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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

活躍星系核_96
・2016/02/07 ・4149字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 525 ・七年級
相關標籤: 206台南大地震 (2)

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。

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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)

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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。

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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。

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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。

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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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活躍星系核_96
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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。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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一次不夠震兩次,連發的地震更難懂 ──地震定位的實作篇(二)
震識:那些你想知道的震事_96
・2019/01/21 ・3484字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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解題囉!地震定位沒有想像中簡單?──地震定位的實作篇(一)中,我們已經解析過了以下的試題(取自 107 年學測自然科),但今天我們要利用這題談談不同的情況。

107 年大學學科能力測驗自然科第 68 題。圖/截自大考中心

請試想一下,題目中「離洛杉磯較近的地震」,如果發生在台灣附近,這樣一來在很近的時間之內,接連發生了地震,地震波的紀錄中會有什麼情況?又會對地震定位有什麼影響?

或許有人會聯想到物理上的干涉現象,但實驗室中接觸到的是理想的波動,純天然的地震波動會有點複雜,相對也會有一些較麻煩之處。

普遍實驗室中的干涉現象結果。圖/wikimedia

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搖啊搖,兩個地震「連發」

如果我們先用開槍來比喻發生地震事件。它有可能是一把槍朝同個靶連開兩槍,也有可能是站得很近的兩人幾乎同時朝同一個靶開槍。這種現象,最常發生在大地震後的餘震,或者是在某地發生一連串的小型群震。

但是,如果是開槍的情況,我們都會事先知道是什麼情況。但實際上,地震學者或是氣象局進行定位的人員在看到地震站地震波時,完全不會知道兩個地震的震源確切位置,僅能藉由 P 波 S 波秒差推測大致是十分接近的兩個震源。而這種情況會對地震定位造成的困擾是:規模比較小或是造成振幅比較小的地震,能用來進行的地震測站相對較少。

以 2018 年 2 月 6 日花蓮強震後續餘震中的編號 52 號和 53 號地震,氣象局網頁上公布花蓮市測站的「即時強地動波形」圖為例:

編號 52、53 號(及其陸續的)地震,花蓮市的波形紀錄。圖/載自中央氣象局網頁

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我們將這張圖「加工」一下,標出圖中的「6 個地震事件」(用灰色標註),此外其中包括編號 52 號和編號 53 號地震的 P 波(紅線)和 S 波(綠線):

修改自上圖編號 52 號花蓮站波形,標註上 6 個地震事件,並以灰色顯示其主要波動的範圍。紅色代表 P 波,綠色代表 S 波。

以花蓮站的狀況看起來每個地震事件的 P 波和 S 波都明顯好認,畢竟花蓮站距離編號 52 號的震央僅僅只有 3.66 公里,而看 P 波和 S 波的間隔相近,加上這一陣子附近地區的餘震偏多,想必 53 號的震央也不會差太遠。

但是,如果到了再遠一點的地方呢?來看合歡山觀測站(加工版)的情況:

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可見編號 53 號地震的 P 波已和 52 號地震後續的振動混雜在一起了。

因為地震波傳遞時,不同的頻率和振動型式的震波速度不一,就像賽車比賽一樣有快有慢。而上面這張圖的情況就是 53 號地震的 P 波已經追上 52 號地震「吊車尾」的尾波。可想而知,離震央再更遠的地方,可能連 S 波確切的位置都很難辨識了,如下面這張的德基測站波形圖(沒辦法加工,因為已經難以辨認):

編號 52 號地震德基站的波形紀錄。
圖/載自中央氣象局網頁

實際上臺灣的地震測站密度很高,即使是在這樣的情境下,還是大致能出這幾個地震的位置,然而若是兩個地震相隔的時間更短,地震波形發生相互干擾、難以辨認的測站一多,比較小的地震在波形資料上,往往會被大的地震給「蓋過去」,就有可能讓我們少發現到一個小地震。

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餘震是什麼?

科學家很早就發現,較大地震發生後,通常都會有餘震,而且餘震的規模和數量也會有一定隨時間衰減的關係,這點在我們之前文章(為什麼本來是主震,一下又變成前震?餘震有可能會比主震規模大嗎?──《震識》)中也曾提過餘震衰減定律。

但到底為什麼會是這樣的情況?餘震發生的原因又是怎樣?我們再從另一篇文章(在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(下)──《震識》)提到的斷層模型來切入,現在從地震波反演回推斷層活動的相關研究,已經可以透過地震後的波形紀錄,推測斷層上面的破裂過程。

實際上,斷層的會發生破裂區域,僅在面上部分一塊塊比較「粗糙」的「地栓」(asperity),而地栓處活動發生地震時,一來可能僅釋放了局部累積的應力(或者理解成能量),二來也可能有些處於臨界狀態的小規模地栓受地震(主震)影響,因而被誘發地震,或許這樣的餘震情況,可以拿「藕斷絲連」來比喻。

從很多例子當中都會發現,餘震分布大致會和主震發生的機制接近,震源分布的位置也會大致在同樣的斷層面附近。不過,由於主震的地栓才剛劇烈的活動完,有很多的餘震是發生在斷層上主震滑動區以外的部分,這種情況在規模越大的地震越為明顯。

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餘震分布大致會和主震發生的機制接近。圖/作者提供

2016 年的台南、高雄美濃地震就有「雙主震」

以 2016 年 2 月 6 日高雄美濃、台南的地震為例,震後報告畫出了主震時最主要的滑移區和餘震的分布,如下圖所示。圖中的白、黃、紅等方格組成的平面為斷層面,紅色為主震時最主要錯動的地方,其它小圓則是餘震,不同顏色代表不同規模。可以發現,多數的餘震集中在斷層上其它的位置,這就是主震後持續釋放能量的情況。

美濃地震主震滑移區(方格)和餘震(圓點)分布。圖/作者提供

另外,這次地震正好就發生了「兩個地震在一起」的情況,一般學術上會稱作為「雙主震」,而這次地震的例子,就是相差僅數秒鐘的主震滑動而發生的地震,藉由下方的「累積滑移量分布圖」,可以看到斷層在最初活動隨時間的變化,而在 8 秒和 16 秒處用紅色圈出了兩個地栓的位置,而這兩個地栓初始錯動的時間也僅只差了一秒鐘,代表確實是兩個同時發生的地震事件。

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反演出美濃地震的斷層面破裂分布,顏色代表斷層錯移量,以公分表示;星號表示震央,紅色圈起來為主要滑移的地栓。圖/作者提供

不過,這樣類型的「雙主震」在中央氣象局最初提供的報告根本看不出來,因為地震波整個被包住了,在初步僅靠 P 波、S 波和最大振幅進行地震定位與芮氏規模計算的方式下,只會知道斷層「初始發生錯動的地點」,即是上圖標示出紅色星號的位置。

而像中央氣象局地震速報,需在極短時間或是用自動化的方式判讀地震並立即公布,就無法用前述學者解析地震波的方式來還原「案發現場」,僅能提供在短時間內盡可能精確的數據,可以說是「沒辦法中的最好辦法」,當然以這次地震的例子來說,即使作為一個地震事件處理,對於後續震度的評估,並不會造成太大影響。

地震定位、規模、震度對於防災的意義

藉此我們不妨思考一下,為何強震警報多以震度四級作為發布標準?在誤差在所難免,無法 100% 避免的情況下,即使四級的震度多半不會有重大災情,但把誤差一級的程度考量進去,我們或許應該對警報某程度多一分警戒!

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像這樣有多個地震或是雙主震讓震波交雜的狀況,主要帶來的麻煩是在於像氣象局這樣第一線的資料處理端,可能會有非戰之罪的誤判或是增加資料處理的繁複程度,但這對科學家而言,卻是一個能讓我們解開斷層特性的現象。因為每一個斷層或是盲斷層都像人有百百種一樣,有不同的特性,因此多了解一些,有助於我們評估斷層未來錯動時的情況,當然,這樣的研究對於未來的防災多少也是有助益的!

延伸閱讀

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震定位實作篇之二:地震連發,定位者的最大煩惱》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

震識:那些你想知道的震事_96
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《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。