doi: 10.30067/TECNL.202606_(52).0004
頻率相依的地震波速度變化揭示清邁盆地分層含水層行為
Chaninthon Rattanavetchasit (張甯)1、黃信樺2,1
- 1國立臺灣大學地質科學研究所
- 2中央研究院地球科學研究所
含水層儲存的淡水量遠超全球所有河流與湖泊的總和，然而我們對其監測，大多仰賴分散各處的監測井，每口井僅能採樣系統中一條極為狹窄的垂直切片。季節性洪水、長期乾旱與地下水超抽，會以難以在井與井之間觀察到的方式重塑含水層的結構。若有一種方法能夠持續對含水層進行空間上地探測——例如環境地震噪訊——將從根本上改變地下水的監測與管理模式。這正是本研究試圖填補的空缺與研究目標。
由環境地震噪訊干涉法所得到的地震波速變化（dv/v），長久以來被用作反映多種地下物理性質變化的指標。其原理直觀易懂：地震波的傳播速度，取決於介質的彈性性質及地下應力狀態，會略微加快或減慢。dv/v在多種環境下已展現出作為地下水位指標的良好應用潛力。地下水位亦可透過GNSS或遙測衛星等其他方法推估，然而要從中提取深度上精確的變化資訊，仍極具挑戰性。當地下水位上升時，三種效應會同時發生：水充填孔隙空間、孔隙壓力改變，以及增加的水體重量對下方地殼產生承載效應。長期以來困擾水文地球物理學界的難題在於，這三種效應對不同觀測的作用方向會相反，相互抵銷。目前dv/v對各效應之敏感度（Sensitivity）隨深度變化的規律，亦仍缺乏系統性的理解。
本研究分析了泰國清邁盆地兩個跨盆地地震測站長達17年的地震資料（2006–2022年），期間涵蓋了2011年與2022年的兩次洪水事件。透過選取分別對淺層與深層結構具有敏感度的頻段進行dv/v的分析，並結合地下水位、GNSS及氣象觀測記錄來探討不同深度含水層的時序變化反應（圖一a）。計算得到的低頻與高頻dv/v的結果呈現出相反的季節性波動規律（圖一b）。高頻dv/v與地下水位呈負相關，此結果與前人研究一致，且波速降幅最大的時期恰好與洪水年份相吻合。這種負相關性一般被詮釋為地下水位上升導致孔隙水壓增加、有效應力下降的響應。
為建立更完整的理論框架，我們提出一套有效應力公式，同時納入承載效應與孔隙壓力效應來模擬比對觀測的結果。在高頻dv/v對應的淺部地層中，孔隙壓力變化與地下水位波動高度同步，並主導有效應力方程式，從而解釋了觀察到的負相關現象。而在低頻dv/v對應的較深部地層中，孔隙水壓訊號因孔隙彈性擴散而衰減，使得水體直接造成的承載效應逐漸變得顯著（圖二）。我們的模擬結果顯示，低頻dv/v與地下水位承載訊號有更好的正相關性，強於其與孔隙水壓的影響。承載效應對地震波速的影響，此前只在冰層的相關dv/v研究中有所報導；而據我們所知，本研究是首次觀測到深層含水層中地下水承載效應對地震波速的影響。
本研究最令人振奮之處，在於其水文地球物理學的應用前景。透過從日常背景地震噪訊中持續追蹤對應不同深度地層的dv/v變化，我們得以在無需另行鑽井的情況下，讀取含水層的動態響應。全球各主要盆地均已積累了數十年的地震觀測資料，意味著此方法不僅可即時應用，更可回溯性地分析歷史資料。有很高的潛力成為一項實用的水文監測工具——無論是面對乾旱、城市需水壓力，或是氣候變遷，凡是地下水資源面臨威脅的地方，皆可付諸應用。
圖一、泰國清邁盆地的地震波速度變化（dv/v）監測。(a) 固定地震測站（三角形）、地下水位監測井（圓形）、氣象測站（方形）與GPS測站（菱形）的位置。(b) 以單站跨分量方法計算之高頻段（1到6 Hz）與低頻段（0.1到0.5 Hz）dv/v變化。
圖二、地下水系統與有效應力變化的概念圖，說明在不同深度下不同作用機制對地震波速變化的影響。
參考文獻
- Rattanavetchasit, C., Huang, H.-H., Sone, H., & Wu, Y.-M. (2026). Frequency‐Dependent Seismic Velocity Variations Reveal Layered Aquifer Behavior Under Groundwater Fluctuations. Geophysical Research Letters, 53(4), e2025GL118568. https://doi.org/10.1029/2025gl118568