交通部中央氣象局的「寬頻地震觀測網 」計

 

一、背景及目的

1935年台中-新竹烈震之後,1999年世紀末的集集大地震再次讓台灣體認到地震撕裂大地的威力。在這兩次嚴重震災之間,台灣地區與鄰近海域亦迭有強震發生,但大都因震源較深或遠離陸地而未釀成巨災,特別是近代的建築技術已能有效的降低地震危害機率,規模未及能使斷層出露地表之地震,通常為害有限,反之則災害難以衡量。也因如此,地震與斷層活動之相關研究,成為地震災害防治必須探討的重要議題。

地震觀測藉由地震儀器在時間軸上記錄地震波動,詳實地將大地振動的過程記載下來,缺少這項資訊只能得到地震後的表徵,甚至地震初始的位置亦無從追究。此次集集大地震幸有賴國建六年期間由中央氣象局建置的台灣地區強震觀測網得以完整記錄車籠埔斷層錯動之過程,事先部署就緒的強震測網發揮了最大功效。

台灣地區使用儀器觀測地震的歷史已逾百年,隨著科技的發展地震觀測使用的設備也不斷提升,運行近十年的氣象局即時地震監測網為台灣地區留下了超過十萬筆的地震紀錄,這些資料對研究活斷層相當重要,特別是在各項探勘技術無法觸及的深部地層,地震資料成為主要的分析依據,而健全的地震資料將有助於研究結果的確切性。中央氣象局現行的地震即時觀測系統,建置之初主要任務為長期且詳盡的觀測台灣地區的地震活動,為此選擇了靈敏的速度型地震感應器,礙於當時客觀環境許可,採用12位元的震波數位式記錄,這般配置經常造成地震規模較大的震波紀錄剪裁失真,以致於無法快速度量地震規模,對於震源深度的測定亦未臻理想。氣象局在1995年厲行地震速報作業,將地震測網加裝強震儀,即時量測地動加速度,除了在第一時間掌握各地震度,震源位置與規模的計算在電腦自動化作業下,精確度及時效均已達到速報計畫之預期目標。雖然現階段之地震觀測已達到「小震不遺漏、大震可量度」的雙項要求,但中尺度規模之地震在遠距離強震紀錄波相微弱、近距離速度紀錄容易飽和,波動傳遞過程缺乏有系統的連貫性,此缺陷增加了由震波資料對地體構造分析時的困擾,特別是中尺度規模之地震較常發生,也特別具有分析價值,不健全的震波紀錄將導致研究成果的缺憾。

本計畫之目的在於補強台灣地區之地震觀測資料,以利本土的地震及活動斷層相關研究能有更理想的參考素材,為健全地震觀測紀錄,就目前世界地震觀測設備最佳的選擇途徑即建置寬頻地震網。美國加州具有悠久的地震觀測經驗,地震觀測設備向來也居於世界的前導地位,最近數年其已逐步汰換短週期地震儀為寬頻地震儀,並即將完成提升作業,我國亦有良好的地震觀測經驗,可依此提升觀測設備,執行新一代的地震觀測與研究作為。

 

二、方法及工作項目

目前中央研究院地球科學研究所已在台灣地區建置了一寬頻地震觀測網,預計完成17個測站,由於該網以研究大型構造為主,密度未及氣象局之即時地震監測網,資料蒐集以電話撥接方式回傳中心,時效因素尚有提升空間。本計畫預計逐年建置新的寬頻地震站,可避免地區重複性而加大測網密度,測點優先考慮設置於斷層帶上,以獲取更多近震源之地動觀測資料,並以資料即時傳輸方式爭取地震測報時效。

 

人力

氣象局辛在勤副局長與該局地震測報中心地震觀測技術人員,多人具有十年以上的地震觀測經驗,以及佈設地震台網之訓練。建置寬頻地震網可協請中研院地球科學研究所劉忠智、高弘兩位提供過去建站經驗,以縮短建置時程。

 

經費

五年共需經費新台幣11,625萬元,詳如以下所列:

甲、儀器設備費

1.寬頻地震儀(每年10套)

70/套×10/年×5年=3500

2.數位震波訊號處理器(每年10套)

20/套×10/年×5年=1000

3.中心站資料綜合處理機組(兩套)

第一年,500/

第二年,500/

乙、旅運費(25/年)

勘站差旅費:1250/人天×200人天=25

丙、業務費

1.站房經建相關費用(300/年)

2.即時資料傳輸通訊費用(40/站年)。此項費用隨測站數逐年增加編列

維護費(第二年保固過期開始編列)

第二年,50

第三年,100

第四年,150

第五年,200

綜合上述,本項計畫之分年經費需求列於表一

   

        表一:寬頻地震儀之分年經費需求表(單位:萬元)

 

儀器設備費

旅運費

業務費

維護費

小計

第一年

1,400

25

300

0

1,725

第二年

1,400

25

700

50

2,175

第三年

900

25

1,100

100

2,125

第四年

900

25

1,500

150

2,575

第五年

900

25

1,900

200

3,025

合計

5,500

125

5,500

500

11,625

 

國際合作

美國國家地質調查所、加州大學柏克萊分校及洛杉磯分校。

預期成果

有效改善地震紀錄品質,使地震資料更具有研究、利用價值。

 

   

交通部中央氣象局的「由全球衛星定位系統連續監測台灣地區地震前後地殼變形」計畫

一、背景及目的

全球衛星定位系統(GPS)係於1973年由美國國防部開始發展使用,目前共有24顆衛星分六個軌道面運行,每個軌道面分布四顆衛星,軌道面傾斜角為55度,距地球表面20,200公里,以每12小時繞行地球一週的速度運行,因此,可以24小時全方位不分何地區、天候的提供使用者即時定位及時間的資訊。近年來發展快速的全球衛星定位,由於精準度的提升,不僅應用在大地測量、導航、定位、精確定時及一般測量,已成為地體動力學所引起地殼變形測量之指標;更能在氣象領域的水氣含量值做精準測量。

中央氣象局自82年度起在全台相繼已完成16個固定連續觀測台站,建立台灣地區全球GPS衛星觀測網(TAINET)及資料處理系統,藉由連續GPS定位系統觀測及配合全球世界固定衛星觀測網的資料做整體性分析,以監測台灣島本身的絕對移動及各測站的相對位置在時間尚的變化,藉此了解區域性的地殼變化與地震的相關性。圖五顯示測站位置及不同地區受到大地應力作用下速度的空間變化,其結果發現1995年及1996年之速度場並不盡相同,各測站的速度呈現複雜的變化形態,其中數個屬於菲律賓海板塊的測站相對於位置歐亞大陸板塊的測站呈每年數公分的西北向之速度,鄰近擠壓帶之測站亦受到影響,其中有些部份差異是和地震活動息息相關,花蓮地區位處隱沒帶與碰撞帶的邊緣,本身二個不同方向的收斂板塊邊界的交互作用,地殼變形的型態變化多端,可能須要更長期的監測,才有辦法解釋。日月潭站也是由第一年不到10mm/yr變化到第二年的50mm/yr1997年再降回至20mm/yr左右,這很可能是有個區域的子地震影響到該站速度的估計。蘭嶼站也是一個明顯受到區域性地震影響,而在199695日地震前後有明顯的速度上的改變,而這些改變隱約包含著一些地震前兆與震源機制的一些訊息(劉啟清等,1997)。

目前台灣地區連續觀測中的GPS測站計有45站,分別由內政部、中央研究院、成功大學、交通大學及中央氣象局設立及運作,一般站與站間之距離較大且分布不均,以台灣地區複雜之構造及地震頻繁而言,無法充分反應區域性地殼變形量,就以921集集大地震為例,震央地區內只有中央氣象局日月潭站,在主震發生後即因站房毀損而終止記錄,在缺乏完整連續觀測資料,錯失對大地震前後地殼變形之掌握及了解,殊為遺憾。因此,在此提議能將中央氣象局現有16個固定站在未來五年內再擴充50個站,並配合其他觀測單位現有網站以增加網站分布密度,從每天及時之觀測充分掌握地殼應變累積的時空變化,提供地震可能性 (earthquake potential) 分析之資料;測量地區性的變形率,藉以找出地震斷層的力學特性,並測試擠壓構造模式 (Compressional tectonics model);測量地震儀所偵測不到的永久性地殼變動,並觀察主要斷層對地區性應變的反應,以此作為地震潛勢評估的依據;此外,GPS連續觀測可隨時提供氣象水氣含量之研究,在氣象測報上更能提供更精確資訊。

 

二、方法及工作項目

1.擴建台灣地區全球GPS衛星觀測網(TAINET)

以目前各機構運轉中的45GPS固定站(含本局16個站)為基礎,分別在前三年內依序設置2020 10個固定站一天24小時持續接收資料,透過電信網路(撥接、專線或行動電話)每天定時搜集資料。

2.改進GPS資料處理

現行的GPS資料處理方法因考慮精確度的因素,只能得到地殼的塑性變形量,而無法觀測彈性變形,因此,初期擬利用現有軟體改進處理方法,由現行每天一組解增為二小時一組解,以增加GPS觀測資料的實用性。

3.即時資料處理系統之架設

藉由即時資料之處理,隨時監測地震前、後之地殼變化。並結合地震及地質之資料,研究地震前、後地殼變形,有助了解孕震過程與斷層力學。

4.建立GPS資料庫

整合各機構之GPS連續觀測資料,建立GPS資料庫,提供GPS觀測資料及處理後之各項解果,並利用網路的快捷便利,達到資料共享,發揮最大效益。

 

三、參與人力

辛在勤、蔡俊雄、陳榮裕、吳慶餘、邱太乙

四、經費

五年須經費新台幣8357.5萬元,由交通部中央氣象局逐年編列預算執行,詳如以下所列:

甲、儀器設備費

        1﹒固定站GPS衛星接收儀

                第一年:100/×20/=2000

                第二年:100/×20/=2000

                第三年:100/×10/=1000

        2﹒資訊設備費(軟、硬體)

                第一年:350

                第二年:300

                第三年:200

                第四年:150

                第五年:150

人事費

        約僱碩士級助理:50/×2=100/

旅運費

        差旅費:1250/人天×300人天/=375,000/

業務費

        1GPS固定站建站費

                第一年:20/×20=400

                第二年:20/×20=400

                第三年:20/×10=200

        2GPS資料傳輸費

第一年:150

第二年:200

第三年:220

第四年:220

第五年:220

        3﹒電腦耗材、郵電、文具、紙張、印刷等:20/

維護費(衛星測量儀器及資訊設備維修)

1﹒第一年:120

2﹒第二年:240

3﹒第三年:360

4﹒第四年:420

5﹒第五年:420

 

綜合上述,本項計畫之分年經費需求列於表二。

 

表二:.全球衛星定位系統連續監測台灣地區地震前後地殼變形研究之分年經費需求表(單位:萬元)

 

儀器設備費

人事費

旅運費

業務費

維護費

 

第一年

2,000

100

37.5

570

120

2,827.5

第二年

2,000

100

37.5

620

240

2,997.5

第三年

1,000

100

37.5

440

360

1,937.5

第四年

0

100

37.5

240

420

797.5

第五年

0

100

37.5

240

420

797.5

 

5,000

500

187.5

1,110

1,560

8,357.5

 

五、預期成果

1﹒建立一個能精密處理GPS觀測資料之系統,高精度監測台灣地區在板塊擠壓各測站間長期移動速率、方向,即台灣地殼變形。

2﹒即時GPS資料處理,藉由每天收錄之資料分析不同時期之測站間基線變化,及測站每日位移量,即時掌握地殼應變累積之時空變化。

3﹒瞭解地殼變動之正常及不正常速度場的變化與各類地震活動在各階段的應力作用的關聯性,可以進一步探究地震機制的物理特性。

4GPS連續觀測資料可同時應用於一般控制測量及氣象水氣研究,具多目標功能。

5﹒建立GPS資料庫,整合各機構之GPS連續觀測資料,建立GPS資料庫並提供各界研究使用,使資料共享,發揮最大效益。

 

六、可能遭遇之困難

1﹒在長期的地殼變監測中,每年檢查相位中心是否在原來的位置(即相對於地上標點的固定位置),是一件重要的工作,確定量測的點具有地區性的穩定,才能用以解釋該地區在地球上的移動量。

2﹒偏遠地區站址之選定、電源之供應、資料傳輸是較為棘手之問題。

3﹒地殼變形模式、地殼應力累積與地震斷層觸動成因之關連性,目前無法全盤了解,所以尚無法利用GPS觀測地殼形變有效預測地震之發生。