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2019-09-01為什麼會感覺比震央晃?臺北盆地的場址效應 597 期

Author 作者 郭俊翔/國家地震工程研究中心。
場址效應,是一種影響地震震度的因素。地震發生時,當震源的地震波傳到地表時,會因著地表表面地下介質的軟硬程度而影響震度大小。

場址效應是什麼?

據筆者所知,最早記載有關場址效應的文獻是在距今超過100年前,由有現代地震學之父之稱的米爾恩(John Milne)於1898年所出版的《地震學》(Seismology)一書,書中提到:「不難找到兩個相距不到300公尺的地震測站,但它們的水平向振幅差異卻可以達到5倍,甚至10倍。」

由此可知,早在19世紀地震學家就藉由地震觀測,發現震度可能也會因地而異,而且落差可能相差很大!而造成極大落差背後的原因,就是地質條件差異,也就是所謂的場址效應。

為什麼會有場址效應?

在地震發生後,一開始的地震波會在堅硬岩盤中傳播,但地震波從岩盤進入近地表的鬆軟土層時,會因為地層性質轉變發生一件生活在地表的人們覺得不太好的事,那就是:
 
1.地震波振幅加大,代表會搖得更大。
2.地震動延時加長,代表會搖得更久。

所以,可想而知,放大後的地震波會更容易造成建築物的損壞、倒塌而加重地震災害,因此場址效應的相關研究在地震工程領域相當受到重視。筆者利用圖一來介紹場址效應,使用簡單的繩波實驗說明鬆軟地層對震波放大的現象,可讓一般民眾了解場址效應的現象。

在臺灣,臺北盆地正好具備所有場址效應會發生的要點,堅硬的岩盤(第三紀基盤)和鬆軟的土層(松山層),而其西深東淺盆地外型,不僅造成不同週期的震波放大,也讓地震波進入盆地時更容易聚焦,進而產生共振及延長震動的持續時間,也因而讓臺北盆地內的民眾在地震發生時更加「有感」。

臺北盆地在近代曾受過數次強震的影響,皆是由於盆地內的場址效應造成震波放大,而使災損更加嚴重,例如1986年芮氏規模6.8的花蓮外海地震,震央距離臺北盆地約110公里,仍造成臺北盆地內多處建築物倒塌或嚴重損壞;1999年芮式規模7.3的集集地震,雖然發生在臺灣中部,卻在臺北盆地造成相當嚴重的災情,包括松山賓館和新莊博士的家兩棟高樓的倒塌,更有多棟建物嚴重損毀。

 

 

如何量化場址效應?

至於科學上如何量化場址效應,這時就不得不簡介一下「反應譜」。為了瞭解地震波對建築結構造成的影響,結構工程師發明加速度反應譜,橫軸為週期,縱軸為加速度,代表某地震波作用於建築結構時,不同週期地震力的最大加速度值。由於不同週期震波有各自的最大加速度值,分別計算後可繪製成加速度反應譜,故常在工程上作為地震力評估的依據。
 
而設計反應譜則是數筆強震記錄加速度反應譜所計算出的平均結果,加上專家適當調整後所制定出的人造反應譜,用來代表各地區可能受到的各週期地震動強度,可作為建築物建造時的耐震性能設計依據。因此,當在加速度反應譜上看到某週期的加速度值越高,代表其地震力越大,若超過設計反應譜則代表建築物會有損壞的可能。
 
以集集地震為例,位於臺北盆地內的民生國小強震站(TAP014)和臺北盆地外的指南宮強震站(TAP067,圖二)的加速度震波比較,位於盆地內的民生國小測站,處鬆軟土層上,其最大加速度(PGA)值為107加爾(gal),而位於盆地外的指南宮測站,處堅硬岩盤上,其最大加速度值卻僅有36加爾,兩測站與車籠埔斷層的距離差異不大,但其加速度振幅卻差了近3倍。這也代表臺北盆地對不同週期震波會有不同的放大倍率,因此在臺北盆地內被大幅放大的震波,週期約1秒左右,更容易造成災損。
 
 
再來看另外一個例子:2002年3月31日芮式規模6.8的花蓮外海地震,也造成當時施工中的台北101大樓頂樓的起重機吊臂掉落及多棟建築物受損,臺北的災情也較花蓮嚴重。......【更多內容請閱讀科學月刊第597期】