Microsoft Word - 臺灣東部外海之地震定位及其序列分析.doc

臺 灣 東 部 外 海 之 地 震 定 位 及 其 序 列 分 析 張 建 興 1 吳 逸 民 1 中 央 氣 象 局 2 國 立 台 灣 大 學 地 質 科 學 研 究 所 2 摘 要 本 研 究 綜 合 臺 灣 與 日 本 兩 地 之 地 震 測 站 的 震 波 走 時, 利 用 層 析 成 像 法 (Tomography) 逆 推 以 臺 灣 東 部 外 海 地 區 為 主 體 的 三 維 速 度 模 型, 並 以 建 構 的 三 維 速 度 模 型 進 行 臺 灣 東 部 外 海 地 震 之 重 新 定 位 地 震 在 重 新 定 位 後, 由 誤 差 統 計 結 果 顯 示, 其 相 較 於 以 一 維 速 度 模 型 定 位 之 誤 差 明 顯 降 低, 且 地 震 分 布 與 臺 灣 東 部 弧 陸 碰 撞 系 統 下 之 孕 震 構 造 (seismogenic structure) 有 較 佳 的 契 合 度 在 分 析 局 部 發 生 的 地 震 序 列 如 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 以 及 2002 年 之 331 地 震 事 件, 配 合 其 震 源 機 制 解, 亦 可 由 重 新 定 位 結 果 判 別 其 可 能 的 斷 層 面 前 言 在 臺 灣 地 區 的 地 震 觀 測 資 料 中, 臺 灣 東 部 外 海 歷 年 來 常 有 強 震 發 生, 顯 現 了 相 當 高 的 地 震 活 動 趨 勢 就 地 質 構 造 而 言, 此 地 區 以 菲 律 賓 海 板 塊 為 主 體, 在 弧 陸 碰 撞 的 聚 合 運 動 架 構 下, 菲 律 賓 海 板 塊 在 臺 灣 東 部 海 域 向 北 隱 沒, 並 由 南 而 北 形 成 非 常 複 雜 的 地 體 構 造 系 統, 包 括 花 東 海 盆 琉 球 海 溝 耶 雅 瑪 海 脊 南 澳 海 盆 系 列 琉 球 島 弧 以 及 沖 繩 海 槽 等 在 地 震 活 動 方 面, 除 了 在 地 殼 深 部 以 下 有 明 顯 的 班 氏 帶 (Benioff zone) 之 外, 在 琉 球 島 弧 之 後 則 有 沖 繩 海 槽 的 擴 張 運 動, 並 伴 隨 發 生 極 淺 層 之 震 源, 而 在 弧 前 的 擠 壓 運 動 下, 地 震 活 動 更 有 勝 於 前 者 此 區 之 孕 震 構 造 (seismogenic structure), 歷 史 上 (1920 1966 年 ) 曾 發 生 過 規 模 約 8.0 之 強 烈 地 震, 近 十 多 年 來, 規 模 6.0 以 上 之 地 震 計 發 生 二 十 餘 次, 其 中 有 二 起 地 震 發 生 在 地 殼 內, 並 引 發 了 明 顯 的 地 震 序 列, 包 括 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 以 及 2002 年 331 災 害 地 震, 地 震 威 脅 不 容 輕 忽, 其 孕 震 構 造 亦 值 得 深 入 探 討 但 就 臺 灣 地 區 地 震 觀 測 站 之 分 布 位 置 看 來, 這 些 地 震 均 位 於 地 震 網 之 外, 定 位 資 料 以 傳 統 或 例 行 方 式 處 理 時, 其 精 確 程 度 並 不 理 想, 也 模 糊 了 此 區 域 孕 震 構 造 的 型 態 近 年 來, 由 於 地 震 相 關 研 究 在 定 位 方 法 上 有 了 顯 著 的 進 步, 並 使 定 位 結 果 之 精 確 度 有 所 提 升, 實 可 善 加 應 用 於 此 區 域 的 孕 震 構 造 研 究 本 研 究 之 目 的, 即 藉 目 前 地 震 定 位 研 究 發 展 較 佳 的 定 位 方 式, 將 此 區 域 之 地 震 資 料 進 行 重 新 定 位, 以 求 得 較 正 確 的 地 震 分 布, 使 研 究 區 域 內 之 孕 震 構 造 有 較 清 晰 的 輪 廓, 並 能 為 未 來 臺 灣 地 區 之 地 震 研 究 與 觀 測 設 施 擴 展 至 東 部 海 域 時, 取 得 先 期 性 的 評 估 資 訊 地 震 定 位 速 度 模 型 之 建 立 地 震 定 位 是 觀 測 地 震 最 基 礎 的 工 作 項 目 之 一, 震 源 位 置 亦 是 地 震 最 基 本 的 參 數 在 地 震 相 關 研 究 中, 地 震 定 位 提 供 最 基 本 的 資 料, 廣 泛 使 用 於 孕 震 構 造 之 探 討 地 震 定 位 之 精 確 度 主 要 取 決 於 速 度 構 造 的 解 析 程 度 (Chiu et al.,1997), 在 確 知 地 下 速 度 分 布 的 情 況 下, 即 若 僅 利 用 少 數 測 站 的 觀 測 資 料, 亦 能 做 出 高 準 確 度 的 地 震 定 位, 而 在 不 十 分 確 定 速 度 構 造 之 區 域 時, 則 可 使 用 震 波 資 料 的 品 質 聯

合 測 站 的 空 間 分 布 和 地 震 定 位 方 法 等 項 目, 以 提 高 地 震 定 位 的 精 確 度 臺 灣 位 於 海 陸 板 塊 的 聚 合 區 域, 地 震 定 位 有 必 要 以 三 維 速 度 模 型 處 理 (Hypo3D), 其 精 確 度 勢 必 優 於 以 一 維 速 度 模 型 計 算 理 論 震 波 走 時 之 定 位 (Hypo1D) 結 果, 因 此 建 立 臺 灣 東 部 地 區 之 三 維 速 度 模 型, 為 本 研 究 進 行 時 之 首 要 工 作 由 於 本 研 究 所 要 分 析 的 區 域, 地 震 多 位 於 臺 灣 地 震 網 之 外, 若 僅 利 用 臺 灣 本 島 的 觀 測 資 料 分 析 三 維 速 度 模 型, 在 測 站 分 布 覆 蓋 性 不 佳 的 狀 況 下, 仍 存 在 波 徑 控 制 不 良 的 疑 慮, 因 此 本 研 究 進 一 步 使 用 聯 合 測 站 的 空 間 分 布 加 以 箝 制 震 波 路 徑, 即 取 用 日 本 氣 象 廳 於 與 那 國 島 以 及 宮 古 島 等 地 的 觀 測 資 料, 在 綜 合 臺 灣 與 日 本 兩 地 測 站 震 波 走 時 之 條 件 下 推 算 三 維 速 度 構 造 本 研 究 以 層 析 成 像 法 (Tomography) 逆 推 計 算 研 究 區 域 的 三 維 速 度 模 型 為 避 免 逆 推 時, 解 析 度 過 於 偏 重 在 測 站 與 高 地 震 活 動 度 之 間 的 區 域, 權 衡 地 震 分 布 與 波 線 的 均 勻 性, 先 以 區 塊 化 分 三 度 空 間 ( 經 度 緯 度 與 深 度 ) 自 1991 年 至 2005 年 的 地 震 資 料, 在 每 個 區 塊 (0.1 *0.1 *10 公 里 ) 中 選 取 2 個 測 站 震 波 到 時 數 目 最 多 的 地 震, 並 且 以 測 站 數 必 須 超 過 15 個 為 選 取 條 件 圖 一 所 示 為 逆 推 三 維 速 度 模 型 所 選 用 的 地 震 資 料 之 分 布, 此 組 地 震 資 料 共 計 選 取 了 7,200 筆, 其 中 有 3,543 筆 資 料 含 有 日 本 測 站 之 震 波 到 時 ; 走 時 紀 錄 總 計 在 120 個 測 站 位 置 接 收 到 265,129 個 P 波 到 時 以 及 187,550 個 S 波 到 時 之 讀 值, 據 以 推 算 24,786 個 速 度 參 數 圖 中 實 心 三 角 形 為 地 震 測 站 的 位 置,`+ 字 符 號 為 設 定 速 度 分 析 之 格 點 位 置, 在 水 平 方 向 (X Y) 計 有 27*27 個 格 點, 垂 直 分 布 則 設 置 了 17 個 格 點 本 研 究 逆 推 演 算 三 維 速 度 模 型 之 軟 體 是 採 用 Thurber and Eberhart-Phillips(1999) 所 發 展 之 SIMULPS12 程 式 在 過 去 的 地 震 相 關 研 究 中, 已 有 學 者 (Rau & Wu,1995;Ma et al.,1996) 以 層 析 成 像 法 分 析 臺 灣 地 區 之 三 維 速 度 構 造, 但 多 以 臺 灣 陸 地 為 主 體, 對 於 本 研 究 分 析 區 域 並 不 適 用 本 研 究 經 由 層 析 成 像 逆 推 所 獲 之 速 度 構 造, 以 其 進 行 地 震 地 位 時, 可 明 顯 降 低 定 位 之 誤 差 圖 二 為 地 震 定 位 誤 差 之 比 較, 本 研 究 在 東 經 121.5 至 124.5 北 緯 23 至 26 之 區 域 內, 選 取 了 9443 筆 同 時 為 臺 灣 地 震 測 網 (CWBSN) 與 日 本 地 震 測 站 (JMA) 記 錄 的 地 震 資 料, 分 別 以 CWBSN 例 行 一 維 速 度 定 位 綜 合 CWBSN 與 JMA 震 波 到 時 之 一 維 速 度 以 及 三 維 速 度 定 位 方 式, 比 較 其 間 的 定 位 結 果 與 誤 差 分 布 表 一 為 三 者 定 位 包 括 震 波 走 時 殘 差 均 方 根 (RMS) 水 平 方 向 誤 差 (ERH) 與 深 度 方 向 誤 差 (ERZ) 之 統 計 (Flinn,1965), 由 此 組 數 據 可 推 知, 經 本 研 究 建 立 的 三 維 速 度 模 型, 有 效 降 低 了 此 區 域 整 體 的 地 震 定 位 誤 差, 亦 符 合 層 析 成 像 法 之 要 義 表 一 本 研 究 統 計 不 同 地 震 定 位 方 式 所 呈 現 之 定 位 誤 差 誤 差 項 定 位 方 式 CWBSN 震 波 到 時 Hypo1D CWBSN & JMA 震 波 到 時 Hypo1D CWBSN & JMA 震 波 到 時 Hypo3D RMS(sec) 0.38±0.17 0.46±0.15 0.26±0.08 ERH(km) 2.73±3.80 1.38±0.95 0.37±0.26 ERZ(km) 3.71±6.75 1.81±1.38 0.49±0.42 地 震 重 新 定 位 之 結 果 與 序 列 分 析 臺 灣 東 部 外 海 地 震 之 背 景 活 動 相 當 頻 繁, 在 時 空 的 條 件 上, 本 研 究 選 擇 1991

年 至 2005 年 間 東 經 121.5 以 東 地 區 之 地 震 進 行 三 維 速 度 模 型 的 重 新 定 位, 在 地 震 資 料 上, 則 以 規 模 3.0 以 上 且 優 於 10 個 測 站 震 波 到 時 之 條 件 加 以 篩 選, 圖 三 (A) 為 選 取 的 18,217 個 由 CWBSN 例 行 定 位 之 地 震 分 布, 經 由 本 研 究 以 三 維 速 度 重 新 定 位 後, 其 分 布 如 圖 三 (B) 所 示 地 震 在 重 新 定 位 後, 局 部 分 布 有 較 密 集 之 趨 勢, 尤 其 是 位 於 沖 繩 海 槽 與 南 澳 海 盆 系 列 之 淺 層 地 震, 地 震 帶 狀 分 布 趨 向 線 形 化 圖 中 利 用 色 階 所 呈 現 的 隱 沒 構 造, 其 分 布 亦 較 有 層 次 化 的 在 琉 球 島 弧 北 部 向 日 本 群 島 方 向 延 伸 大 致 上, 越 偏 離 臺 灣 本 島 的 地 震 有 較 大 的 偏 移 修 正, 整 體 定 位 平 均 誤 差 ( 如 表 一 ) 之 RMS 約 縮 減 30%,ERH ERZ 縮 減 幅 度 則 可 達 70% 以 上 對 於 臺 灣 東 部 外 海 所 發 生 的 地 震 序 列, 本 研 究 選 擇 最 明 顯 的 兩 起 地 震 事 件, 以 重 新 定 位 後 的 序 列 分 布, 分 析 其 可 能 的 地 震 斷 層 面 解 (fault plane solution) 這 兩 起 地 震 依 序 為 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 以 及 2002 年 之 331 地 震 事 件, 其 序 列 發 生 於 圖 三 (B) 中 之 框 選 區 域, 方 框 之 中 的 星 形 符 號 為 主 震 位 置 表 二 為 本 研 究 蒐 集 自 Harvard seismology 與 BATS 所 分 析 公 佈 兩 次 地 震 之 震 源 機 制 解 (focus mechanism), 為 了 分 析 系 統 的 一 致 性, 本 研 究 主 要 參 考 Harvard 的 震 源 機 制 資 料 (BATS 於 1995 年 開 始 公 佈 分 析 結 果 ) 本 研 究 擷 取 地 震 序 列 在 主 震 發 生 之 後 兩 個 月 內 的 重 新 定 位 資 料, 探 討 其 可 能 的 斷 層 面 解 圖 四 為 本 研 究 之 分 析 結 果, 其 解 並 以 `* 符 號 標 記 於 表 二 在 垂 直 震 源 機 制 節 面 (node planes) 之 地 層 剖 面 上, 如 圖 四 上 部 所 示 之 AA 測 線, 於 此 切 面 檢 視 地 震 序 列 之 分 布 ( 圖 四 下 部 ), 配 合 震 源 機 制 之 側 投 影, 概 略 可 辨 別 出 序 列 分 布 所 對 應 的 節 面 傾 斜 線 表 二 本 研 究 分 析 地 震 序 列 其 主 震 之 震 源 機 制 參 考 資 料 地 震 事 件 震 源 機 制 來 源 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 Harvard# BATS Strike Dip Rake Strike Dip Rake *fp1:343 24-172 fp2:246 87-66 (uncreated) 2002 年 3 月 31 日 331 災 害 地 震 *fp1:292 32 121 fp2: 77 63 72 fp1: 97 44 85 fp2:284 46 95 註 #: 本 研 究 選 用 的 震 源 機 制 參 考 資 料,*: 以 重 定 地 震 序 列 分 布 推 斷 之 斷 層 面 解 討 論 與 結 論 臺 灣 地 區 地 體 構 造 複 雜, 由 於 彈 性 波 速 屬 於 地 質 材 料 重 要 的 物 理 特 性 之 一, 以 此 足 以 推 論 臺 灣 與 鄰 近 東 部 外 海 之 地 下 速 度 分 布 必 迥 異 於 層 狀 速 度 構 造 在 本 研 究 以 不 同 地 震 定 位 方 式 所 呈 現 定 位 誤 差 之 比 較 中 ( 圖 二 與 表 一 ), 於 第 二 項 定 位 測 試 時, 雖 然 地 震 資 料 為 較 佳 的 測 站 覆 蓋 ( 結 合 CWBSN 與 JMA 震 波 到 時 ), 其 ERH ERZ 數 值 亦 較 例 行 定 位 之 結 果 有 所 改 善, 但 RMS 數 值 卻 增 大, 主 要 是 因 為 有 部 份 地 震 之 定 位 結 果 收 斂 至 局 部 最 小 誤 差 (local minimum error) 所 致, 這 些 錯 誤 定 位 的 地 震 多 發 生 在 沖 繩 海 槽 與 之 偏 北 地 區 ( 圖 二 之 (B)), 實 際 上, 其 應 為 隱 沒 構 造 深 層 的 地 震 此 一 結 果 除 了 說 明 在 臺 灣 東 部 外 海 地 區 之 一 維 理 論 速 度 模 型 與 實 際 的 地 下 速 度 分 布 有 明 顯 的 差 距, 另 亦 突 顯 了 在 未 有 靠 近 震 央 P S 震 波 到 時 之 控 制 時, 雖 然 是 在 地 震 網 內 發 生 的 地 震, 但 Hypo1D 亦 有 可 能 產 生 極 大 的 錯 誤 若 在 此 地 區 增 設 海 底 地 震 觀 測 設 施, 將 可 有 效 避 免 造 成 此 一 形 態 的 錯

誤 發 生 此 外, 如 圖 二 (C) 定 位 誤 差 隨 測 站 覆 蓋 空 缺 角 度 (Gap) 之 分 布 所 示, 由 於 三 維 速 度 模 型 趨 近 實 際 的 地 體 速 度 構 造, 可 大 幅 降 低 測 站 覆 蓋 性 對 地 震 定 位 誤 差 的 影 響 程 度 本 研 究 以 三 維 速 度 模 型 重 新 定 位 臺 灣 東 部 外 海 之 地 震, 雖 然 在 整 體 定 位 誤 差 方 面 有 明 顯 改 善 地 震 分 布 亦 多 呈 聚 斂 趨 勢, 但 在 本 研 究 分 析 臺 灣 東 部 外 海 之 地 震 序 列 時, 局 部 較 小 區 域 的 地 震 分 布 仍 存 在 改 善 空 間 事 實 上, 在 構 造 複 雜 地 區 要 完 全 模 擬 其 實 際 的 速 度 模 型, 就 層 析 成 像 法 在 理 想 的 分 析 上, 是 有 其 地 震 事 件 與 測 站 幾 何 分 布 配 置 的 困 難 度 存 在, 而 逆 推 大 區 域 的 精 細 速 度 構 造, 也 常 受 限 於 計 算 機 之 功 能 因 此 本 研 究 認 為, 地 震 定 位 利 用 Hypo3D 可 求 得 較 正 確 的 絕 對 位 置, 局 部 的 相 對 位 置 則 可 再 採 用 其 他 的 地 震 定 位 方 法 ( 例 如 JHD HypoDD) 加 以 修 整 由 於 小 尺 度 的 孕 震 構 造 可 能 以 多 種 不 同 的 幾 何 位 態 呈 現, 除 了 改 善 地 震 相 對 位 置 之 定 位 方 法 可 使 孕 震 構 造 型 態 更 加 清 晰 外, 利 用 震 源 機 制 節 面 判 定 孕 震 構 造 的 破 裂 面, 則 更 可 顯 示 地 震 分 布 所 代 表 之 意 涵, 這 也 將 為 本 研 究 後 續 努 力 的 重 點 工 作 參 考 文 獻 Chiu, J. M., S. C. C. Chiu, and S.G. Kim, 1997. The Significance of the Crustal Velocity Model in Local Earthquake Locations from a Case Example of a PANDA Experiment in the Central United States. Bull. Seism. Soc. Am., 87, 1537-1552. Flinn, E. A., 1965. Confidence regions and error determinations for seismic event location. Rev. of Geophy., 3, 157-185. Ma, K. F., J. H. Wang, and D. Zhao, 1996. Three-dimensional seismic velocity structure of the crust and uppermost mantle beneath Taiwan. J. Phys. Earth, 44, 85-105. Rau, R. J., and F. T. Wu, 1995. Tomographic imaging of lithospheric structures under Taiwan. Earth Planetary Science Letters, 133, 517-532. Thurber, C. and D. Eberhart-Phillips, 1999: Local earthquake tomography with flexible gridding. Comp. Geosci., 25, 809-818.

圖 一 本 研 究 推 算 三 維 速 度 模 型 所 選 用 的 地 震 資 料 之 分 布 圖 地 震 資 料 共 計 7,200 筆, 圖 中 `+ 字 符 號 為 設 定 速 度 分 析 之 格 點 位 置 (X*Y*Z 為 27*27*17), 實 心 三 角 形 為 地 震 測 站 之 位 置

圖 二 本 研 究 以 不 同 定 位 方 式 比 較 其 結 果 之 地 震 分 布, 並 在 測 站 覆 蓋 空 缺 角 度 (Gap) 相 異 之 情 況 下, 比 較 其 間 的 誤 差 分 布 由 於 三 維 速 度 模 型 趨 近 實 際 的 地 體 速 度 構 造, 大 幅 降 低 測 站 覆 蓋 性 對 地 震 定 位 誤 差 的 影 響 程 度

圖 三 臺 灣 東 部 外 海 地 震 在 重 新 定 位 前 (A) 後 (B) 之 地 震 分 布 圖 重 新 定 位 後, 局 部 構 造 之 地 震 有 較 密 集 之 趨 勢, 尤 其 是 位 於 沖 繩 海 槽 與 南 澳 海 盆 系 列 之 淺 層 地 震 圖 (B) 中 編 號 (1) 與 (2) 之 虛 線 方 框, 為 本 研 選 取 地 震 序 列 分 析 之 區 域, 依 序 為 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 以 及 2002 年 331 地 震, 星 號 為 其 震 央 位 置

圖 四 本 研 究 分 析 臺 灣 東 部 外 海 地 震 序 列 事 件 之 斷 層 面 解, 圖 (1) 為 1994 年 5 月 24 日 花 蓮 外 海 地 震 (2) 為 2002 年 331 地 震 各 圖 上 半 部 為 地 震 序 列 ( 主 震 發 生 後 60 日 內 ) 之 震 央 分 布, 下 半 部 為 震 源 剖 面 分 布 震 源 機 制 參 考 哈 佛 大 學 (Harvard University) 地 震 研 究 網 頁 公 佈 之 分 析 結 果