為什麼地震來了臺北搖得特別大?談盆地的場址效應

為什麼地震來了臺北搖得特別大?談盆地的場址效應
圖片來源:邱世彬等人,2008
我們想讓你知道的是

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」。

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文:郭俊翔(國家地震工程研究中心)

每當有較大規模地震發生時,若臺北盆地之震動較周邊大,幾乎都可見到電視新聞及一般民眾朗朗上口地說這是因為「盆地效應」或「場址效應」所造成的震波放大現象,今天就來談談臺北盆地的場址效應。

場址效應是什麼?

我們來追溯最早的典故。據筆者所知,最早記載有關場址效應(Site Effect)的文獻是在距今超過100年前,由有現代地震學之父之稱的約翰.米爾恩(John Milne)於1898年所出版的《Seismology》(地震學)一書,書中原文提到,

It is an easy matter to select two stations within 1000 feet of each other where the average range of horizontal motion at the one station shall be five times, and even ten times, greater than it is at the other." (Milne, 1898, p. 81)

中文即是說,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世紀就藉由地震觀測,發現了震度可能也會因地而異(而且還可能落差很大),而造成落差極大背後的原因,就是地質條件差異,這也就是所謂「場址效應」。

臺北盆地場址效應的成因

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(我們覺得不好的)事,那就是:

  1. 地震波振幅加大(搖得變更大)
  2. 地震動延時加長(搖得變更久)

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。

筆者用一個簡單的短片來介紹場址效應,(取自921地震園區臉書專頁,參考連結),筆者認為影片中使用布丁模擬鬆軟土層的震動,透過簡單的實驗呈現,可讓一般民眾了解場址效應的現象。

在台灣,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,雖然發生在台灣中部,卻在臺北盆地造成相當嚴重的災情,包括松山賓館(東星大樓)和新莊博士的家兩棟高樓的倒塌,以及多棟建物的嚴重損毀。

圖1右上為集集地震時,位於臺北盆地內的TAP014民生國小強震站(上圖震波)和臺北盆地外的TAP067指南宮強震站(下圖震波)的加速度震波比較,位於盆地內的民生國小測站,位於鬆軟土層上,其最大加速度(PGA)值為107 gal,而位於盆地外的指南宮測站,位於堅硬岩盤上,其最大加速度值卻僅有36 gal,兩個測站與車籠埔斷層之距離差異不大,但其加速度振幅卻差了近3倍。若再看到右下之加速度反應譜(註1)圖,則可看出兩個測站的譜加速度值(Y軸)在不同週期(X軸)時有不同的振幅放大的情況,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。

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圖片來源:作者提供
圖1、集集地震時,臺北盆地內(TAP014民生國小)外(TAP67指南宮)測站的地震動加速度歷時(右上圖)及加速度反應譜(右下)。

再看另外一個例子: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

在國外有無類似臺北盆地的案例呢?不只有,還發生過慘重的災情。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2中所示,位於盆地內的SCT測站,PGA為170 gal,而位於盆地外圍的UNAM測站之PGA僅35 gal,兩者差異將近5倍,而由兩個測站的反應譜比較,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,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。

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圖片來源:作者提供
圖2、左圖:1985年墨西哥地震之震央與墨西哥市位置圖;右上圖:SCT測站和UNAM測站的加速度反應譜;右下圖:不同距離的測站加速度波形。

由於1985年地震的經驗,墨西哥政府早在90年代就開始推動地震預警(Earthquake Early Warning,如我們國內目前的強震即時警報)系統的設置,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,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,本當隨著距離而衰減的地震波在到達墨西哥市後又被放大,但數百公里的距離也給了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。有興趣者,可以參考IRIS對墨西哥地震所製作的科教影片

臺北盆地微分區

那麼臺北盆地要不要考慮因為特殊地質條件所造成的場址效應?當然要啊,國內的《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(註2)。

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(圖3),所考量的地震波週期由長到短依序為一區、二區、三區,也正好反應由深到淺的沖積層厚度變化。這個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地震動,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。

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圖片來源:邱世彬等人,2008
圖3、現行耐震設計規範的臺北盆地微分區圖。(邱世彬等人,2008)
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。類似的例子履見不鮮,除了上述的臺北盆地、墨西哥市外,還有像美國加州的舊金山、洛杉磯,以及日本的東京、大阪等,都是位於鬆軟土層上而人口稠密的大都市。

那麼怎麼辦?砍掉重練、把人都搬走嗎?目前世界上還未有能做到這樣的例子。但隨著科技的進步,先進國家都能制定合宜的耐震規範,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,年代已久且耐震力較弱,適當的補強或重建才能提高建物耐震力,更能確保居住的安全。

註釋

註1:加速度反應譜:地震波作用於簡單結構系統時,各週期震波會有不同的最大加速度值,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。

註2:設計反應譜:根據強震記錄評估不同地區可能受到的各週期地震動強度,制定出一人造反應譜,作為建築物建造時的耐震性能依據。

本文經震識授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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