公里深處存在顯著的高導電率異常。我們將電性構造轉換為溫度,並與地函橄欖岩固相線對比,我們發現如果地函含水量介於0至0.02 wt%之間,上述區域會發生部分熔融,此結果與前人地震波速慢異常觀測結果相吻合。根據每測站所推得的熱構造,本研究所有測站在150至300公里深處區間,沒有發現部分熔融的可能性。此外,我們從一維電性構造變化情形估算低導電層(lower conductivity layer,LCL)的厚度,在WPB和SPVB站點下方的LCL厚度相似,約為50至70公里,而在太平洋板塊西緣下方,LCL則明顯更厚,約為210公里。我們注意到WPB 和 SPVB 的 LCL厚度都比1,300°C 等溫線深度淺,而該等溫線通常定義為岩石圈-軟流圈熱邊界層。這種差異的一種可能解釋是部分熔融的增加會改變導電率曲線。隨著岩石圈底部和軟流圈頂部導電率的增加,LCL可能會變得更薄。本研究重新分析海底電磁儀資料,經過地形修正得到各測站下方一維電性構造,進一步了解岩石圈與軟流圈的物理特性,推估西太平洋存在部分熔融的區域與深度。