台灣雙地震似乎引發了建築物倒塌的「殺手脈衝」

這次的地震震動程度比2500年回歸週期預期的還要大。前震可能留下了主震即將來臨的預兆。
 

陳薇安、詹忠翰 (中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心)
 

Citation: Chen, W., Chan, C., 2022, Taiwan’s double earthquake appears to have launched a ‘killer pulse’ that toppled buildings, Temblor, http://doi.org/10.32858/temblor.274
 

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9月17日晚上9點30分一過台灣東南部的台東關山地區發生規模6.4的強震。地震發生後兩小時內發生了數十個規模4.0以上的餘震。這個地震十七小時後，台東池上發生規模6.8地震，造成嚴重災情。

假設該地區在不久的將來沒有更大的地震的話，目前認定規模6.4地震是前震，而更大的規模6.8地震為主震。這樣的前震-主震序列確實曾發生在台灣和其他地方，因此我們在這裡探討在主震之前是否有任何前兆信號。我們還分析了2020年台灣地震風險評估是否成功預測了主震。
 

前震紅綠燈

一些研究人員認為，在給定時間段內某個地區發生的小地震與大地震的比率（稱為b值）估計地殼中的應力量（Schorlemmer 等，2005）。低 b 值意味著與較小的地震相比，大地震次數比正常狀況下更頻繁。這可能意味著一個地區沒有藉由小地震釋放足夠的應力，可能在為大地震積累應力。

一些研究人員基於這一理論，認為地震序列中 b 值的變化可能預示著即將發生的大地震（Gulia 和 Wiemer，2019 年）。科學家使用「前震紅綠燈系統」（Gulia 和 Wiemer，2019 年）監測地震群。綠色表示此時b值較高，可能代表地震活動更像是餘震序列，預計不會發生更大的事件；相反地，紅燈表示b值較低，可以將這種狀況解釋為應力正在積累，並且可能在短時間內發生規模更大的地震。

我們分析了過去五年附近地震（包括最近發生的事件）的資料，在這次地震序列中評測前震紅綠燈理論。根據b值的計算結果，在過去五年中保持穩定，直到在規模6.4前震後下降了14%——從 2017-2022 年的 0.78 降至今年 9 月 17-18 日的 0.67。紅色和綠色之間的評估閾值是的10%的b值變化，這表明在這種情況下「前震紅綠燈系統」顯示紅色警戒。b 值變化大於計算中的不確定性（圖 1 中的虛線），證實 b 值隨時間變化的顯著性。我們進一步分析了 9 月 18 日主震後的餘震序列，發現 b 值已增加到 0.71，表明紅綠燈變回黃色。
 

 

根據斷層滑動方向和地震發生的位置，主震很可能沿著中央山脈結構（下圖中的第 34 號）發生，這是一個長86公里（53 英里）的結構，與縱谷斷層（第 3 號）平行。（下圖中的 33）亦即歐亞大陸和菲律賓海構造板塊之間的邊界。台灣地震模型（TEM；Chan et al, 2020）中顯示中央山脈構造有較高的破裂概率：未來25年有9 %的機率。根據 Chan 等人（2020）的分析指出，這個斷層是台灣地震危害最大的斷層之一。
 

 

為了了解規模 6.8 地震對附近建築結構的影響，我們分析了其地震波可能造成的潛在破壞。由被稱為方向性或「殺手脈衝」所引發的現象，在震央北方26 公里（16 英里）的地震觀測站記錄到的地震強度特別高。當能量集中在斷層破裂的方向時，就會出現這些高破壞性地震波。
 

 

地震規模與斷層的滑動列表面積成正比。隨著地震的發展，破裂區域沿斷層平面擴大。地震波沿破裂方向累積，就像都「卜勒效應」一樣將產生更大的地震波。根據美國地質調查所（U.S. Geological Survey）的計算，中央山脈構造由南向北部地震觀測站破裂。殺手脈衝可能與該地震觀測站附近的一棟三層建築倒塌有關，但仍需要更多的分析來證實。

每棟建築物有一個自然的搖擺週期；較高的建築物比較矮的建築物需要更長的時間來完成一次擺動。當地震波與建築物的自然週期或共振週期相同時，建設性干涉會導致震幅增加，從而使建築物劇烈搖擺。

在規模6.8主震時，地震波在0.2-0.6秒的週期內有較大的震動幅度，與許多低矮建築的自然共振週期相似。地震波對某些建築物施加的力超過了設計地震（工程師用來檢驗新結構的彈性的理論地震事件）和台灣建築規範的最大可信地震（根據地質和地震學證據），顯示低矮建築可能受到此次地震的強烈影響。
 

 

儘管地震是不可預測的，但對地震數據的仔細分析可以為科學家提供未來事件的線索。這些工具能夠在下次大地震前發出潛在威脅預警，讓位處於地震帶的人們更可以保護自己。
 

References

Gulia, L., & Wiemer, S. (2019). Real-time discrimination of earthquake foreshocks and aftershocks. Nature, 574(7777), 193-199.

Schorlemmer, D., Wiemer, S., & Wyss, M. (2005). Variations in earthquake-size distribution across different stress regimes. Nature, 437(7058), 539-542.

Chen, Z. Y., & Liu, Z. Q. (2019). Effects of pulse-like earthquake motions on a typical subway station structure obtained in shaking-table tests. Engineering Structures, 198, 109557.