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以震為鏡(三):算算看 地震危害有多大?

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

邏輯樹圖,每個分支分別代表不同的說法,下方括弧內數值為權重。(圖片來源:鄭錦桐博士)

邏輯樹圖,每個分支分別代表不同的說法,下方括弧內數值為權重。(圖片來源:鄭錦桐博士)

李柏昱 | 國立臺灣大學地理環境資源學系

臺灣地震頻繁,建築物的耐震能力顯得更為重要,攸關民眾居住與生命財產安全,國家重大工程面對地震的安全要求必須有更高的耐震標準,但是該如何合理評估各地的地震威脅,而不至於超出工程極限與財務允許範圍?本次專訪,請中興工程顧問公司的鄭錦桐博士詳細解釋地震危害度的計算方法、遭遇限制,以及如何應用在事前減災的風險控制當中。

地震危害度(Sesmic Hazard Analysis)說穿了其實就是大家比較熟悉的地震災害潛勢,也就是地震災害發生的潛在可能,評估項目包含可能的地震規模、與震源的距離,以及當地所可能遭受到的地振動(ground motion)大小。

地震是斷層錯動釋放出能量所造成的結果,直接造成鄰近地區地表發生振動,並由地振動造成後續一連串的地震相關災害,諸如地表錯動、斷裂與變形、山崩、土壤液化、火災、海嘯等等。因此,一個地區的地振動大小與其受到地震災害的可能性息息相關,在嚴謹的定義上,地震危害度即是地振動大小的評估。目前計算地震危害度的方法主要有定值法(Deterministic Method, DSHA)以及機率法(Probabilistic Method, PSHA)兩種。

定值法,簡單明瞭但過於保守

定值法為較早期的方法,其觀念是「只考慮一個威脅本地最大的斷層震源」,換句話說就是用最糟糕的情形進行最保守的評估,以這條威脅最大的斷層活動性衡量建築結構所在地需要的耐震標準。由於定值法計算單純,而且結果對於使用者而言簡單明瞭,是討論地震危害度的基礎。例如核電廠進行耐震設計時,只找尋距離核電廠最近,而且最可能產生大規模地震的斷層。

然而,定值法的簡單明瞭,卻也成為其一大缺陷。例如,定值法的結果過於武斷,但是影響地振動的各種參數都存有一定的變異程度,例如建築物周遭各斷層發生地震的機率?地振動大小隨距離遞減的程度?定值法都並無法回答這些問題。

此外,由於定值法是最保守的評估,考慮到地震規模越大越為罕見,最強的地振動發生機率相當低,如果依據此結果進行建築耐震設計,會造成建築耐震成本過於昂貴甚至無法施工。鄭博士說「我們在討論時,不能無限上綱去擔心一個不大可能發生的情境,反而該去討論一個較常發生的狀況,但一旦某種情況被確認是會造成危害的,就必須要認真思考面對。」

機率法,海納百川解決不確定性

相對而言,機率法考慮附近多個可能造成威脅的震源,並將每種可能都納入計算過程中,能合理並客觀評估強地振動的發生機率,然而機率法該如何處理地震中各項參數不確定的問題呢?

機率法計算地震危害度時,會利用「邏輯樹(logic tree)」的概念,將眾說紛紜的各種說法通通納入,「在還沒發生(地震)之前,誰都有可能是對的,(機率法)希望能同時容納所有的意見,可信度高的理論或情境會賦予較高的權重。」鄭博士說,因此機率法不會是武斷的單一結果,而是給予一個範圍或是區間,提供決策者根據其風險考量決定採用的設計值。

然而,機率法的缺點就是計算過程繁複,結果也不如定值法明確,受各種不同情境的權重影響甚大。有時候,原本機率法想要減少地震危害度評估中的不確定性,在納入各家說法後不確定性反而提升!

資料不足限制地震危害度計算

在推估地振動大小時,不管定值法還是機率法都會遇到兩個關鍵問題:這個地方可能遭受最強的地振動多大?以及地震多久會發生一次?今天要做地震危害度評估,需要根據過去的統計資料建立模式來進行預測,但是台灣有地震儀器觀測以來不過一百多年,要用來預估周期長達好幾百年甚至上千年的地震,資料量不足當然會影響地震危害評估上的可靠性、應用性。

鄭博士指出,斷層的資料不足正是台灣地震危害度研究的一大限制,「我們對於活動斷層了解不足,因為只有知道斷層在哪邊,才會設定它是個可能發生地震的震源,才能做出符合想像的結果。如果不知道斷層在那邊,就不會知道會有怎樣的結果。」

目前臺灣除了中央地質調查所公布的33條活動斷層,鄭博士認為更大的潛在問題是盲斷層。在地調所的活動斷層地圖中,只畫出在地表就可看見斷層破裂與錯動的斷層,例如車籠埔斷層就在中部地區造成的各種隆起、地表落差。但有時候,引發地震的斷層從地表無法觀察到,此類斷層就被歸類為「盲斷層」,依然對各地的建築結構帶來威脅,如果要計算地震危害度,「怎麼可能不考慮盲斷層!」。

此外,斷層的長度也是一大問題,根據過往經驗,斷層斷裂的長度越長,地震規模越大。但是臺灣對於延伸到海外的斷層幾乎一無所知,這些斷層往外海延伸多長?走向為何?都還需要更多的地質調查。

理論限制,提高評估困難

除了資料不足外,地震危害度的一些理論假設,造成地震危害度結果並不吻合實際狀況。其中很重要的假設:每次地震跟前一次的地震之間無相關性,但大家都知道大地震後會餘震不斷,地震危害度理論只能假設這些地震全部彼此無關,或是將餘震忽略不記。

另外還有一個有違實際情狀的假設:每個時間點地震發生的機率維持定值。鄭博士比喻,可以想像有人手持木板,穩定持續折彎木板,木板會逐漸彎曲、最終斷裂,這個假設認為不論他剛開始施力、或是木板斷裂前的那一瞬間,木板斷裂的可能性是一樣的,但經驗告訴我們隨著時間的流逝,斷裂的機率理應逐漸升高,而非固定。

在地震的情形中亦是如此,台灣屬於造山帶,斷層隨板塊擠壓不斷累積能量,但是地質環境會隨時間不斷改變,不同斷層或者同一條斷層沿線各處的地質條件也不盡相同,這些變因都會影響下次斷裂釋放能量的時間點,以及不同時間點發生地震的機率。

地震危害度提供風險控制的基礎

地震危害度還有諸多理論與技術限制,它對於我們一般民眾的生活或是政策有什麼影響?鄭博士說,從防災減災的角度觀之,最重要的不是危害度的結果,而是民眾與政府看到地震危害度的分布圖後,在地震發生前可以依據自身的情況與不同的風險考量、採取不同的風險控制。例如多投資一點防震工程,或選擇概括承受地震災害的損失;或多買一些災害險、將風險轉移給保險公司,甚至乾脆直接搬離高風險地帶,每個作法都是每個人不同價值觀和能力下的不同選擇。地震危害度的工作,就是提供民眾選擇應變方案時的可靠參考依據。

然而,鄭博士憂心「如果民眾過度期許政府能幫忙處理所有風險,期許政府會主動耗費巨資興建防災措施,但是這等於是變相鼓勵民眾住在危險地區。而且,因為政府會在災後處理一切損失,實際上仍是納稅人被剝兩層皮。」

較為正確的觀念與做法是,各地居民必須自行負擔居住地的風險,在歐洲國家,政府會幫忙評估災害發生的風險以及興建減災措施的金額,由社區居民自行決定是否興建以及負擔興建費用,如果社區認為不需要,災後損失也是由社區居民自行承擔。目前台灣最怕的是政府鴕鳥心態,至今仍不推動與公布各地的地震危害度,讓民眾誤踩地雷,置民眾於險境中。

鄭錦桐博士說,地震危害度的研究,就像在研究上帝擲的骰子,依據過去出現過的點數統計,預測未來出現各點數的機率?然而我們根本不知道上帝之骰長得怎樣,永遠都會有不確定性存在。所有臺灣人都必須面對地震的不確定性,如何自行控管本身與家庭的地震災害風險,極需每個人仔細思考。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。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!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。