地球聽診器--鑑古不只要知今，還要知其未來(Part2)

 本文節錄自《妙趣痕聲》一書〈地球聽診器〉部分內文，重新調整編排順序而成

講者／馬國鳳    中央研究院地球科學研究所聘研究員

撰文／阿樹   震識：那些你想知道的震識  副總編輯

地震學不只可以幫助我們觀測地震、研究地震，它還能進一步幫我們了解建築安全，以及評估「未來未知地震」的狀況，本文將一一的探討這些地震科學的應用與未來展望。

地球聽診器也是房子問診的神器

臺灣的地震儀密度已如此之高，但已經足夠了嗎？可能永遠都不夠，因為地球的聽診器還有更多不同的用途。其中，有個重要的用途就是擺在房子裡，幫我們看看房子是否安全。或許大家都有一種經驗，就是當感冒或是不舒服時，講話、唱歌的聲音頻率和原本的自己差很多。同樣的道理，這個情況也可以用在分析建築的妥善程度上。

地震波既然能穿過地底下的石頭，當然也能穿透建築物的鋼筋水泥。假設剛完工的建築是完美無缺的狀態，我們可以先記下建築對於小地震或是背景雜訊所產生的振動特性，而在發生大地震或者是使用多年後，可以再對建築的振動特性進行分析，比對是否和剛完工時的振動特性一致，如果有明顯不同，就代表建築可能有潛在的問題存在。為了分析振動特性，常常會需要把原始的地震波形資料從時間域轉換成頻譜域，也就是原來是以時間為橫軸的資料，在經過轉換後成為以頻率為橫軸的圖形，再加以分析。地震波的「頻率分析」是什麼概念呢？如果用人的聲音來比喻的話，就相當於在描述音色或音高的特質。

能大聲唱高音的歌手，他的頻譜分析可能就會是高頻的振幅（音量）比較明顯；而如果歌手的喉嚨有受傷或感冒時，我們就會發現在唱同樣歌曲時的頻譜分析結果也會長得不一樣，也就是我們俗稱的燒聲（喉嚨受傷）。

如果建築物裡只裝設一臺地震儀，那麼對於分析建築物振動特性的能力是有限的，因此通常會需要裝很多臺，而且數量愈多愈好。但是，若買一臺地震儀要花上一百萬臺幣，那麼買十臺就要花一千萬。這樣的花費對於只為了分析出建築物的健康而言，投資未免也太巨大了！但如果有更低價（比如一千元等級），而且仍可以收到需要的資料品質的地震儀，那麼就可以大量安裝，幫助我們達到監測建築物的目標（圖4-10）。由美國的史丹佛大學以及加州大學溪邊分校的兩位年輕學者柯克倫 (Elizabeth Cochran) 與勞倫斯 (esse Lawrence) 共同發起的捕震網 (QCN, Quake Catcher Network) 計畫以及開發的相關儀器，就包括了小型USB介面的微機電 (MEMS) 強震儀，這類型的儀器輕巧、方便，就能逐步實現將大量地震儀放置於建築內監測的計畫。目前馬教授的團隊也在積極整合國內對於地震科學與地震工程的專業，推動相關計畫的執行。

圖4-10  地震儀的價格與尺寸的關係。地震儀隨著價格 (price) 和尺寸 (size) 減小，可以裝設的量 (unit) 變得更大，應用將更廣泛。

而說到在建築物裡放置地震儀，或許有人也會想問：「地震時，高樓總會感覺搖晃特別大。那麼地震到底會隨著樓層放大多少，這個問題有辦法透過儀器得到準確的答案嗎？」因為每棟建築的特性總是不太一樣，這個問題在過去很難回答。比如在總高度為三十層的高樓中的第十層樓，和總高度為二十層的高樓中的第十層樓，即使兩棟樓房就坐落在隔壁，但因為建築本身的共振頻率不同，它們在同一個地震中受到地放大效果也會不盡相同（圖4-11）。所以當未來若有更多不同樓房類型、樓層高度的建築都擺設了許多地震儀，藉由更多的觀測資料，或許就可以更容易找到建築和地震之間的振動關係，說不定哪天還能做出分樓層震度的評估呢！

圖4-11  利用不同樓層中的QCN地震儀進行頻譜分析。來源出處：梁文宗博士。

從地震模型中尋求避災之道

地震工程上有一句名言：「殺人的是地震、不是房子。」地震主要造成的人命損失，絕大部分都是因建物倒塌或是後續的火災所造成的。故「大震不倒、中震可修、小震不壞」就是防範地震災情的重要目標。因此建築師設計房子時，地震學家可以藉由地震模型，分析未來地震的可能性，以提供建築師耐震設計的參考。

地震的機制雖然可以簡化成彈性回跳理論模型(圖4-15)，然而彈性回跳理論的模型中，我們對於斷層最不瞭解的部分，正是慢慢累積應力的第二階段，也就是應力長期間慢慢累積的過程。因為斷層上的應力從零逐漸累積一直到錯動的過程，所費的時間真的太久了，如果是大地震，可能會需要百年至千年以上，而我們能用全球衛星定系統或精密測量精確觀察到的部分，也就僅僅只有最近十幾年的資料。但如果是利用地質資料推算應力累積的變化，其中一些方法的誤差與不確定性又大，儘管統合計算是可行的，但沒辦法做得太精確。

圖4-15  「彈性回跳理論」的地震反覆循環機制示意圖

針對不同的資料，需要找尋它們可以使用的限制，並將這些資料依照可以相信的程度，以不同的權重加以分配計算，最後利用統計的方式來找出「最大發生的機率」。這又是一系列難以解釋的流程，簡化來說就是我們會依照各種資料，逐步建立發生機率的模型（圖4-16）。第一步驟為斷層模型，是利用地質資料剖繪出斷層的樣貌。第二步驟為變形模型，是將已知的斷層累積能量的資訊代入。第三步驟為綜合上述兩者得到地震發生機率模型，並利用已發生的地震資料、歷史地震或古地震資料，找出再現周期和其誤差範圍。在上述這些流程中，我們將所有可以調查到的資料都盡可能的套用到斷層發震的模型上。而像是地震再現周期的年份，也將會藉由統計運算轉換成機率以利風險評估。因此最後所得到的結果會以「未來〇〇年，〇〇斷層發生規模為〇〇地震的機率為百分之〇〇」來呈現。

圖4-16  活動斷層與孕震構造潛勢評估的四大流程。來源出處：Field, E. H. (2008). The uniform California earthquake rupture forecast, version 2 (UCERF 2) (Vol. 1138). US Geological Survey.

如果把地震發生機率的分析結果應用在一般住宅建築上，就會以五十年為目標時間，意思就是如果要蓋房子，就得讓房屋至少在未來五十年內不會因大地震而損壞。所以最常見的地震風險機率圖，上面所寫的數值就會以未來五十年的機率為主。比如中央地質調查所在2021年公布的「臺灣活動斷層未來發生規模6.5以上地震發生機率」，便標示出了在未來五十年內，哪邊發生大地震的機率較高，大家也就能依此圖瞭解到，應該趕緊去補強鄰近哪些斷層的建物了。而像是臺灣地震模型組織在2015年公布的「未來五十年地表振動強度機率分布圖」（圖4-17），更直接以模擬的結果告訴大家，未來五十年某個地方因為地震產生的最大震度有多大，而該地的房子就應該以此為標準來設計。不過對大眾來說，或許五十年有點太遠，而且並非人人都是住在新蓋好的房子中，所以也有些資訊會以未來三十年或十年做為呈現方式，如此一來對一般大眾應會更具實用性。

圖4-17  地表振動強度機率分布圖

讓電腦來演奏地球脈動：地震情境模擬

然而，不怕一萬，只怕萬一，防災的措施除了平時或是事前的準備，也包括災時的應變。前面提到的地震再現周期與發生機率統計，是為了讓防災的資源在平時能夠更全面分配，並不代表實際必然在幾年內會發生、或是發生在特定地點上，因為真實世界是極度難以預測的。這在天氣預報上已經有無數經驗：颱風的實際路徑若偏差個一點點，就可能帶來完全不同的災害分布與狀況。因此，除了我們平常一直宣導的趴下、掩護、穩住，或是防災演練應該要確實的實踐之外，還有一項非常重要的災害準備，就是「先想好災害發生時的狀況」，才不會到時慌了手腳！

過去，在某些國內外重大的地震事件發生過後，常有媒體會以訪問或談話性節目的方式詢問科學家：假如同樣的地震發生在臺灣，災害情況會怎麼樣？從防災的角度來看，這是好問題，但以科學角度來切入卻不容易回答，因為「沒有遇過的事，誰也說不準」。比如1909年，在臺北的下方70公里深處發生了規模7.3的地震，其災害傷亡歷史上算是相對少的，但當時的政治經濟中心並不在臺北，建築與人口密度也遠遠不如現在這樣密集，因此當時的資料可能無法做為現在災情預估的參考。實際上，我們還未曾經歷過在近代如此密集的建築下，強震所帶來的考驗。但與其等到真實的災害發生，還不如先就目前科學可以處理的方式，對於大地震來襲時的情況進行模擬（圖4-18）。

圖4-18  大規模的地震情境模擬流程圖。來源出處：顏銀桐 博士

地震情況的模擬當然需要愈接近真實才能真的發揮幫助，像是臺北盆地常會因為場址效應而放大震波，此時就需要針對盆地內的地質情況有充分瞭解才能準確地評估。想瞭解盆地內的地質情況就需要大數據的整合來幫助，前面提到利用大量的地震儀蒐集資料，會有助於分析出地底下的構造細節（圖4-19）。地震的位置、深度若是差了幾公里，則結果就會相當不一樣，因此高解析度的地下模型，可以協助我們更清楚地推估地面受地震影響的差異。

圖4-19 震後地震波傳遞之時空結果。來源出處：謝銘哲 博士

有了高解析的地震模擬，還需要瞭解地面上的建築特性，才能知道災損情況。不過在先前我們也提到，每棟建築因為樓高、型式、年份等各種因素各異，因此難以一概而論。而大量將地震儀放置於建築中，也非一蹴可及的事，因此至今仍有許多類型的建築缺乏這類的研究。而且即使有了這樣的資料，還需要能套用到真實的市區、街道之中。不過這方面問題稍稍容易一些，因為利用自動化空拍影像判讀街屋的型式，就可以概括出城市中的建築分布。綜合以上資料，若想推估某個行政區遇到大地震的災損結果，就會更加接近真實與準確。而有了這樣的結果，就可以判斷出城市中的何處較為脆弱，可以協助救災單位提前規畫，而政府也更能知道補強建物最需從哪裡做起。

但是，防災可能永遠都沒有盡頭，還是有非常長遠的路要走，而這就和地球科學所跨越的尺度之大有關。如果我們想要關注的重點是「人命關天」，那麼面對防災時，就不能單純只考量減災、減損，因為生命沒有輕重之分，每一次地震最理想的狀態是沒有人會因地震而死亡，這也是為什麼地震防災模擬的解析度愈高愈好。前面提到的高解析度，最多也就只能到達區域性的建築物。將解析度提高到每一條人命的程度，是我們未來的終極目標。

但若是往更大的尺度來看，大地震帶來的衝擊也不單只是一瞬間屋倒樓塌帶走的寶貴生命，在災後還有更多倖存的人需要面對災後的社會經濟衝擊與重建生活的挑戰。就算所有人都活下來了，然後呢？無論是九二一大地震的重建之路、八八風災後小林村的遷村故事，不僅傷痕難以癒合，回復之路還十分艱辛。當災害太過嚴重、沉重時，再多的災後填補也都是亡羊補牢。近年來對於暴雨洪災，常聽到「海綿城市」；而處理地震危害，需要的則是「智慧城市」（圖4-20）。前面提到的許多研究面向，都是成就智慧城市的一塊塊拼圖，包括高密度地震資料帶動的地震情境評估、以地震儀監控建築並結合衛星影像與街景，到最後考量社會的脆弱度以及災後能快速回復到正軌的能力。「智慧城市」拼圖需要的是跨界研究，而不僅僅只有地球科學的專業。期許我們能以科學家的研究來與政府、產業合作，將科學回饋於社會，建立一個面對災害時具有絕佳韌性的環境。

圖4-20  結合各個研究面向成就「智慧城市」