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震央在高雄的美濃地震,為什麼台南災情最嚴重?問問超級電腦吧

為什麼要用電腦模擬地震?

臺灣數值地震模型 (TNEM) 由中研院地球所李憲忠副研究員開發,可以精確且快速分析出地震發生的過程,了解歷史地震、現今地震及未來的情境地震,為防災帶來重要的貢獻。

1999 年 9 月 21 日凌晨,集集大地震在臺灣人睡夢中突襲而來,許多人至今仍心有餘悸。那時,李憲忠正好在博士班第一年,踏入地震學研究不久就受到巨大的震撼。他體認到,臺灣需要更多地震研究的人力,假使當初把車籠埔斷層研究更透徹,也許災情就不會那麼慘重。

2016 年 2 月 6 日凌晨,又是一場眾人熟睡時的地震,在台南造成嚴重傷亡。這時,李憲忠利用他開發的臺灣數值地震模型 (TNEM) ,在電腦中解開這場地震之謎。這套數值模型,利用強大的電腦運算技術,能為未來的地震防災帶來不少貢獻。

中研院地球所李憲忠副研究員,利用超級電腦研究臺灣過去、現在和未來的地震。圖/By 張語辰

美濃地震,為何臺南災情最嚴重?

2016 年這場地震,有個現象令人十分困惑──震央明明是在高雄美濃,為什麼災情最嚴重的區域反而在臺南?單純以氣象局的觀測資料不容易解答這個問題,因為它只能提供「震源位置、規模、震度」等數值,無法告訴我們地底下實際上發生了什麼事情。

李憲忠的電腦數值模擬,則還原了地底下斷層面錯動量的分布,看穿地震發生的特性。

如下圖,李憲忠針對這次美濃地震,計算出斷層面上的錯動量分布。由此可看出一個非常重要的現象──斷層面破裂最嚴重的地方,其實不是在震源 (紅色星星) 附近,而是在震央偏西北方,有兩個明顯的「錯動集中區 (Asperity) 」,亦即兩個紅圈處。

2016 年 2 月 6 日在美濃發生規模 6.6 地震,由臺灣數值地震模型之分析可知,震央(紅色星星)偏西北方有兩個錯動集中區 (Asperity,紅圈處) ,使得主要災害出現在震央西北方的臺南地區。圖/李憲忠

這次的破裂從震源開始之後,朝著西北向延伸,於是指向了臺南地區,這個效應稱為「破裂方向性 (Directivity) 」。

破裂的方向不一定是斷層的方向,由於每個地震的特性不同,必須利用觀測資料結合電腦來逆推,才能知道地底下的斷層面上發生了什麼事。

李憲忠表示,還有其他因素,影響美濃地震的破裂過程與地震波傳播。其中一個因素是「場址效應」,由於嘉南平原是沖積層,土質比較鬆軟容易造成振幅放大,且能量會在鬆散的物質裡持續震盪,造成較長時間的搖晃。

這部影片是李憲忠根據 2016 年 2 月 6 日美濃地震的資料,以臺灣數值地震模型模擬三維地震波傳遞的動畫。

從中可看到,由於「場址效應」,嘉南平原區的震動比山區來得嚴重。此外,震源本身還有「震源輻射效應」,並非震源的每個方向的震動都一樣,而是有輻射狀的分布,而這次的美濃地震,震源輻射放大的區域正好位在震央的西側。

以上種種因素加起來,使得美濃地震災情最嚴重的區域出現在臺南。

「臺灣數值地震模型 TNEM 」是何方神聖?

李憲忠的團隊能夠還原地底下發生的事情,利用的是他們自己開發的強大武器──「臺灣數值地震模型 (TNEM) 」。

這是一套整合性的模型,目標是以電腦來模擬與重建臺灣的中大規模地震,分析震源破裂與三維地震波傳遞的過程。

震源破裂的模擬,採取「逆推」的方法,藉由遠場(全球世界網的資料)、近場(臺灣本身的地震紀錄)與 GPS 的同震位移紀錄等觀測資料,透過電腦回推出斷層面上錯動量的時間─空間分布。接著利用建立好的震源破裂模型,加上三維地下構造數值模型,便可模擬地震波在複雜構造中的傳遞。

除此之外,這套模型還開發了一個重要的系統,就是即時計算地震學地震報告。

只要 2 秒,超級電腦就可分析完全臺灣 40 萬個格點,找到震源的位置以及所有的震源參數。透過電腦的技術,並在 2 分鐘內把「發震時間、位置、規模、震源機制」全部求解出來,特別是「震源機制」其分析速度,比傳統地震報告系統更快。

黑色線條為台灣各地測站的實際地震觀測數值,紅色線條為電腦模型模擬的地震數值。當兩者高度疊合時,表示該地發生地震,網站會即時顯示震央位置、地震參數等資料。圖/By 即時地震監測系統網站

平常所看到的波形是背景雜訊,但只要地震發生, 2 分鐘後就有完整的地震資訊顯示出來。李憲忠很有信心地說,這套系統在全世界絕對是數一數二的。即時地震監測系統網站每 2 秒就會更新一次資料,民眾皆可上網查詢。

為什麼臺灣能夠辦到?李憲忠說明,由於幅員較小,且政府支持相關研究,臺灣的地震觀測網可能是全世界密度最高的。更重要的是,他們開發了一套完善的軟體來分析地震,並利用中研院地球所內的 256 顆 CPU 進行連續長期監測。

這套地震模型,另有一個領先世界的關鍵:完全採用的「三維」的地下構造來計算。李憲忠說,國外許多研究團隊,都是假設地底下為「均質」或「一維」的構造。雖然這種假設能比較快求出地震大致的模式,但真實自然界並非此種簡單的構造,所以很容易發生誤判或產生較大誤差。

李憲忠則希望利用高精度的地震模型,將模擬結果建立數值資料庫,拿來作為長期的科學研究與防災應用,因此越精確越好。

自然界是一個複雜的三維環境,不是簡單的一維。除非那邊的地下構造很單純──但是我想,容易發生地震的地方,通常構造都很複雜。隨著現在電腦技術漸漸發達,計算三維速度構造的影響,將會變成是個必要且常規的工作。

還原歷史地震現場:1935 年新竹─台中地震

臺灣數值地震模型,不但能精確分析最近發生的地震,還能重建過去的歷史地震,以及探討未來可能發生的地震情境。

歷史地震雖然是過去的事情了,但是透過了解過去地震的發生過程與特性,對未來的防災非常重要。由於斷層面的能量累積到相當程度,可能重新釋放能量,假如我們可以了解它的回復週期與破裂特性,則可更清楚知道如何防範下一次的大地震。

1935 年發生新竹─台中地震,造成的傷亡比 921 集集大地震更加慘重。現在的觀光景點魚藤坪斷橋,就是那次地震所造成的結果。

魚藤坪斷橋,於 1935 年新竹─臺中地震被震毀,造就此一斷橋之景象, 1999 年之 921 大地震又造成第四號橋墩上半部被震毀崩落。圖/臺灣寫真帖第一集王崎 @ wikipedia commons

由於當時還沒有進入數位時代,因此地震資料不易取得,主要是日本氣象廳的紀錄。當時的地震紀錄是類比式的,用一隻紀錄筆在煙燻紙上描繪出振動的過程。而震度的紀錄,大都是藉由當地人的口述,以人的感受或房屋傾倒毀損的情況判斷,因此可能存在很大的落差。

現在有了數值地震模型,可以模擬重建當時的情形,對於了解歷史地震有很大的幫助。

1935 年發生新竹─台中地震,由震央往南北兩方向破裂,往北是獅潭斷層,往南是屯子腳斷層。圖/By 李憲忠

1935 年的地震,由震央往南北兩方向破裂出去,北段是獅潭斷層,南段是屯子腳斷層。臺灣西部為逆衝褶皺構造,有許多南北向的斷層排列著。此次地震就是一條斷層破裂後,觸發其他的斷層,就像骨牌效應,因而破裂範圍拉很長。

這次地震的破裂方向性可以從模擬結果中清楚看到,北邊的震度比南邊大,強烈振動的範圍也比較廣泛。確實,1935 年的災情,震央北邊新竹─苗栗一帶比南台灣嚴重,模擬結果大抵與當時的記載一致。圖/By 李憲忠

未來可能發生的情境地震

李憲忠說,身為地震學家,常被身邊的親朋好友問到:「到底地震能不能預測啊?」坊間也有很多能人異士,號稱能夠預測地震。李憲忠說明,要能真正稱為「地震預測」,「時間、位置、規模」三者都要能明確講出來。然而,這樣的地震預測,現在的科學還無法做到。

雖然無法預測地震,數值模擬能夠分析不同的情境,也就是在某種形式的地震發生之前,就知道可能的災情分布。如此,也能達到防災的目的。

假想的琉球海溝發生規模 M8 以上的大型逆衝地震之模擬結果,包括「地震波的地表速度波長」與「海嘯的波高」二者的模擬。圖/By 李憲忠

上圖是李憲忠模擬最危險的情境地震。臺灣東部外海有個「琉球海溝」,是菲律賓海板塊向北隱沒到歐亞板塊的界線,這個構造一路延伸到日本。在這種隱沒帶深處發生的大型逆衝地震,規模通常都非常大,可能超過 M8 。他說:

日本地震防災已經做得很好,然而 311 東日本大震災他們當時推估那邊只有規模八點多的地震,沒想到自然界就是出乎意料來個九點多的,讓他們措手不及。所以我們要料敵從嚴,用電腦去模擬這種極端的情境。

若在琉球海溝發生大型隱沒帶的地震,災害來源不只是地震波,還有海嘯。海嘯的模擬相當重要,因為海嘯傳播速度比地震波慢得多。地震波波速每秒 6 至 8 公里,海嘯只有每秒 0.2 到 0.3 公里。地震發生後三、四分鐘地震波就已經傳遍臺灣島,但是海嘯則需要兩、三小時。因此,海嘯確實可以預警,在地震發生後應可以有較足夠撤離人員的時間。

數值模擬如何提供防災準則?

地震的數值模擬,可以提供不少防災的資訊。在地震發生前,就可以分析,一旦這樣的地震情境發生,會有怎樣的災情,這對於災害防制的評估很有幫助。針對特定孕震地區,可以研究活動斷層以及地底下的盲斷層走向、容易產生的破裂方向性、以及場址效應等。這些結果,都可以應用到基礎建設的耐震設計,以及落實到建築法規上。

另外,地震發生當下,則可以透過即時地震監測系統,迅速釐清地震的各種參數。就震源而言,可以很快得到震源機制,推估該地震可能與哪條斷層有關,評估是否會影響到鄰近的斷層。如果斷層的能量可能還沒釋放完畢,就必須特別關注是否有餘震或更大地震的發生。

此外,即時線上地震模擬可以迅速計算出地震波的傳播與震度分佈,推知那些地方災情會比較嚴重,據此來調度救災人力。

臺灣數值地震模型得到的結果,是有物理基礎存在的數值模擬,可以比較接近「未來自然界可能發生的真實情況」。

現在防災單位亦有一套完整的地震應變流程,目前的系統主要是從「統計」的角度出發,利用「規模、震度、人口稠密度」等,建立邏輯樹,來評估災情。待後續臺灣數值地震模型開發得更完整,將能補足強化現行的地震災害評估與應用。

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採訪編輯|歐柏昇  美術編輯|張語辰
CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook