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震源在高雄為什麼台南最嚴重?草嶺為什麼震度最大?關於206大地震你會想問的6個問題

文/ RUBY CHEN

再次強調本文只是藉由此次地震做一些相關知識的科普介紹,請勿斷章取義!在沒有完整的證據時請勿下定論!

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各位好,今天(2016/2/6)凌晨的地震真的非常嚇人。

當然,目前最重要的是人員平安,不過在看完報導後,我的腦中仍有許多疑問,相信應該也有不少人和我一樣;此外,網路上有人痛批傾倒的大樓為豆腐渣工程,然而我認為在做出評斷前,必須先有全面的理解,因此在詢問過地震專家後,寫了相關的小知識,以及這次災情嚴重地區分布的可能原因。

在此特別感謝我的父親,一位正直認真的土木/地震工程專家,提供相關專業知識與研究資料,若我的詮釋/書寫有所錯誤,請各位不吝指教,謝謝!

p.s. 閱讀本文需有國高中以上之地科程度(我也是邊寫邊撿回高中記憶XD 希望不會太艱深)

讓我們先看看這次地震的基本資料。

圖1:地震基本資料 (來源:中央氣象局網站)

可以知道,此次地震皆屬於極淺~淺層地震(震源 < 30 km稱為極淺地震,30~70 km則稱為淺層地震;原則上,陸地上的地震大多為淺層地震),震源越淺,傳到地面的能量就越大(因為輻射阻尼(radiation damping)越小),故本次規模6.4雖為中等,但實際上震度卻很大。

對於本次地震有了基本認知後,來談談為什麼災害會如此嚴重吧!首先,地震波造成的災害主要由以下三種因素決定:

  1. 地震波的頻率
  2. 震幅大小
  3. 地震的延時(duration)

為什麼地震波的頻率會影響災害的形成?每個地震波的頻率都不同,而建築物也有自己的「自然振動頻率」(註1),若地震波的頻率恰好與建築物的自然振動頻率相同,則會產生「共振效應」(resonance effect),使建築物搖晃程度加劇,因此會有「某棟建築倒塌,旁邊卻沒事」這樣的現象產生。(有句話:「你可以用一根吉他絃震垮一棟房子」就是在講共振效應。)

請看圖2右半部,以盪鞦韆為例,若鞦韆搖擺的頻率正好等同推人的頻率,則鞦韆會越晃越大力(大家共同的兒時回憶> <),同理,若房子搖晃的頻率正好等於地震波的頻率(圖2左半部),則房子搖晃的程度會加劇。(鞦韆=房子;地震=推的人)

註1:請將建築物想成單擺。回想高中物理所教,單擺會受到擺長(i.e.建築物的高度)影響而有不同的震動頻率,建築物亦然;不過建築物的振動頻率也會受到建材、結構形狀、使用狀況影響,故相同高度的建築物,其自然振動頻率不一定相同。自然振動頻率是可以在建築物設計階段就估算出來(八九不離十的那種估算)。

圖2:共振現象示意圖(來源:gva-tomo

因此,房子越矮,擺長越短 (圖3左半部),越容易與短周期的地震波共振;反之,房子越高,擺長越長 (圖3右半部),越容易與長周期的地震波共振。

圖3:房子高度與震波週期示意圖(來源:gva-tomo

大家可別小看共振的效果喔!以1990年菲律賓地震為例,圖4中的建築就是因為與該地震波共振,所以整棟倒塌(collapse),而旁邊建築卻平安無事。

圖4:菲律賓地震建築倒塌圖(來源:陳教授)

至於震幅大小與延時則相當直觀。震幅越大,能量越高,傷害越大;相同強度下,延時越長,傷害越大(用膝蓋想想就知道啦!!!)因此在地震來襲時,哪棟建築物會傾倒、傾倒的方式如何,都與以上三種因素息息相關,當然也和周遭地質、建築物本身脫不了關係。(i.e. 建築物的自然振動頻率、有沒有偷工減料A___A)

對災害形成的原因稍有了解後,利用PBL(Problem based learning, 問題導向學習)的方式來討論吧!注意,以下的答案都是「可能原因」,造成災害的變因實在太多,因此我只是提出可能原因順便長知識,請勿直接下定論。

1. 為什麼整個雲嘉南的震度都是 5,但永康、新化、歸仁、東區災情特別嚴重呢?

在山跟平原交界處,會產生「盆地邊緣效應」(basin effect)(圖5)。圖5為一實驗模型,圖表橫軸為地形變化,可見左右兩側高,中間為一平原,縱軸則是理論計算出的最大加速度與輸入震波的最大加速度之比值。由於地形關係,地震波到平原山地交界處會反射,再加上入射的波累積能量,使得此處震度較大

請見圖6,這是台南地形與行政區的疊圖(解析度有點不足,但我找不到更好的了> <),可以看到這次災情較嚴重的地區位於平原與山區交界之處(橘框:永康、新化、歸仁、仁德)。

圖5:Basin effect(來源:陳教授)

圖6:台南地形與行政區疊圖(來源:認識南瀛

2. 震源在美濃,為什麼最嚴重的地方在台南?

根據研究,斷層裂開的速度與橫波(S波)的傳遞速度是相當接近的,而當斷層裂開時會釋放能量,因此斷層結束端除了震波的能量之外,還接收了斷層裂開的能量總和,稱作Fling effect,如圖7中,0為震央,1,2,3,4是斷層裂開處,5則是斷層結束的地方。

因此,圖片左下方代表遠離斷層裂開方向之處所測得的波型,為震幅不變、延時長;而右下方則是斷層終點處,由於每個斷層裂開的能量與震波幾乎同時抵達,因此震幅大增、延時短,就是Fling effect。

圖7:Fling effect(來源:陳教授)

不過,斷層究竟開裂到哪裡,需要獲得強震紀錄才能得知,目前只能用猜測的方式(大家就當作長知識吧~),另一種可能的原因是「場址效應」(site effect)。

3. 什麼是「場址效應」?

有電視台已經在報導中提及這個名詞了。所謂場址效應,指的是地震波傳至沖積層地表時,因淺層地下介質之速度降低,所引起的地震波放大現象,最有名的例子是1985年的墨西哥大地震,其災情因為場址效應而加重不少。而理論上,在設計建築物前,建商應該要做土壤分析(理論上啦,理論上)。

圖8:台灣地震力場址效應圖 (來源:web.fg.tp.edu.tw

4. 地震不是發生在高雄台南嗎?為什麼雲林草嶺的震度反而最大呢?

當地震波傳到山頂的時候,會被放大,稱作 Topography effect。以圖9為例,這是在日本Matsuzaki地區,透過5個地震紀錄實際量測的結果,橫軸是高程(elevation),縱軸則是各高度之加速度與最高點加速度的比值,可發現平地的加速度約為200m處的0.4倍而已。

圖9:Topography effect(來源:陳教授)

草嶺可能因為地勢關係而比其他地區多了一級,但並不一定完全是這個原因。

p.s. 中央氣象局的測站,會將地震完的最大加速度傳回去計算,以確認各地的震度;地震的級數是由最大加速度判斷,故由草嶺級數最高,我們可以回推草嶺的最大加速度也是最大的。

5. 新聞都報說柱子裡面有沙拉油桶了,難道不是豆腐渣工程嗎!?(怒)

這要視哪根柱子而定,有些柱子屬於裝飾柱,在結構本身並沒有功能,因此有沙拉油桶不會影響,但如果是真正的柱子,那就太糟糕啦!該罰!該譴責!

6. 所以永大路的大樓倒塌究竟是為什麼?

以上所說的都可能是造成建築倒塌的原因。不過,學者看了該大樓的照片(圖10)後表示,永大路的大樓的傾倒方式看起來是受到了共振現象的影響,當然建築結構本身的問題也可能存在(一切有待更進一步的查證!!!請勿斷章取義!!!),不過,別忘了這棟房子在921大地震的時候並沒有垮,因此大家還是要好好思考共振效應的可能性(921大地震的頻率與206大地震應該是不同的(此點待查證))。

圖10:永大路大樓倒塌情況(來源:陸軍航特部)

以上就是一些關於206台南大地震的Q&A,謝謝各位耐心看完:)

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後記:

凌晨驚醒後看了許多網友提供的資訊,腦中的問題就一個個冒了出來,幸好老爸願意讓我纏著問,還拿出以前他做的PPT幫我上了一課(好像在做共筆啊XD),使我這個外行人可以在短時間內稍微搞懂一些理論。

打完這份網誌,我想起前陣子老爸在喝茶聊天時提到的「大學教育的重要性」。以土木工程師為例,若在大學時期認真學習,在設計建築物時便能運用所學的知識,在安全範圍內減少不必要的人力、物力、財力的浪費,也能確保建築物本身沒有問題;我想,不管哪個科系的學生都是一樣的,下學期還沒開始,請各位新年許下願望,一起努力學習,不要浪費大學最珍貴的資源吧!然後,進入社會後,依然要秉持著良心,做個正直的人,無論在哪個領域。

天佑台灣 祝各位歲歲平安。

p.s. 原文網誌封面照片來自 Justin Kao Photography / 高靖捷攝影 ,我希望大家記得,地震確實令人恐懼,但也因為地震,台灣才有如此美麗的山林:)

本文轉載自RUBY CHEN 網誌。

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關於作者

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。

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