地震預警的地震規模不準？別太苛責，因為那真的很難…

文／洪瑞駿 國立中央大學地球科學學系

2016年小年夜凌晨，南臺灣發生了規模6.6強震，成為台灣自九二一後，再一次的重災型地震。在此次地震中，學者注意到雖然震央在高雄美濃，在台南一帶卻出現異常大振幅的S波(圖一)，其中有些測站更出現加速度超過400cm/s²(相當於震度7級)的猛烈數值，這種突然的強力搖晃，讓部分樓房不堪一擊而倒塌。為什麼離震央較遠處的地方震度仍這麼大呢？ 而如果前個問題有科學上的解釋，我們有辦法從地震波剛開始到達，就得知地震後續的影響並加以預警嗎？

圖一， 美濃地震於新化量到實際的震波記錄，最大的S波並非在地震一開始，而是在S波後約4秒鐘。在震波還未出現就要預警正確的規模和後續的震度，確是難事(資料來源:中央氣象局)

地震源的能量表示—震源時間函數
科技發展提高了地震紀錄品質，加上電腦技術的進步，現今科學家因而能夠利用觀測到的震波進行反演，回推地震發生時的情況。以美濃地震為例，除了得知斷層面上的滑移情形(圖二a)，甚至可以模擬出破裂過程(圖二b)。回推出破裂過程隨時間的變化情形，就有辦法量化釋放的能量，若是我們從斷層開始破裂並能量釋放起，記下每一時刻釋放能量多寡，便可以畫出一條如圖三的紅色曲線，這條曲線便稱作｢震源時間函數｣，為單位時間下震源釋放地震能量的情形，而其曲線下面積則正比於地震整體能量的大小。

圖二(a) & (b)，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。(圖片來源:李憲忠，2016，會議簡報pp 10)

圖三，震源時間函數之概念。筆者自繪。

在地震不是非常大(例如規模6.5以下)，一般觀測到的震源時間函數多半為三角形，因此若是可以知道三角形的高(最大釋放能量)以及底邊 (對應的時間)，理論上我們是可以推估出該地震的能量的！ 然而，每一個地震就像你我是不同的人，有著不同的特徵，有些地震的震源時間函數非常長且複雜 (例如2006年7月爪哇規模7.7地震，地震源釋放能量時間超過170秒！) ，因此地震發生當下，我們仍很難從一開始的震波推估到底規模要多大，通常需要數秒的震波紀錄來確定地震的震源時間函數。而要確知震源時間函數形貌和能量要釋放的最大值在何時，以現今技術要做出預估仍十分困難。至於如何困難，要回到地震破裂時的物理學來闡述！

斷層面上的地栓何時破？破裂要多大？

多數地震的成因，為岩層受到應力擠壓後產生斷裂並產生震波 (編按：可參閱斷層上的短暫瞬間：動與不動之處(下))，這點或許你已明白，然而若想進一步了解過程，就會等同於需要了解：

•         斷層破裂面如何發生破裂？
•         滑動如何增加、又如何停止？

事實上，這取決於破裂能是否夠大，能夠讓周圍岩石繼續裂下去(圖四)。

圖四，破裂與材料體抗剪之示意圖。筆者自繪。

若是地震破裂能量大於材料體的抗剪強度(註1)，破裂中的斷層自然就會繼續擴張，繼續產生震波並釋放能量；然而若是能量小於抗剪強度，不足以推動斷層發展，破裂便終止，地震的能量也就不會再增加。至於岩石的破裂與否，則與地質材料組成、大地應力、材料體狀態(流變程度、含水量等)有關。另外，若是斷層破裂剛好觸發到原本擠壓應力較大的區域、或是接觸到較脆弱、潤滑的地區，便有可能引發突然巨大的滑移，這個位置稱作地栓 (asperity)，而地震釋放能量主要也都在地栓滑動瞬間增加，進而導致強烈搖晃，而上述過程所釋放的能量，便反映在震源時間函數的曲線上。

過去許多地震造成重災的根本原因，即是因為大規模或大面積的地栓滑動而引發劇烈振動。例如1999年集集地震，斷層破裂將近100公里，大型的地栓滑動出現在斷層北段的豐原、石岡一帶，斷層面劇烈滑動了16公尺，地表也錯開了將近10公尺(三層樓高)，造成石岡水壩損毀。長度較長或滑動面積較大的斷層，會讓震源時間函數也變得又長又複雜，也因此，要一開始就針對大型地震準確預估規模，難度會必較高。

2016年美濃地震，其地下的斷層從美濃一路破裂到台南，在台南下方也是因為出現這樣的大型錯動，形成強烈的S波，加上接近都市以及場址效應等因素而導致強烈的振動。雖然現今我們已有大致的概念了解到，地栓的範圍大概是整個斷層面的20%，然而要在地震發生前預先知道它的確切位置、發生破裂的時間點，以現在的科學來說，仍非常難準確預估。

救命的P波三秒

如果知難就不為的話，就不是科學家了！目前的科學雖有極限，但也能嘗試處理。若我們試著簡化問題，假設震源時間函數是個三角形的話，只要知道三角形的高(最大釋放能量)和一半的底邊(最大值出現時間)，就能算出其面積(參考圖五)，面積就是該地震釋放的總能量。根據過去觀測的經驗，地震規模小於6.5的斷層破裂較為單純，震源時間函數通常為單一的三角形。而此三角形底邊的一半大概就是3秒，因此地震學者只要觀測到震波開始的3秒，就能合理推估出震源時間函數，進而推出該地震的規模(圖五)。這便是所謂「P波三秒」的技術(請參考延伸閱讀1,3)，這樣的方式可以補足區域型地震預警系統(仍需約十秒多)的不足。但畢竟僅用了3秒的地震波形，當地震更大、震源破裂更複雜時，則該方法便捉襟見肘。因此對於每一次的地震，科學家們仍持續努力，也期望隨著日新月異的科學與技術進步，人類能早日摸清地震源的科學奧秘。

圖五，利用P波3秒解析震源時間函數進而推估地震規模之原理。(修改自Kanamori, 2005)

註1： 抗剪強度指的是材料體受到剪切力量時，材料體變形的難易程度，越不易變形者，抗剪強度越高。

延伸閱讀與參考文獻：

Kanamori, H. (2005), Real-time seismology and earthquake damage miti-gation, Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 33, 195 – 214, doi:10.1146/annure-v.earth.33.092203.122626.

Wu,Y.-M., and L. Zhao (2006), Magnitude estimation using the first three seconds P-wave amplitudein earthquake early warning. Geophys. Res. Lett., Vol. 33.,L16312. 

李憲忠 (2016) 震源破裂過程(會議簡報)， 105/02/06 ML6.4 高雄美濃地震學術研討會，2016年2月17日。

吳逸民，如何用地震初達波從事地震預警