地震的震度如何推估?(上)

2020-06-27 浏览量:496

台湾位于环太平洋地震带,根据过去地震灾害历史资料统计显示,台湾大约30~40年会发生一次灾害性地震。公共工程(例如:道路、捷运、桥梁、水库大坝、核电厂)对地震评估技术要求十分严格,随着国内外地质科学、地震科学与地震工程之研究进展,工程师不断积极引进与研发最先进之地震评估技术。合理评估工址遭遇地震时的地振动特性,并进行地震危害度分析 (seismic hazard analysis) 获得耐震係数。地震的震度推估,不仅为公共工程建设之重要课题,同时也是民众与企业地震防灾的重要基本知识。

地震的震度如何推估?(上)

图一 地动预估式(GMPE)(本文作者郑锦桐绘)

一般採用地动预估式 (Ground Motion Prediction Equation, GMPE) 来进行评估工址地振动的程度(图一),称为震度I(Intensity),I = f (M, R, S),意即影响工址地振动的重要参数包括:震源之规模(Magnitude,简称M),以及距离工程之远近 (Range, R),还有工程所在地之地盘特性(Site, S),f是规模 (M)、距工程远近 (R) 及地盘特性 (S) 之函數。完成地动预估式过程,必须仰赖累积数个不同规模地震于不同距离与地区的地动观测资料,并经迴归统计分析而完成之。本文将先介绍地动预估式中二个重要因素:震源规模大小 (M) 及震波传播路径 (R),并于下篇文章中(地震的震度如何推估?(下))接续介绍地动预估式中第三个重要因素:场址地盘特性 (S)。

一、震源规模大小

台湾常见的地震震源包括:活动断层、区域背景地震震源、板块交界的隐没带震源。而其中常发生巨大规模地震之处,则位于隐没带板块之间的偶合处(称板块介面处Interface)。台湾的东北部外海以及西南外海即为隐没带板块之间的偶合处(图二)。

地震的震度如何推估?(上)

图二 台湾的地震与地体构造 (来源:国立中央大学应用地质研究所)

了解震源在哪里之后,接下来必须评估震源的释放能量的大小。震源能量大小以规模 (magnitude) 为单位(国际上常用地震矩规模MW,台湾常用芮氏地震规模ML),规模每差1则能量差32倍左右(例如:规模7比规模6的能量大32倍),如图三所示,规模6的地震大约是1颗广岛原子弹的能量大小,断层破裂面积越大,则引发之地震规模则愈大,且地震晃动时间亦愈久。毕竟大家对于原子弹的威力比较无感(应该没有人被原子弹炸过的经验吧!?),想像一下,若是规模7的地震,其能量大约相当于32个规模6的地震,于短时间(约1分钟)内连续发生。2011年日本东北311大地震发生规模9,是由比台湾岛面积还大的断层面(长510km ×宽210km)发生错动与破裂所释放的能量,其能量相当于32×32×32=32768个规模6的地震,在近5分钟内密集释放完,强震影响範围广且晃动之强度大。

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图三 体积大小代表能量大小,地震规模相差则地震能量相差32倍(本文作者郑锦桐绘)

二、震波传播路径

地震波传播的路径越远,则能量衰减越多,正如我们离灯光越远,则接受照明的亮度则越低(图四)。另外地震波所传递的介质也会影响衰减之程度,若路径所经过的地质破碎或者相对软弱者,则容易让地震波衰减。

地震的震度如何推估?(上)

图四 震波传播路径示意图(来源:修改自Prof. Sato简报)

以台湾过去地震观测资料显示,台湾东西向的地震波较南北向地震波衰减快,因为台湾的断层构造多呈南北向,所以东西向传波路径之介质较不均匀;另外,隐没带深部(深度大于50公里以上)之震源,其地震波相较于地壳浅部之震源衰减慢;还有在断层上盘侧的振动强度相对下盘高。以诱发1999年921集集大地震的车笼埔断层为例,其断层面向东倾斜,地震观测资料显示上盘处确实有较高之强地动值(图五)。

地震的震度如何推估?(上)

图五 921集集大地震震度分布图(左图中央大学应用地质研究所李锡堤教授绘製,右图本文作者郑锦桐绘製)

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