自由场测站强地动参数之预估与修正

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1、自由場測站強地動之預估與修正 自由場測站強地動之預估與修正 鍾仁光鍾仁光1、黃柏壽、黃柏壽2 1 清雲科技大學通教育中心 清雲科技大學通教育中心 2 中央研究院地球科學研究所 何美儀、泉 中央氣象局地震測報中心 中央研究院地球科學研究所 何美儀、泉 中央氣象局地震測報中心 摘 要 摘 要 用 Random Vibration Theory 分別推算出適用於台灣部的淺震源及深震源 地震震波地表最大振幅（PGA 與 PGV）之衰減模式，做為所有部 CWB/TSMN 自由場測站未在預估強地動的一個依據。本文從 54 個中規模以上地震之 3,874 筆水平分觀測資分析出個別測站之尖峰地動值的修正，對於

2、淺震源 地震而言，PGA 最大修正值約為 2.0，而 PGV 大致可達到 3.0 左右，而考測站 的修正係大部分在 1.01.2 的範圍內；而在深層地震方面，其分布型態與淺震源的結果相似，鬆軟地盤測站之 PGA 或 PGV 修正係大致上在 2.0 左右。 In this study, the peak ground acceleration (PGA) and peak ground velocity (PGV) attenuation models were obtained using a statistical tool called the random vibration theor

3、y, which are suitable for the shallow and deep earthquakes of the northern Taiwan, respectively. Based on these models, each free-field strong motion station of TSMN can be evaluated to find the empirical correction factor for predicting the peak ground parameters by analyzing the selected historica

4、l recordings. For the shallow events, the correction factors could reach to 2.0 for PGA, and 3.0 for PGV with large variation. The factors for reference sites are generally ranging from 1.0 to 1.2. 壹、計畫目的與資選取 壹、計畫目的與資選取 震源譜、震波衰減特性以及場址效應是影響地動為的關鍵因子，惟有綜183合各研究之成果，進一步瞭解其間之相關性，預估可能發生破壞性地震的位置與 規模，最終才能模擬各

5、地區假想地震的強地動特性，以提供考據予地震工程 與建築設計制訂標準之所需。根據文獻研究與經驗（如：辛在勤，1998；坤 松，1999） ，TSMIP 強地動觀測網在各大會區的史地震資顯示出強的場址 效應，且地震震源破特性在同地區確實同，用涵蓋全台之地震與強震 紀推導地動衰減關係式，其散程可能居高下，因此有必要用分區的地 震以及分區的測站資進個別強震測站之場址修正因子(site factor)之估算，以做 為強震預估之修正。 本研究用散震盪(Random Vibration Theory, RVT) (Cartwright and Longuet-Higgins, 1956; Boore, 19

6、83)估計地表地動（加速、速）的尖峰值，所 需建置的包括：震源譜、地殼衰減函（幾何擴散模式、非彈性 Q 模式） 、地 動延時的距函，這些模式可以由大的強地動紀迴歸獲得。基本原是， 挑選場址效應明顯的岩盤或近似岩盤測站之紀進分析，其地動距衰減 關係即當成考值，而盆地或平原測站之實測值可與考值做出比較求得修正 係（包含場址效應在內） ，做為未強地動測報修正之基礎。 本計畫為三計畫(9698 )，第一研究的目標區域為大台地區，分析 的資型態為強震波形（CWB/TSMN 資） ，希望能估計 TSMN 在台地區各自 由場測站的強地動經驗修正係，做為未強震侵襲下的地動值預估之用。為符 合中央氣象局地震速報

7、（或預警）系統和未災害評估之需求，本計畫僅挑選 TSMIP 正式運作之後 ， 台灣中部以所發生的地震 ， 芮氏地震規模 ML須在 5 以上 ， 且台地區的強震測站必須至少有 50%以上的觸發。 首先，為要篩選出岩盤或近似岩盤（場址分為 B 或 C）之考測站，考慮 因地表土層激發表面波的可能性，第一階段乃選擇震源深大於 35 公的深震源 地震共計 21 個（表一） ，希望由強震紀各分富氏振幅譜之形式特徵歸納出 部山區的幾個考測站，以該等測站之強震紀建堅硬地盤之強地動衰減 模式，做為後續計算所有測站地動之相對放大倍的考值。第二階段則選擇震 源深小於 35 公的淺源地震共計 33 個（表二）進分析，

8、目的是為瞭解 同震源深地震對場址效應之影響，本計畫亦同時分析深震源紀作為比對。從 圖一所示淺震源地震多分布在目標區域的東南方地及太平洋海域，震央距約 在 20150 公的範圍。深震源地震則大多分布在宜地區正下方以及其東方海 域，此組地震資除進考站之篩選分析外，由於台灣部地區的潛在震源184包括深震及淺震，因此本計畫將分成組分別進最大加速、最大速衰減 之推求，比較者之差，為往後探討震源效應之準備。 貳、資處 貳、資處 為確保強震資之可用性，本計畫完成 19932006 間超過千五百筆三分 強震記圖之波形檢視，並完成包括基線修正、突跳點修正與餘弦窗制等必要 步驟。為篩選考測站，用深震源地震在場址分

9、為 B、C 的測站所記的強震 波形，計算其三分的富氏振幅譜並繪圖比較 （圖二） ，進波譜形特徵之分， 挑出場址放大效應最低的 39 個山區的考測站（表三） ，圖三顯示這些考測站 分布的地區，大致集中在雪山山脈山區。為增加觀測資，除表一及表二所 之中規模以上之地震外，本計畫亦搜尋並加入考測站所記到規模 46 之近距地震（震央距 50 公內） ，包括 29 個深震源以及 54 個淺震源，使資 的涵蓋面為完整。因此，本計畫分析的淺震與深震強震資分別為 846 筆與 550 筆，作為計算振幅衰減特性的考測站紀資庫。 、震波衰減特性 、震波衰減特性 首先用 Coda 波正規化法(Coda Normali

10、zation Technique)求取震波之振幅衰 減的距與頻經驗函，根據此經驗函轉換成部地區 S 波的 Q 模式；另一 方面，從考測站震波紀獲取強地動延時的距函，並假設震源函，用 Random Vibration Theory 求出 PGA、PGV 的規模與距關係，作為部地區強地 動預估的考模式，進而推求場址放大因子之區域分布。 地震波紀的振幅通常可以表示為下式： )()()()()(ISPEa= (1) 式中)(a代表地動的尖峰值，)(E為震源效應，)(P為震波傳遞綜合效應，)(S 為場址效應，)(I為儀器響應。分析TSMN同自由場強震儀的加速紀時，因儀器響應在研究的頻範圍（0.25 Hz

11、）內可視為相同，故可將式(1)改寫為 )(log),(log),(log),(logfSfrrPfrEfrarefref+= (2) ),(fra為在震源距為 r 處所記到頻 f 之尖峰加速，為假設震源距),(frEref185為refr假之震源項，此處的考震源距refr可任意選擇，一般採用資範圍的中間值。在設一個標準的震源模式下，震源可以求出，但是震波傳遞的衰減項與 場址效應之組合尚且無法分。為解決這個問題，考Raoof et al. (1999)以及 Malagnini et al. (2000)的方法，假設震波時記中，Coda波的特性為一線性過 程，而且其震源效應與場址效應與S波或Lg波

12、的效應相同，亦即Coda波的rms 振幅ac可以表示為 log),(logfra項,rref)(log)(log),(fSfrPfrEccrefcc+= (3) 根據Coda normalization techniet al與que (Aki, 1980; Frankel ,(rrc., 1990) 的原，取(2) (3)之比值可得 ,(logfra),log),(log)fPfrrPrefrefcn= (4) 其中(5) 因此大的震波時紀中，(cn，從a),(/ ),(),frafrafrcs=，可以獲得震波在地殼中傳遞的經驗衰減特性 包括非彈性效應與幾何擴散效應。再用下式則可估計地殼震波

13、傳遞之Q模式 effQrrf)(rgrgfrrarefref refrefcnlog)/(log)(log),(0)logg(r)= (6) 其設=3.5 km/s、為幾何擴散函。分別對每筆加速紀考測站水中，假Hzfref0 . 1=以同的頻(f = 0.2, 0.25, 0.33, 0.4, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5 Hz)波，以計算S及Lg波 的最大振幅和Coda波的rms振幅。S和Lg波群以初達S波為起點，時間長取8 秒，而Coda波則採取自S波到達後2030秒（時間長10秒）的部分。 在淺震源資方面，採用的考震源距r為60公，分析846筆ref 平分的加速紀，求得各頻的經驗

14、衰減函60log( ,)cnrefar r=，結果如圖四顯示淺震源地震紀同頻S波經正規化後之衰減型態。為避免少明顯偏 的資影響，先將個標準偏差外的資剔除，再以L1-norm平均法，將距分 為10、20、30、40、50、60、80、100、120以及160公等部分計算各該距 10公範圍內的中位值，作為該距之平均值。結果顯示低頻震波 （小於0.5Hz） 的衰減情形比較快速，而且散較大，尤其在震源距較大的部分，這原因應 該是某些遠距時紀通常因振幅太低使得紀時間長較短，對於低頻成分 振幅之計算可能會有採樣足的現象。高頻部分則會有這種問題。對於深震源 資之分析，考震源距則採用100公，共分析550筆考

15、測站水平分 的加速紀，圖五則為深震源地震紀同頻S波經正規化後之衰減型態。 186肆、地動衰減 肆、地動衰減 同，同時東部板塊構 造亦有影響，由於目前仍無法獲得深部震源之幾何擴散效應，本文考Sokolov et al. (2極淺震源以及地殼下深震源之幾何擴散特性必然000)以及Roumelioti and Beresnev (2003)的研究結果，震源深淺，均假設 距在50公以內其幾何擴散修正為0 . 1r，而大於50公者為0 . 0r（圖） 。根 據式(6)，以每個特定頻，將考距以內所估計之Q值取平均值，最後求得Q(f) 模式（圖七） ，作為預估地動的輸入用淺資或者深 震源資所迴歸之Q模式相當接近（或與採用相同的幾何擴散模式有關） ，因此可 以用同一模式代表，模式如下： 0 . 1)/(100)(reffffQ=,