文／吳依璇、林義欽
(編按：本文的截取自原始文獻之附圖，皆列於文末說明之)
板塊邊界上常發生地震，但有許多地震位於遠離陸地的海域之中，因此坐落於海床上的海底地震儀，能比一般陸地上的地震儀更貼近想研究的區域，進而接收更細微的地震及清晰的資料，使科學家能了解海床以下的構造。海底地震儀接收的是波帶來的震動，因此無論是天然的地震波、還是人工產生的震波，甚至是海流作用在海床上造成的震波都會記錄下來，這些不同的波都有助於人們了解海域內的地層構造。通常以人工製造震波會有特定的探測目的，我們將其稱之為海上震測，施測時，首先會利用空氣槍產生高能量的聲波射向海床，透過控制施放的能量及位置，使聲波能量得以穿透不同深度的地層。經地層反射或折射後的聲波，因為受地層不同的物理特性（如軟硬、孔隙率、含水量等）影響，被船隻拖曳的受波器陣列(註1)或者海底地震儀接收之後，可透過波動傳遞時間或振幅變化，解析更加細緻的地層構造。
而除了上述提到的地震訊號以外，海洋中其實充滿各種訊號，例如海冰碎裂的聲音、商船航行噪音或者鯨豚類的叫聲（也有以此來追蹤並統計鯨魚的活動路徑及頻率），對於人類探測地層的目的來說，這些訊號常被當作雜訊，會影響研究。但反過來說，人工製造的聲源對於水中生物來說，也是一種強大的噪音，容易使鯨豚類遭受緊迫，甚至為了閃躲噪音，鯨豚快速的下沉或上升，減壓時間不足，可能因此造成鯨豚體內重要臟器損害。
鯨豚之所以重視聽覺，主要也是因為鯨歌—鯨魚的叫聲為重要的溝通工具，因為鯨歌具有固定頻率及叫聲之間會有相近的間隔，而為了在遼闊的海洋溝通，其能量能比擬小型空氣槍並透過SOFAR channel傳遞數千公里遠。然而海上商業運輸的噪音，使得背景雜訊增加，使鯨豚們必須更用力地發聲。在疫情期間貿易量減少，鯨豚的交談變得更加頻繁。這種歌唱方式，其實與空氣槍施測方式類似。長須鯨（Balaenoptera physalus）的歌聲相當宏亮，可以高達189分貝，並且可以在約幾百公里外都可以偵測得到長須鯨的歌聲，藉由研究鯨魚的歌聲，可以了解鯨魚的行為、生物豐度、分佈和遷移模式。剛好長須鯨的歌聲有包含一聲持續1秒的短音，而該頻率約為20Hz，呈一正弦波，在呼叫的過程聲音頻率會持續下降5Hz。這些叫聲會每7-40秒重複一次，持續數小時，大約每15分鐘鯨魚會浮出水面暫時中斷。
在2021年，Kuna和Nábeˇlek分析了東北太平洋海底地震儀所收到的長須鯨歌聲的資料，發現除了有水中傳來的訊號，也有來自地殼介面反射與折射過後的訊號，可以用來解析海洋地殼的地震成像(註2)。如同使用空氣槍震源，鯨歌在水體中傳遞時，部分能量會穿透海床，並被不同深度的地層反射。詳細觀察海底地震儀所記錄到的鯨歌波型，可以看到隱藏在後續波型中的地層反射訊號。首先由鯨歌在海洋水層中的直達波與一次反射波的走時差(註3)，計算鯨魚的距離與深度，再藉由直達波的極化方向確定聲音的來源方位角，就可以描繪出鯨魚在海底地震儀周圍的移動路徑。
在海上實施人工震測探勘的費用極高，常因天氣或者區域不適合而無法探勘，加上空氣槍能量極大，往往會對周遭鯨豚的聽力系統造成傷害。然而這項研究利用海底地震儀收集天然鯨歌的訊號分析，作為長期（有些可以以年計）、被動、額外補充的資料，除了具節省經費的優勢，也較傳統震測更友善環境。但缺點就是能量依然較小，且地形崎嶇與鯨魚活動的不確定性，也對鯨豚的定位提高難度。
註1：受波器陣列: hydrophone array，一種用來接收水中聲波訊號的設備，由多個水下聽音器(Hydrophone) 組成的陣列。當水中有聲波訊號通過時，每個聽音器會接收到不同的聲音強度和相位，這些訊息可以通過信號處理和分析來推斷聲源的方向、距離和特性。
註2：地震成像: Seismic tomography，是一種地球物理學技術，通常使用地震波的資料來探測地球內部的速度異常，並根據這些速度異常來重建地球的內部結構。地震層析成像所使用的地震波，通常由地震事件產生，例如天然地震或人工的空氣槍發射。由於地震波在地球內部傳播時，其速度受到地下的物理性質和構造的影響，故速度異常可以提供關於地球內部結構的訊息。當然，這需要運用各種複雜的數學，在此就不贅述。這種技術除了用於研究包括板塊運動、地震活動、火山活動、地函對流等地球內部構造。也對於勘探礦產石油、地下建造物的監測等方面有著重要的應用價值。
註3：走時差: Travel-time difference，在此指地震波在兩個特定點或位置之間行進所需的時間差異，通常指的是地震波在不同接收器或測震站的到達時間之差。地震波，如P波和S波，根據它們所遇到介質差異，行進的速會發生變化，而使得不同地點接收到地震波的時間不同。藉由測量地震事件的波的走時差，地震學家可以分析地球的地下結構和性質，例如岩石類型的分佈、密度等資訊。
參考資料來源：
Seismic Whale Song，from https://www.earthdate.org/episodes/seismic-whale-song
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| A：沒有經過過濾的長須鯨鯨歌時頻圖。B：一段鯨歌的波形範例。C：單次長須鯨叫聲的波形圖，可以看到較大震幅的直達波及二次反射後的較小的複反射。D：藉由海底地震儀在水平分量接收到鯨歌的直達波，顯示鯨歌來源的方位角。E：利用兩者路徑之間的時間差，用來估算鯨魚距離的水中相位移動路徑。 |
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| 海底地形圖與測站位置，表示鯨魚在唱歌的時候的路徑位置，黑點表示單次鳴叫的位置，彩色線為鯨魚移動的路徑。本次研究地區位於東北太平洋。 |
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| 利用鯨歌製造的聲波計算出淺層海洋地殼模型，不同顏色線段代表不同路徑的波，主要會利用走時差來回推出模型。此模型未按比例繪製。 |
