使用地震時態模擬器(RSQSim)討論台灣東部斷層系統之時序分佈
吳泓昱、徐嘉呈
國立成功大學資源工程學系
RSQSim是一款基於「速率-狀態摩擦理論」的三維地震模擬器，該模擬器採用有限元素法設定斷層參數並模擬地震過程。RSQSim的核心是使用回滑法(backslip method)來計算斷層上各個元素的應力，並根據整個斷層系統的滑移速率施加應力。隨著應力的累積，最終引發斷層破裂滑移。該模擬器通過三種近似算法減少計算需求(Richards-Dinger & Dieterich, 2012)，並能模擬長時間之地震系統之時序分佈，這使得模擬結果能夠與現實中的地震行為互相比較。
在本研究中，我們使用了台灣地震模型(TEM)的數據來構建台灣東部斷層系統的幾何結構，該斷層系統包括米崙斷層、縱谷斷層、中央山脈構造、鹿野斷層和太麻里海岸構造(Shyu et al., 2020)。這些斷層模型被離散化為三角形網格，每個元素代表斷層的一個部分。使用三角形位移構建斷層模型比傳統的矩形位移模型更能準確地表示複雜的斷層系統(Meade, 2007)。每個網格被賦予不同的滑移速率和應力分佈，以捕捉斷層系統的複雜性。
除了傳統的回滑法外，本研究進一步引入了一種名為混合加載(hybrid loading)的改進方法。混合加載使用更規則的應力速率來施加滑移速率，從而防止因為應力集中造成地震核(nucleation)易於斷層邊緣發生。這種方法可以改善滑移和地震活動的深度依賴性(Shaw et al., 2018)。再考量台灣的斷層系統相對較小，混合加載過程更可以避免斷層面過度延伸，從而削弱了地震事件的模擬數量和規模。
研究將RSQSim的模擬結果與近百年來之台灣歷史地震目錄進行了比較，主要聚焦於1900年以來東部斷層系統之數位化地震目錄(Chang et al., 2016)。模擬結果顯示，RSQSim在6級以上地震的模擬上表現良好(圖一)。這些結果證明了RSQSim在地震災害分析中的潛力，特別是在模擬地震復發模式和震級-頻率統計方面(Leonard et al., 2001)。
此研究結果顯示，RSQSim模型在模擬台灣東部地震活動方面具有重要的應用價值。該模型能驗證現實上的台灣東部地震復發模式，並再現大部分斷層的地震復發週期(圖二)，這對地震災害評估和預警具有重要意義。然而，模型配置和參數設定仍存在一些局限性。例如，混合加載方案需要進一步調整，以更準確地模擬應力分佈和深度依賴性。
RSQSim模型為台灣東部斷層系統的地震研究提供了重要貢獻。模擬結果表明，該模型能夠再現代表性地震事件，特別是米崙斷層，本模擬發現米崙斷層的再現週期分佈在東部斷層系統的互相影響下，呈現常態分佈的趨勢，並且其再現週期與TEM之預估值相符，為81 ± 1.3年。這對地震災害評估和早期預警至關重要。儘管模型仍存在一些不確定性和局限性，但通過進一步優化參數設置，RSQSim有望成為預測地震風險和進行地震防災的重要工具。這項研究期能對了解地震滑移過程的力學機制做出貢獻，並進一步加強台灣在區域地震風險評估和災害準備工作的能力。
圖一、RSQSim之地震規模分佈與歷史地震目錄之擬合，藍色線段為模擬20萬年之結果，紅色線段為歷史地震，虛線為回歸之gamma分佈曲線。
圖二、台灣東部各斷層之再現週期分佈，左一起，米崙斷層，縱谷斷層，與中央山脈構造；左二起，鹿野斷層，太麻里斷層。
參考文獻
Chang, W.-Y., Chen, K.-P., & Tsai, Y.-B. (2016). An updated and refined catalog of earthquakes in Taiwan (1900–2014) with homogenized Mw magnitudes. Earth, Planets and Space, 68(1), 45. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0414-4
Leonard, T., Papasouliotis, O., & Main, I. G. (2001). A Poisson model for identifying characteristic size effects in frequency data: Application to frequency‐size distributions for global earthquakes, “starquakes”, and fault lengths. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 106(B7), 13473–13484. https://doi.org/10.1029/2000jb900429
Meade, B. J. (2007). Algorithms for the calculation of exact displacements, strains, and stresses for triangular dislocation elements in a uniform elastic half space. Computers & Geosciences, 33(8), 1064–1075. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2006.12.003
Richards-Dinger, K., & Dieterich, J. H. (2012). RSQSim Earthquake Simulator. Seismological Research Letters, 83(6), 983–990. https://doi.org/10.1785/0220120105
Shaw, B. E., Milner, K. R., Field, E. H., Richards-Dinger, K., Gilchrist, J. J., Dieterich, J. H., & Jordan, T. H. (2018). A physics-based earthquake simulator replicates seismic hazard statistics across California. Science Advances, 4(8). https://doi.org/10.1126/sciadv.aau0688
Shyu, J. B. H., Yin, Y.-H., Chen, C.-H., Chuang, Y.-R., & Liu, S.-C. (2020). Updates to the on-land seismogenic structure source database by the Taiwan Earthquake Model (TEM) project for seismic hazard analysis of Taiwan. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 31(4), 469–478. https://doi.org/10.3319/tao.2020.06.08.01