• 集集地震造成的深部斷層帶破壞
        陳卉瑄  國立台灣師範大學地球科學系

        一、哪裡破壞、哪裡復原?
        1999年規模7.6的集集大地震造成了近地表極嚴重的破壞,重要特徵為:(1) 地表破裂延伸超過100公里 (2)位移量達到4.4公尺(垂直向)和9.1公尺(水平向) (3) 地表最大加速度將近1g。車籠埔斷層的下一次大規模錯動會發生在何時?成為下一個眾所矚目的問題。
        斷層的復發週期,決定於此次斷層錯動(和破壞帶),要花多久才能「復原」;復原的定義則為,斷層的強度恢復到「能承受長期應力作用而不變形」的震前(註一)狀態,這個問題的理解,取決於我們對「斷層破壞」知道多少。地表的變形可以被密集的偵測,但這些變形量如何由不同深度貢獻而來,往往利用格林函數(註二)簡化之。要如何更精準的測量從地表至數十公里深的地層,在地震後的破壞程度? 我們常常依賴一個物理參數「震波速度」,它能具體表明地震波四面八方向外傳播時,經過不同區域的速度為何?地震前後有沒有變化?
        大地震後,地下介質受變形、裂隙增加、孔隙含水程度產生改變,這些都是地殼特性受到擾動的諸多因素之一,而介質特性改變可以反映在震波速度上。大地震後,鄰近區域的震波速度驟降,可能成因可能為 (1) 近地表破壞:侷限在近地表,可能由強烈地表搖晃造成 (2) 斷層帶破壞:沿著斷層、由構造弱化或地殼應力降低造成。由於地震波傳播路徑上,同時夾帶著上面兩種訊息,造成「近地表破壞」和「斷層帶破壞」效應在觀測上難以分離,這使得我們對「斷層帶復原」的理解充滿不確定性。
        二、重複地震告訴我們的事
        重複地震在過去十幾年被廣泛的用於量化大地震後,介質特性的變化在哪裡發生、持續多久。在某些斷層系統上,一群地震可以重複地發生在同一個斷層嵌塊上,這群地震具有相同波形、發震位置、大小、機制,稱做重複地震序列。他們「發生在同一地點、傳播路徑高度相仿」的特性,是一個絕佳的利器,讓我們可以追蹤地震前、後的傳播路徑上,到底發生了什麼事!
        大地震後,若地殼介質特性顯著改變,某些傳播方向的測站可以記錄到重複地震波形的微小變異,如圖五所示,同一個地點發震的重複地震事件,傳到TCU測站時,波形雖然仍高度相似,但波峰間的時間被延遲了,如圖五d的箭頭所示。以圖中例子(規模4.6重複地震序列)顯現,這樣的延遲在2001年最多、其次2004年、在最後一個事件最短。傳播過同樣的路徑(同一距離),為甚麼到達時間被延遲了? 介質的裂隙增加、含水更多是可能的原因。為進一步證實這些觀察現象和集集地震有關,我們需要更多的重複地震事件和更多測站,以說明到底哪一個時間點看到了這樣的時間延遲、哪一個路徑有顯著的變化、而對應的震波速度變化多大?而,為什麼?
        三、跨集集地震的重複地震事件:上下盤測站的差異表現
        利用東台灣三個規模大於3.5的重複地震序列,我們發現跨集集地震前後的重複地震事件,都有(1) 波形相關性驟減 (2) 延遲時間遽增 的一致特徵,這樣的變化在地表較大變形區及強地動區產最為顯著,如圖六所示。我們將60秒的事件波形和參考事件(重複地震群的第一個事件)進行每兩秒一次的相關係數計算(圖六a-b),可發現波形相似度較低的測站座靠近震源區。為簡化起見我們將分段相關係數進行統計,中位數低於0.9的定義為「集集地震效應」,這些具集集地震效應的測站(圖六c的紅色測站),和地表重大變形區域高度重疊並更往嘉義區域延伸,這初步證實了波形相關性變化可能和集集地震有關。
        重複地震在東台灣、而集集地震在西台灣(圖六d),如果是深部斷層帶的破壞造成了地下介質的變化,我們會預期重複地震波形的變化,僅出現在斷層下盤,然而事實並不然。車籠埔斷層的上下盤測站,皆有波形相似度在震後顯著降低的「集集地震效應」。我們更發現,上下盤測站,在波形相關性和延遲時間的表現有系統性的差距,這個觀測成為了用來分離「近地表破壞」和「斷層破壞」的重要證據!
        如圖七所示,在上盤測站(淺灰色背景囊括的測站),波形相關係數的驟減(<0.7)發生在S波尾波,亦即圖七a中綠色波形的起始位置。而下盤測站(深灰色背景囊括的測站),則較早發發生,在S波到達時間附近。同樣「上盤測站波形變異更早到達」的特徵,也出現在兩波形的延遲時間上,對應的S波速度衰減值,亦在上下盤呈現迥異的特徵: 上盤測站小於2%,而下盤測站2-8 %。
        四、利用波傳模擬分離「近地表破壞」和「斷層帶破壞」
        集集震後出現的低速介質發生在哪?空間延伸如何? 是深部的斷層帶效應抑或地表破壞效應? 為釐清此點,我們利用有限差分波傳模擬,以和上下盤的差異特徵進行擬合,試圖了解路徑效應變化到底發生在哪裡。如圖八所示,我們建置一個204 x 78 km2、具有25m網格的二維剖面,將二維速度模型嵌入隨機擾動介質以製造高頻散射波場,使模擬波形具高頻解析度(18 Hz),以作和真實震波的比對。除此之外,在此二維模型,我們並以重複地震和車籠埔斷層的相對距離做空間約制,進行波場之模擬。我們發現,重複地震觀測在下盤測站反映著集集震後近地表破壞和斷層帶破壞的綜合效應,而上盤測站則僅反映了斷層帶破壞的效應。斷層帶低速區(震後速度顯著降低區),發生在8-19 km深處,沿斷層傾角可達到30 km長,厚度可達1 km ; 而近地表的低速區則較薄,0.5 km厚。除此之外,斷層帶的復原以每年小於0.2%的增加率緩慢的進行,而地表破壞的復原則較快,約每年0.4%的增加率。如果斷層帶以等速復原,則回復到原本波速特性需要500年。事實上地下介質的破壞,若累計在波形的延遲時間上,不會只侷限於有限寬度的單一斷層帶,大量的餘震發生在臨近斷層系統和中央山脈,都可能進一步重新擾動鄰近介質的復原行為,因此本研究定義的2%的波速變化,可能高估了斷層帶破壞的效應。

參考文獻:

本短文擷取在2011年和2015年分別發表Geophysical Research Letters和Journal of Geophysical Research的兩篇文章之部份重點,這些研究工作是筆者和東京大學地震研究所古村孝志教授多年的合作成果。詳列如下:

Chen, K. H., Furumura, T., Rubinstein, J., and Rau, R. J. (2011), Observations of changes in waveform character induced by the 1999 Mw7.6 Chi-Chi earthquake, Geophys. Res. Lett., 38, L23302, doi:10.1029/2011GL049841.
Chen, K. H., Furumura, T., and Rubinstein, J. (2015), Near-surface vs. fault zone damage following the 1999 Chi-Chi earthquake: Observation and simulation of repeating earthquakes, J. Geophys. Res., 120(4), 2426-2445, 10.1002/2014JB011719.



圖五、(a) 本研究使用的三群重複地震,分別為規模4.6, 3.9, 3.8如圖中星號所示,範例測站TCU及PNG為綠色三角形。(b) 1991-2012年55群重複地震事件的空間分佈(Chen et al., 2009),三個規模較大的重複地震事件發生在花東縱谷最北段,而花東縱谷的重複地震多集中於池上斷層,唯規模更小(





圖六、(a-b) 規模4.6重複地震群不同事件在各測站的波形相關係數分佈圖。在這裏,30秒的波形,每2秒計算一次的相關係數以不同顏色表示,低相關係數為暖色系,而2001, 2004, 2007的三個重複地震事件,則由小圖中垂直排列的01, 04, 07表示。在靠近主震斷層的測站如WNT、TYC、NSY,這三個事件皆有一致的暖色系,說明在集集地震後波形的顯著變化持續至2007年。(c) 將60秒波形中每兩秒算一次(移動1.5秒)的相關係數值進行統計,中位數低於0.9的測站,定義為具「集集地震效應」(紅色三角形),並與重大地表變形區(水平方向位移大於2m)比較。(d)圖c中A-A’剖面示意圖,表現了具「集集地震效應」的測站並非僅限於下盤測站。規模4.6重複地震的位置如紅色星號。






圖七、(a) 規模4.6重複地震序列(RES)裡,跨集集地震之事件對(1998/5/17 vs. 2001/7/26)在不同測站呈現的波形相關性變化。由於地震事件對波形具有高相似度,我們把1998年地震事件傳在不同測站的波形畫出,其P和S波到達時間以黑和紅線分別註記,而在地震波上,綠色標記了什麼時間點相關係數下降至0.7。(b) 和參考事件比,每秒波形的延遲時間隨時間做圖,並將較大延遲時間(>50 ms)之起始點以藍色記號標記。我們發現在上盤的測站(淺灰色區塊)之相關係數減少和延遲時間的發生,皆在S波尾波; 而在下盤測站(深灰色區塊) 之相關係數減少和延遲時間的發生則較早,在S波初達附近。






圖八、(a-b) 模擬的合成波形在徑向(R) 和垂直(Z)兩個不同分量,其訊號抵達地表不同距離測站時的形貌。圖中倒三角形指示斷層出露地表的位置。(c-d) 本研究設置之斷層面(垂直車籠埔斷層之剖面)與模擬波場在第12秒的示意圖。白色星號代表重複地震的位置,黑粗線代表車籠埔斷層。




註一、震前、同震和震後(pre-, co-, and post-seismic):
大地震發生時,稱為同震時期(co-seismic),持續時間數十秒至數分鐘不等(地震規模越大,持續越久),這個時期對應到斷層面上持續的錯動; 地震發生前則稱為震前(pre-seismic)時期,這個時期可能有前震發生; 而地震發生後,斷層面上仍有錯動,只是緩緩的進行,這個時期對應到餘震的密集發生,稱為震後時期(post-seismic)。


註二、格林函數(Green’s function),在此可泛指地球內部任一位置格點的位移量,與地表位移量的關聯函數。
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