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雜訊不只是雜訊?可以是訊號!

現今科技進展神速,地震儀之記錄內容也越來越精細,在以前看似雜訊的信息也可以準確地記錄下來。每個地震站所記錄的雜訊,乍看之下似乎沒有相關。但假如漫射後的能量持續穩定通過鄰近地震站,即使是很微弱的訊號,藉由長時間交對比及疊加平均來增強訊號,得知不同頻率的雜訊通過每兩個地震站所需時間,可進一步了解地震站下方的地層速度等資訊。

隨著科技的日新月異,地震儀從類比式記錄改為數位化,體積越做越小、越來越省電,資料品質也越來越好。克服了儲存容量限制,從早期僅記錄地震事件以節省儲存空間,到現在採用連續記錄,甚至利用網路把訊號即時傳回監測中心。在連續紀錄中,地震波的背景雜訊(以下簡稱「雜訊」)佔絕大部分,僅偶而有地震事件。早期地震學者認為雜訊中應該沒有可用訊息,因此大多只分析地震訊號現在則是希望在龐大的雜訊中,獲取可用資訊,成為全球熱門探討主題之一。

雜訊也稱為微震(microseism)或微地動(microtremor),主要透過自然環境及人為活動所產生。其來源可能是天體對地球的引力變化、地球本身的振動、海浪拍打海岸或與海床的交互作用、大氣壓力和氣溫的變化、空氣和水的流動、人類日常生活、車輛行駛等。當這些能量在自然界中傳播,藉由物理學的漫射(diffuse)現象,碰到一些界面時,會逐漸減弱並改變能量傳播方向。這些不同來源、漫射後的能量,持續不斷在地層中傳播,也就是地震儀所記錄的雜訊。雜訊主要以表面波(surface wave)運動方式在地表附近傳播,而地層中有許多界面,不同頻率的表面波會在不同地層界面間來回振動傳遞能量,傳播速度隨著頻率變化,這也就是表面波的頻散(dispersion)特性。高頻速度慢,反應淺部地層速度;低頻速度快,反應深部地層速度。

每個地震站所記錄的雜訊,乍看之下似乎沒有很好的相似性。但是假如漫射後的能量持續穩定通過鄰近地震站,即使是很微弱的訊號,藉由長時間交對比(cross-correlation)及疊加平均來增強訊號,得知不同頻率的雜訊通過每兩個地震站所需時間,可進一步了解地震站下方的地層速度等資訊由於雜訊資料隨時隨地皆可取得,不用刻意避開人口密集的都會區,擔心人為雜訊會影響地震資料品質,反而可提供訊號用來了解地下構造。因此只要試著在研究區域,架設大致均勻分布的地震站,經過一段時間記錄足夠的雜訊後,不需刻意等待特定地震事件,也可以了解研究區域的地下速度構造。

此外,地震災害往往與局部場址效應(site effect)息息相關,尤其是位於沖積平原或盆地的都會區主要是地震波通過沖積層時,某些頻率的地震波,會因為沖積層厚度不同產生共振(resonance),導致特定頻率的地震波振幅被放大、釀成災害。類似情形也發生在建築物對地震波的反應,不同高度的建築物會對特定頻率的地震波,產生不同的搖晃程度。因此,雜訊也常被應用在探討沖積層的厚度與地震波放大效應,了解地層及建築物的地震動特性等調查。