斷層活動性觀測

2017-12-06

經濟部中央地質調查所在2002~2006年執行「地震地質調查及活動斷層資料庫建置」計畫、2007~2010年「地震地質與地變動潛勢分析」、2009~2012年「斷層活動性觀測研究第二階段」計畫及2013年開始之「斷層活動性觀測研究第三階段」計畫,針對臺灣陸上活動斷層帶設置監測點位(參照圖3-2),進行大地測量的觀測工作,建立活動斷層的定位、斷層特質的瞭解、斷層滑移速率的評估及斷層活動週期的解析等工作(饒瑞鈞等,2006;饒瑞鈞、李元希,2010;胡植慶等,2012),除可幫助我們瞭解在國土內那些斷層具有較高的活動潛勢,並分析活動斷層在未來數十年內的活動機率,以確實進行地震災害評估及達到先期防災的效果。2015-2018年對全臺持續進行全球定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS)與精密水準測量(precise leveling)作業,並因應各地區的地表變形速率不同,以分區、分期的方式辦理周期性的觀測,以瞭解各斷層的活動特性及其參數。同時,持續而嚴密之監測,計算活動斷層帶水平及鉛直方向的位移量,以瞭解斷層的活動性。

 

精密水準測量

水準測量之目的在於觀測地面點位間之相對高程差值,亦即高程測量。本所目前已建立精密水準測線30條。橫跨了金山、山腳、湖口、新竹、新城、獅潭、大甲、鐵砧山、屯子腳、三義、彰化、車籠埔、大茅埔-雙冬、梅山、九芎坑、大尖山、觸口、六甲、觸口、新化、後甲里、左鎮、小崗山、旗山、潮州、恆春、嶺頂、瑞穗、奇美、玉里、鹿野、利吉斷層等活動斷層(如下)。 

 

測線名稱

長度(km)

測段數

 通過的活動斷層
石門-萬里 

25

38

金山斷層

士林-三芝

10

9

金山斷層

淡水-士林

21

24

金山斷層

五股-臺北

19

26

金山及山腳斷層

新屋-童話世界

33

52

湖口斷層

新竹-五峰

46

40

新竹、新城斷層

新竹-峨眉

29

35

新竹、新城斷層

苗栗-南庄

43

81

獅潭斷層

大安-東勢

43

40

大甲、鐵砧山、屯子腳及三義斷層

龍井-太平

34

28

清水及車籠埔斷層

五光-黃竹

16

21

車籠埔斷層

草屯-埔里

16

15

彰化、車籠埔、大茅埔-雙冬斷層

王功-草屯

48

34

彰化、車籠埔、大茅埔-雙冬斷層

北斗-水里

46

43

彰化、車籠埔、大茅埔-雙冬斷層

金湖-瑞峰

91

90

梅山、九芎坑及大尖山斷層

北門-楠西

61

63

六甲及觸口斷層

善化-關廟

29

22

新化斷層

安平-龍崎

46

51

後甲里斷層

路竹-茂林

57

59

小崗山、旗山及潮州斷層

路竹-茂林副線

23

27

小崗山、旗山及潮州斷層

岡山-安坡

51

54

小崗山、旗山及潮州斷層

佳冬-七佳

12

21

潮州斷層

恆春西臺地-佳樂水

20

32

恆春斷層

嶺頂-龍澗

17

15

嶺頂斷層

光復-豐濱

22

30

瑞穗、奇美斷層

紅葉-靜浦

33

39

玉里、瑞穗、奇美斷層

東成-富岡

25

18

鹿野、利吉斷層

梗枋-東澳

60

65

 

玉井-新化

25

55

新化、左鎮斷層

南樹林-鵝鑾鼻

20

35

 

 (測站資料:至2016年12月)

 

 

精密水準測量測線分布圖(紅色實線為斷層位置,藍色實線為水準路線。)(引用自中興測量公司,2016)。

 

2002年至2016年全臺垂直速度場。三角形方向表示抬升或沉降,三角形大小表示速度大小,暖色系表示抬升速率,冷色系表示沉降速率臺灣地區。黑色邊框表示精密水準、綠色邊框表示連續站、紅色邊框表示移動站(引用自胡植慶等,2016a)。

全球衛星定位系統

全球衛星定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS)是大地測量方法的一大進步;利用人造衛星進行大地測量,可以打破地形障礙的限制。人造衛星在不同的軌道上運行並持續發出訊號,地面的GPS接收裝置藉由計算訊號傳輸的時間,測量它與衛星間的距離。由於人造衛星的軌道位置是已知的,將接收裝置所測得的距離以人造衛星為圓心,畫一個球,我們的位置就在這個球面上。如果同時收到兩顆人造衛星所發出來的訊號,我們可以畫出兩個交叉的球,這兩個球面會交叉成一個圓環,我們的位置就在這個圓環上。若是再同時收到第三顆人造衛星所發出來的訊號,這三個球理論上會交叉形成兩個交叉點--我們的位置就落在兩個交叉點的其中之一。事實上,其中一個交叉點的位置極有可能在遙遠的太空中,不可能是我們的所在位置,所以基本上在收到三顆衛星所發出的訊號後,我們就可以計算出所在位置的座標了。但是如果要作更精確的定位的話,四顆以上的衛星訊號是絕對必要的。因此,利用各GPS測站每日的精確坐標解,透過長時間資料分析與比對,提供測站點位時間序列變化與速度場,可瞭解地震發生前與地震發生當時及地震發生後地表變化的情形。

中央地質地調所在全臺已設置了86座GPS連續觀測站(藉由資料交換機制,可取得其它單位約316個連續觀測站資料、約788座GPS移動站。由觀測GPS連續站、GPS移動站以及精密水準的時間序列可以得知地殼三維活動隨時間變化的情形。根據監測資料估算之地表水平與垂直位移向量,可推求斷層的短期滑移速率與近斷層區域的應變分布。由於地表速度場的變化可以反映出斷層活動的特徵,故分析GPS速度場及水準垂直速度場資料,可以協助我們判定活動斷層的位置,並闡明該斷層之活動特性。

由於GPS之水平誤差為10或數毫米(mm),故可利用GPS測網進行水平變形之監測;另一方面連續GPS觀測已累積長時間之時間序列,過去對於連續GPS在垂直方向變化較少討論,但未來已可將長時間的連續GPS測站垂直變化加以分析討論並與精密水準測量相輔佐分析臺灣垂直升降變化與斷層活動之關聯性。此外,GPS連續站的加密以及精密水準測線的延伸亦可以解析臺灣斷層兩側的滑移速率,推斷高發震潛能構造之活動行為,並瞭解地殼變形與地震發生間之關係。

   

使用之大地基準站及GPS連續站分布圖。 GPS監測點位分布圖,約788座GPS移動站。
   
全臺灣相對於澎湖白沙站(S01R)之GPS水平速度場(2002~2015年)(引用自胡植慶等,2016a)。 全臺灣相對於澎湖白沙站(S01R)之垂直速度場(2002~2015年)(引用自胡植慶等,2016a)。

  

實例:2006年12月26日恆春地震,震前震後恆春地區的水平垂直速度場變化

恆春半島地區由歷年GPS顯示在水平方向平行恆春斷層部分,北段約有15 mm/yr的左移分量、南段則有約10 mm/yr的左移分量;在水平方向垂直斷層部分,北段及南段皆有約5 mm/yr的縮短量。震後至2010年在水平方向平行斷層部分,北段約有20 mm/yr的左移分量、南段則約有10 mm/yr的左移分量;在水平方向垂直斷層部分,北段約有5 mm/yr的縮短量,南段變化則不顯著。2010年至2016年,在水平方向平行斷層部分,北段約有15 mm/yr的左移分量、南段則約有5 mm/yr的左移分量;在水平方向垂直斷層部分,北段變化不明顯、南段約有5 mm/yr的縮短量(胡植慶等,2016b)。

 

恆春斷層震前之水平速度場(引用自胡植慶等,2016b)

 

恆春斷層震後至2010年之水平速度場(引用自胡植慶等,2016b)

 

恆春斷層2010年至2016年之水平速度場(引用自胡植慶等,2016b)

 

恆春半島地區共規劃有2條橫跨恆春斷層的精密水準測線,分別是北邊的恆春西台地至佳樂水測線(長約15公里)以及南邊地台26_南樹林至鵝鑾鼻測線(長約13公里)。至2016年止,各有13次的測量資料。

在歷年高程變化的部分,恆春半島的兩條水準測線在2006年以前均無明顯變化,說明2006年以前恆春斷層並無顯著之活動性。但在2006年12月26日發生兩起震央位置均位於恆春西方外海之芮氏規模7.0的地震(中央氣象局地震報告編號第95106號及第95107號),造成恆春斷層兩側於2006年8月至2008年3月間有明顯變化。恆春西台地至佳樂水測線支點位,最大同震量達-63.1 mm;南樹林至鵝鑾鼻測線,最大同震量達-76.1 mm。因此速度之估算是藉由座標時間序列之擬合而得,同時也考慮兩個地震之同震位移之影響。

在垂直速率部分,以斷層東邊約兩公里為分界,兩條測線在震後均呈現不同的運動型態,西側為沉陷、東側為抬升。其中較南邊的南樹林至鵝鑾鼻測線在2006年震後至2010年間東側的平均速率約為3.7 mm/yr,2010年至今的平均速率約為-0.9 mm/yr;較北邊的恆春西台地至佳樂水測線在2006年震後至2010年間東側的平均速率約為-1.9 mm/yr,2010年至今的平均速率約為-0.5 mm/yr,此現象或許可說明在2006年震後至2016年期間,恆春半島地區的垂直速度有由南往北傳遞的現象(胡植慶等,2016a)。

 

 
恆春半島之水準垂直速度場(2006年恆春地震前)HCNF為恆春斷層。  

 

 
恆春半島之水準垂直速度場(2006年恆春地震後至2010年速度發生變化)。HCNF為恆春斷層。

 

 
恆春半島之水準垂直速度場(2010年速度發生變化後至今)。HCNF為恆春斷層。