利用噪訊自相關方法監測地下速度構造之變化
薛誠曜、温士忠
國立中正大學地球與環境科學系
在地震事件發生的前後，地下應力狀態的改變(Nishimura et al., 2000)、地層間的裂隙及近地表受到強地動所造成的破壞(Peng & Ben-Zion, 2006)，甚至是地下水位的變化(Jónsson et al., 2003)等因素，皆會改變地球內部構造的物理特性。這些內部狀態的改變，便會影響地層間的波傳速度及其散射特性。由於波傳速度對於應力狀態及岩層特性相當敏感，因此便能監測其變化(dv/v)以了解地下構造的資訊。
本研究在2022年於高雄新養女湖泥火山區布設密集地震儀陣列以監測該區域地底下的活動(如圖一所示)。觀測期間所獲得的連續紀錄，可透過噪訊自相關方法(auto-correlation) (Schimmel, 1999; Sens‐Schönfelder & Wegler, 2006)獲得單一測站下方的格林函數(Green's function)，其反映測站下方的速度構造響應。由於2022年9月所發生的台東關山-池上地震序列，我們得以一窺強烈的地震動如何影響距離震央逾80公里外的泥火山區域及此區地下速度構造的時空變化。經由上述方法的分析結果，顯示位於泥火山周遭及泥岩區的測站所獲得的格林函數大多呈現出不同程度的擾動(如：相位偏移或震幅改變)。在進一步估計研究區域內各測站下的速度構造後，結果顯示與台東關山-池上地震序列前的數值相比，在地震發生後多數測站皆呈現出波傳速度下降之現象，並且後續觀測到在震後兩周逐漸恢復至背景值(如圖二、圖三所示)。本研究推測此現象為受到強烈地震動的影響所造成的流體壓力改變或是近地表裂隙的開啟及閉合，進而導致波傳速度的變化。
根據本研究結果顯示，利用密集地震儀陣列以監測地下速度構造之變化，其在空間與時間上的解析能力優於以往的地震尾波干涉方法，並且成功觀測到強地動所致的波傳速度變化。期許未來能廣泛應用於斷層帶的地殼活動監測或是碳封存及地熱開發之工程場址之背景參數收集。
圖一、本研究之測站、周遭斷層線及2022年12月17日至18日間發生之地震事件分布圖。圖中靛藍色方框為泥火山噴口周圍之測站，其分布如右下圖所示。
圖二、研究區域內其中五個測站經過不同濾波頻段所得到的波傳速度變化。除了測站NY034位於旗山斷層上盤之砂岩層及測站NY001位於泥火山噴口周圍，其餘測站皆位於旗山斷層下盤之泥岩層。2022年9月17日台東關山地震的發生時間以垂直虛線表示。
圖三、研究區域在2022年12月17日台東關山地震前後共五周之單日速度變化及該日發生之地震分布圖，測站間之速度變化數值(dv/v)採用內插形式進行計算。
參考文獻
Jónsson, S., Segall, P., Pedersen, R., & Björnsson, G. (2003). Post-earthquake ground movements correlated to pore-pressure transients. Nature, 424(6945), 179–183. https://doi.org/10.1038/nature01776
Nishimura, T., Uchida, N., Sato, H., Ohtake, M., Tanaka, S., & Hamaguchi, H. (2000). Temporal changes of the crustal structure associated with the M6.1 earthquake on September 3, 1998, and the volcanic activity of Mount Iwate, Japan. Geophysical Research Letters, 27(2), 269–272. https://doi.org/10.1029/1999GL005439
Peng, Z., & Ben-Zion, Y. (2006). Temporal Changes of Shallow Seismic Velocity Around the Karadere-Düzce Branch of the North Anatolian Fault and Strong Ground Motion. Pure and Applied Geophysics, 163(2–3), 567–600. https://doi.org/10.1007/s00024-005-0034-6
Schimmel, M. (1999). Phase cross-correlations: Design, comparisons, and applications. Bulletin of the Seismological Society of America, 89(5), 1366–1378. https://doi.org/10.1785/bssa0890051366
Sens‐Schönfelder, C., & Wegler, U. (2006). Passive image interferometry and seasonal variations of seismic velocities at Merapi Volcano, Indonesia. Geophysical Research Letters, 33(21). https://doi.org/10.1029/2006GL027797