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地震波的增幅器 — 「淺部地層速度構造」的探查

淺部地層速度構造對地震波有增幅的效果,因此對地震災害的特性也有相當程度的影響,本文揭露探查淺部地層速度的方式,及其如何造成地震波的放大。

地震學家很早就發現不同地層速度(震波經過地層之速度)和厚度的變化對地震波振幅的放大特性有決定性的影響力,即所謂場址效應。在評估某地區的地震危害度時,需要考慮淺層速度特性所造成的場址效應,最好由具有足夠代表性且能量化的參數來表示,Vs30(地表到深度30公尺之間地層的平均剪力波速)於是誕生。Vs30為連續性數字,且與震波放大效應有顯著關係存在,一般來說,Vs30較小代表地質鬆軟,地震波振幅會放大,而Vs30較大代表地質堅硬,地震波振幅較小。如此方便好用的參數很快被美國的耐震設計規範實際採用,其他國家的耐震規範也陸續跟進。

Vs30的差異對地震波振幅的影響有多大呢?我們來看實際發生於臺灣的例子,圖一中標示臺北盆地內、外各一個測站(TAP014民生國小和TAP067指南宮)在集集地震時所記錄到的震波圖(右圖),兩個測站距離車籠埔斷層的距離差不多(分別為97公里和92公里),但其震波加速度振幅卻相差3倍(107 gal36 gal),正是因為盆地內外測站的地質條件的差異(Vs30分別為192 m/s815 m/s)所造成的影響。

集集地震之後,由於國際間研究和國內耐震設計規範的需求,國震中心和氣象局開始合作在自由場強震站進行地質鑽探和波速井測調查,主要目的是求得極淺層速度構造並得到Vs30參數,以提高強地動預估的準確性。各測站主要調查結果如圖二所示,由近地表30公尺內之剪力波速剖面即可算出該測站的Vs30。此鑽探調查工作共計在超過450個自由場強震站量得其淺層波速剖面與Vs30,調查成果並公佈於強震測站場址工程地質資料庫(http://egdt.ncree.org.tw/),此調查成果讓我們可以量化並了解台灣極淺部地層的速度特性。國震中心並結合其他研究成果,繪出全臺Vs30分布圖(如圖三),此成果將作為下一階段全台強地動預估和地震危害度評估的重要參考資料。

圖一、集集地震時,臺北盆地內(TAP014民生國小)、外(TAP67指南宮)測站的地震動加速度歷時振幅差異顯著。圖一、集集地震時,臺北盆地內(TAP014民生國小)、外(TAP67指南宮)測站的地震動加速度歷時振幅差異顯著。
圖二、強震站調查成果,從左到右依序為地質柱狀圖、標準灌入試驗N值、剪力波速Vs、壓力波速Vp。圖二、強震站調查成果,從左到右依序為地質柱狀圖、標準灌入試驗N值、剪力波速Vs、壓力波速Vp。
圖三、國震中心近期繪製之全臺Vs30分布圖。圖三、國震中心近期繪製之全臺Vs30分布圖。