為什麼感覺比震央晃?臺北盆地的「場址效應」

  • 郭俊翔/國家地震工程研究中心。

在臺灣,每當有較大規模地震發生時,若臺北盆地的震動較周邊地區大,幾乎都可見到電視新聞報導或一般民眾朗朗上口地說,這是盆地效應場址效應(seismic site effect)造成的震波放大現象。這是一個什麼樣的現象?為什麼限於臺北?臺北有什麼特別的地方嗎?一切就得從場址效應的機制開始談起。

場址效應,是一種影響地震震度的因素,又稱盆地效應。地震發生時,當震源的地震波傳到地表時,會因著地表表面的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,因此場址效應的研究在地震工程領域相當受到重視。筆者利用下圖來介紹場址效應,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。

以繩波在粗細不同的繩子間傳遞時的振幅變化來說明鬆軟地層對震波放大的現象。source:國家地震工程研究中心《安全耐震的家-認識地震工程》科普書籍網頁版

在臺灣,臺北盆地正好具備所有場址效應發生的要點,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,其橫軸為週期,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。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,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。

集集地震時,臺北盆地內的民生國小與指南宮測站的地震動加速度歷時(右上)及加速度反應譜(右下)。source:作者提供

以集集地震為例,位於臺北盆地內的 TAP014 民生國小強震和臺北盆地外的 TAP067 指南宮強震站(上圖右上)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,若再看到右下的加速度反應譜圖,則可看出兩測站的譜加速度值(Y軸)在不同週期(X軸)時有不同振幅放大的情況,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。

墨西哥城的盆地效應

除了臺北,國外有無類似臺北盆地場址效應的案例呢?不止有,還發生過慘重的災情。

1985年墨西哥地震的震央與墨西哥市位置圖;右上為SCT測站和 UNAM測站的加速度反應譜;右下為不同距離的測站加速度波形。來源:作者提供

墨西哥的首都墨西哥城,就位於盆地之中,而腳下鬆軟的湖泊沉積物就覆蓋在堅硬的岩盤上。1985 年,墨西哥近海發生震矩規模 8.0 的隱沒帶強震,距離震央 400 公里的墨西哥市,因其地質條件也產生強烈的場址放大效應而造成墨西哥市嚴重災損。

如圖三中所示,位於盆地內的 SCT 測站,最大加速度為 170 加爾,而位於盆地外圍的 UNAM 測站的最大加速度僅 35 加爾,兩者差異將近 5 倍,而比較觀察兩測站的反應譜,可看到週期 2 秒的震波在 SCT 測站的譜加速度值(Y軸)將近 0.8 g,但同樣週期的震波在 UNAM測站的譜加速度值則僅有 0.1 g,其放大倍率超過7倍,而這也是場址效應的另一項特性,沉積物較厚之處會對長週期震波造成放大。

由於 1985 年所發生的經驗,墨西哥政府早在 90 年代就開始推動地震預警(Earthquake Early Warning)系統,如臺灣目前強震即時警報的設置。因為地理位置的因素,墨西哥大規模地震都是發生在南部沿海一帶,儘管距離墨西哥市大約都有 300 公里以上的距離,但由於墨西哥盆地強烈的場址效應,本應當隨著距離而衰減的地震波在到達墨西哥市後又被放大。不過,數百公里的距離仍提供地震預警系統相當足夠的時間可以對墨西哥市民眾發布警報,以降低危害。

臺北盆地微分區

話題回到臺北盆地,座落在地上的建物是否要將特殊地質條件所造成的場址效應列入考慮因素?當然需要啊!因此,臺灣的《建築物耐震設計規範》於2005年改版後已在臺北盆地加入微分區的概念,並於2009年對其分區進行調整,即對盆地內不同的區域,依其地質條件及實測資料的強震特性,特別考量場址放大效應和長週期震波效應,並為各分區制定適當的設計反應譜。

現行規範中,為因應盆地內不同的沖積層厚度造成的強震反應,而將其分為臺北一區、二區及三區,並分別制定不同的建築物設計反應譜(下圖),所考量的地震波週期由長到短依序為一區、二區和三區,也正好反應由深到淺的沖積層厚度變化。而此根據臺北盆地實測資料而制定的微分區規範,考量到位於盆地內的建築物會受到的震波放大效應和較長週期的震動,可確保符合此規範的建築物可以承受場址放大作用後的地震力。

現行耐震設計規範的臺北盆地微分區圖。source:引用自耐震設計規範

改良盆地的脆弱性

人類為生活便利逐水而居,而肥沃的沖積土壤更是孕育農作物的良田所在,因此,發展出許多位於沖積平原或盆地的大都市。但是,當地震發生時,這些位於軟弱土層的城市則必須承受更強的地震作用力。

盆地的土質軟弱,何以因應強勁的地震作用力?值得我們深思。source:pixabay

類似的例子履見不鮮,除了上述的臺北盆地和墨西哥市外,還有像美國加州的舊金山、洛杉磯及日本的東京、大阪等,都是位於鬆軟土層上而人口稠密的大都市。

那要如何改善?砍掉重練、遷移居住在其上的人們嗎?目前世界上還未有能這麼實施的例子。但隨著科技的進步,先進國家會制定出合宜的耐震規範,只要按照規範施工,都能確保地震時建築物不會完全倒塌而保有生存空間。近年來,國內所發展的地震預警技術也越來越成熟,可爭取強震到達前數秒時間讓民眾就安全位置躲避。然而,臺北盆地內為數眾多的老舊建築,因年代已久且耐震力較弱,需要適當的補強或重建才能提高建物耐震力,以確保居住的安全。

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本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

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