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地震觀測站該設在哪?

地震觀測站在哪裡?

3月27日,南投規模6.1的地震在全台有感,但是嘉義港坪國小的學生在地震波到來的前十秒就準備好逃生了!這間國小設有地下地震儀,結合強震警報系統,感測到地震P波,強度2級以上的地震就會啟動警報。327地震震央位於南投,正好被地震測站團團包圍,「空缺角」很小,預警會更準確。

事實上,不論是地震預警、地震測報或者強震研究資料,都和地震測站息息相關,中央氣象局是如何選擇地震監測站的所在位置呢?不同地震觀測網會有不同的考量。

即時觀測網重於預警功能,第一個考量是地震活動比較頻繁的地方優先設立,像是地震發生頻繁的花蓮地區;第二個考量平均建設,讓各地地地震監測站密度都能維持在一定的程度以上,避免產生漏網之魚;第三個考量是地形,高山地區測站的設置和維護難度很高,因此像是中央山脈的測站密度會相對較低一些。

強地動觀測網則希望針對大地震的強震資料建置防災資料庫,尤其在都會區和斷層帶特別密集,這些地區往往在大規模地震發生時發生最嚴重的人命傷亡。而強地動觀測網又可以分為結構物和自由場(free-field)觀測網兩種,結構物觀測陣列設置在橋樑上或建築物中,量測這些建物在遇到地震時的振動情形,許多耐震結構是透過結構物觀測陣列的資料研發出來的。自由場想要觀測的是地盤的震動,因此名稱意指相對於結構物觀測網,不在任何建築物內、不受建物影響的觀測點。過去大部分的自由場的強震觀測站設在地表,但是在都會區人為活動特別頻繁,因此近五年來中央氣象局正推動井下地震儀設置,來避免地上活動的影響。

不過即時觀測網與強地動觀測網並非完全沒有交集的地震觀測網絡,像全台灣有一百多個測站同時肩負了地震即時測報和強地動觀測的任務。

地震儀有幾種?

不同的觀測站放的地震儀可能有所不同,目前主要在使用的地震儀有3種,分別為「加速度型地震儀」、「速度型寬頻地震儀」、「速度型短周期地震儀」,它們各有特徵。

像是強地動觀測網主要使用的是加速度型地震儀,可以快速的算出震度,它的解析尺度大,能完整的紀錄規模大的地震資訊,但是單單背景的雜訊就可能將規模小的地震的訊號蓋掉,不過以觀測強震的需求來說算是很合適的儀器。

即時監測網用於預警功能,除了有加速度型地震儀,還裝設了速度型寬頻地震儀。速度型寬頻地震儀器有什麼特點呢?它比起加速度型地震儀更能捕捉小規模地震的訊號。而常見的速度型的地震儀有兩種,比較早期建置的是「短周期地震儀」,能監測周期短、頻率高的地震波,但缺點是周期長、頻率低的地震就沒有辦法完整紀錄,在921大地震之後,中央氣象局建置的速度型地震儀都是「寬頻地震儀」,雖然成本較高,但是能夠監測到不同周期長短的地震波。

我們知道波動的周期和頻率是成反比的,因此周期長的震波就相當於頻率低的震波。但是頻率高和頻率低的震波會有什麼差別呢?如果地震的頻率高,它在震央附近的地區會震的比較強烈,但是因為高頻率的波在傳遞過程中能量消逝的快,因此高頻率的地震波通常傳不遠,影響範圍小;相反的,低頻的地震可能可以影響到很廣的區域,但如果測站只有速度型的短周期地震儀,只能觀測到高頻地震訊號,就無法測量到低頻震波的資料了。

地震儀的應用與展望

地震的測報技術至今已能在5分鐘內快速精準的計算出地震的震央、深度與規模,並透過網路、電視等方式加以傳播,然而這樣的速度還是趕不上地震波,往往在有感地震發生後才能發布訊息,因此「地震預警」變成未來各國努力的方向。由於強震儀(加速度型)、即時傳輸、電腦運算等技術的提升,目前台灣的地震預警技術日漸成熟,預警變的可行。

中國大陸自2008年四川大地震之後,便成立了「成都高新減災研究所」,2013年3月18日對外宣布,至今境內共建設了40萬平方公里的預警系統,是目前世界最大的地震預警系統。預警系統的建置需要透過嚴密的監測站,目前中國大陸在西南部的8個省份共有1,213台地震監測儀器。

雖然台灣不會擁有「世界最大」預警系統的頭銜,主要原因是台灣本來就是一個面積精小的國家,但是我們的先天環境和後天的技術發展,在地震的防災的研究其實是走在非常前端的,也希望台灣的經驗與技術能夠提供世界各國參考。前一陣子,印度也計畫要採用台灣開發的地震預警系統,透過國際的合作,增加更多經驗,也有助於地震科技的發展。

本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:強震即時警報系統之研發與應用

關於作者

慈忻

台大地理所,研究空間分析方法與災害風險。曾擔任防災科普小組編輯、ENSIT電子報主編。偏鄉災害問題與專業/弱勢間的資訊不對等,是我最想解決的問題。