台灣區學校校舍耐震性能改善研討會分區講習共同資料, P.81~l17, l999年1月

李錫堤

國立中央大學應用地質研究所

一、認識災害性地震與活斷層

1.1 地震的成因

從自然史的角度來看,地球是處於變動狀態的。地殼上許多大陸地塊的分散與聚合,大陸內部蒼海桑田的變化,都是最好的說明。地殼變動的過程,一般是持續而緩慢的。只有在特定的地點,因蓄積過量的熱能或應變能或其它外來的能量,才會發生突然的變動,例如:火山爆發、地震....等,引起人類的注意。

發生地震的原因不外乎下列數種:(1) 斷層錯動,(2) 火山活動,(3) 岩溶塌陷,(4) 隕石撞擊,(5) 地函物質相變化,(6) 地下核爆及其它人為因素等。按目前的瞭解,斷層錯動是發生地震最主要的原因;其發生次數最為頻繁,造成災害的機會也最大。火山活動引致的地震一般規模較小,影響範圍有限。岩溶塌陷一般限於卡斯特地形發育的石灰岩區,其引致的地震規模亦小。大的隕石撞擊可能會引起很大的地震,地球上雖留有隕石撞擊的痕跡,例如:美國亞利桑那州的梅提歐隕石坑(直徑約一公里),但自有近代地震儀的百年以來,尚未有這一類地震的記錄。發生在地下數百公里深處的地震目前有一種說法,認為是地函物質因結晶構造突然轉變發生體積變化而產生地震。地下核爆產生的能量甚大(相當於一個中高規模的地震),故亦為地震的來源;那些已公布的核爆為地震學者研究地球結構及震波傳播的最佳資料。此外,在建造大型水庫或在深井內灌水,施加外力或潤滑斷層面,都有誘發地震的記載。

按目前的瞭解,斷層錯動是發生地震最主要的原因;其發生次數最為頻繁,造成災害的機會也最大。尤其是發生在陸地上的斷層錯動,更是造成災害性地震(disastrous earthquake)最主要的原因。

1.2 斷層活動與地震

西元1906年,舊金山大地震後,一系列的災後調查工作使相關的學者們開始形成斷層活動產生地震的觀念。1911年,美國學者Reid隨即提出「彈性回跳學說」,充分說明了聖安地列斯斷層發生巨大地震的機制。

當地殼受力時,其較柔軟的部份,例如斷層帶及其鄰近之受擾動的地層,較容易發生變形。地殼不斷的受力後,當斷層內部承受的剪應力超過斷層本身的剪力強度時,斷層即發生滑動。當滑動發生時,扭曲的地盤同時回彈,並向四面八方傳遞彈性波。這種彈性波傳至吾人的腳底,我們感覺到的也就是地震。

一般而言,斷層破裂的長度越長,地震的規模越大,而振動的強度也越強。但是,振動的強度會隨斷層距離之加大而減弱。沿斷層附近地帶通常也是地振動最激烈之處。

1.3 地震災害

斷層活動所造成的地震災害是所有天然災害中傷亡最為慘重的一種。 表一是世界上一些死亡慘重的地震一覽(如此災情慘重的地震必定與斷層活動有關)1556(明朝)發生於中國陜西的一次地震,造成了約83萬人的死亡;本世紀(1976)發生於中國唐山的一次地震(唐山斷層移動),亦造成了約70萬人的死亡。凡此皆警示吾人必須重視地震防災。能對地震多一分認識,在地震發生前多做一分準備,則當地震發生時必能減少一分損失。

表二是台灣西部地區近四百年來較大災害地震(有地變及/或較顯著傷亡情形的地震,均為發生在當地且規模在6.5以上的地震)一覽表。這樣的地震,近四百年來,共有22次,且主要是發生在上半世紀;7080年代幾無災害性地震。近三十年,台灣西部地區人口激增,若再有類似的地震發生,則災情必然更加慘重。不巧,上半世紀地震活躍期又將來臨,吾人有必要更加重視地震防災,以防範於未然。

台灣東部地區是全世界地震次數最多的地方。其地震防災所須受到重視的程度,自然不應小於西部地區。

1.4 活斷層的定義

「斷層」是地殼或地球內部的一條斷裂,其兩側地盤有明顯的相對位移者。地球自形成以來,歷經數十億年的地質變動,在地殼內部留下許多斷層。尤其是在造山帶內,斷層更是多如牛毛。不過,在這些斷層中,絕大部份是不活動的;有許多斷層其內部物質甚至已經岩化,成為所謂的糜嶺岩(mylonite)。即使在活動的造山帶內,也不是每一條斷層都是會動的,其中僅有少數幾條具有近代活動的記錄。近代活動過的斷層一般被認為將來有進一步活動的潛能。

簡單的說,活斷層是一種現今仍然在活動,並且可能在不久的將來再次發生錯動的斷層。究竟如何去判定一條斷層是否屬於活斷層呢?關於這個問題,目前學界尚無統一標準。活斷層的定義隨不同國家與地區及不同學者而有所不同。日本活斷層研究會(1980)認為在第四紀(<±2,000,000)有過反復活動者為活斷層。美國墾務局(USBR, 1976, in Logan et al., 1978)認為在過去十萬年內有過位移者即為活斷層。美國加州保護部礦務及地質處規定在全新世(<±11,000)內活動過者為活斷層;在更新世內活動過者為潛在活斷層(potentially active fault)(Hart, 1992)。美國原子能委員會(USNRC, 1975)則以下列條件界定所謂之「能動斷層」(capable fault)

(1) 過去35,000年內曾有一次地表移動者。

(2) 過去500,000年內曾經不止一次地表移動者。

(3) 缺乏絕對時間根據,但具有曾經發生地表移動之證據者。

(4) 經儀器定位,確有地震發生之斷層。

(5) 與根據上述標準判定之活斷層有關聯之斷層,且可合理推測,當關連斷層之一移動時,亦將引起另一斷層移動者。

(6) 具上述任何一項條件之斷層視為將來可能移動之斷層。

國際原子能總暑(IAEA)1979年首次簡化美國原子能委員會的規定,提出他們的能動斷層的定義。1991年,該機構正式公布了新修訂的安全準則No.50-SG-S1,對於能動斷層的規定比1979年出版的要靈活,其規定如下:

(1) 證據表示,在過去的某一時期內斷層發生過運動或重複性運動,就有理由推斷地表或近地表能夠發生進一步的運動。在高活動區,地震和地質兩方面的資料一致顯示地震重複間隔較短時,則能動斷層的評估以幾萬年左右的時間可能較為適宜。而在低活動,評估時間要更長一些。

(2) 經證實與已知能動斷層具有構造關聯性,以致一條斷層的運動可以引起另一條斷層在地表或近地表的運動。

(3) 與發震構造有關的最大潛在地震,其規模很大並位於某一深度以上,這樣就有理由推斷該一構造能夠發生地表或近地表運動。

Slemmons and Mckinney(1977)曾蒐集世界各地共31種不同定義加以分析後指出,各家之定義儘管在細節上或年代界定上有所不同,但是基本上具有下列四項共通之原則:

(1) 活斷層曾在當今之造震地體架構(seismotectonic regime)下移動過。

(2) 活斷層具有將來再活動的潛能。

(3) 活斷層具有近期活動的證據,例如地形上之證據。

(4) 活斷層與地震活動有關聯。

換言之,上述四點也就是當年學界認定活斷層的共通原則;所以一條斷層要被認定為活斷層,必須能符合上述四個原則,而且最好能不違背其中的任何一個原則。例如一斷層曾在造山運動時期活動過,但是現在該地區的地體架構並不屬造山帶,則該斷層是否仍有可能再活動,必須受到質疑。例如臺灣北部地區,現在的大地應力是屬於伸張型架構(extensional regime),在該區域內,一條斷層若沒有任何新期正斷層活動的證據,就很難認定它是活斷層;若一條斷層具有新期正斷層活動的現象,則又很難認定它不是活斷層。另外,一條活躍的斷層必定有地形上的表現,因此,一條在地形上毫無表現的斷層也就很難認定它是活斷層。

有些學者建議(e.g. Allen, 1988)研究活斷層須重視斷層的活動度(activity),而不單以活斷層或死斷層這樣的二分法來做界定。松田(1975)曾建議斷層可按其滑移速率(slip rate)區分為四種不同的活動度(下節詳述)。這種區分方法具體可行,且具有實用性,已廣被接受。

最近,經濟部中央地質調查所為出版臺灣活動斷層分佈圖,將活動斷層區分為二類,並說明其分類準則如下(張徽正等人, 1998)

第一類活動斷層(全新世活動斷層):符合下列任一項者:

(1) 全新世(10,000年內)以來曾經發生錯移之斷層。

(2) 錯移(或潛移)現代結構物之斷層。

(3) 與地震相伴生之斷層(地震斷層)

(4) 錯移現代沖積層之斷層。

(5) 地形監測證實具潛移活動性之斷層。

第二類活動斷層(更新世晚期活動斷層):未符合第一類活動斷層之分類準則,但符合下列任一項者:

(1) 過去十萬年以來曾經發生錯移之斷層。

(2) 錯移階地堆積物或台地堆積層之斷層。

對於一些資料尚未充足而無法歸類之活動斷層,則暫被劃分為存疑性活動斷層,包括:

(1) 將第四紀地層錯移之斷層。

(2) 將紅土緩起伏面錯移之斷層。

(3) 具活動斷層地形特徵,但缺乏地質資料佐證者。

1.5 活斷層的分類

1.5.1按力學性質分類

依據安德森(Anderson, 1942)的研究,斷層可按其破壞的力學機制區分為三類,即正斷層、逆斷層及平移斷層。圖一表示斷層的類型和主應力軸間的關係。通常在地殼壓縮的地區(例如造山帶)容易產生逆斷層;在地殼伸張的地區(例如中洋脊),容易產生正斷層。平移斷層則發生在壓縮區與伸張區的轉移帶或各區內部局部應力狀況變化之處。

1.5.2 按活動時代分類

世界各先進國家的地質調查所在編製活斷層地質圖時,對於活動時代的分類略有不同。雖然在分類上未趨於一致,但仍可歸納為下列主要的四類:(1) 歷史時期(隨世界各地歷史的長短而定)的斷層;(2) 全新世(約一萬年以來)的斷層;(3) 第四紀(約200萬年以來)的斷層;(4) 第四紀以前的斷層。

第四紀以前的斷層通常不被認為是活斷層。第四紀斷層則在某一些國家是被視為活斷層的。但是在台灣這種地質作用變化快速的地區,第四紀早期活動過的斷層,並不一定都在第四紀晚期持續活動,故不一定可視為活斷層。全新世活動過的斷層則一般均被認定為活斷層,世界各地少有例外。

1.5.3 按滑移速率分類

松田(1975)建議斷層活動度可區分為AAABC四級,並以滑移速率(slip rate) 區分活動度如下:

AA級(活動度甚高): 100-10 公尺/1000

A級(活動度高) 10-1 公尺/1000

B級(活動度中等): 1-0.1 公尺/1000

C級(活動度低) 0.1-0.01 公尺/1000

目前,美國及中國大陸亦均採用松田的分級方法。活動度甚高的斷層,發生於主要板塊之交界,地形特徵非常明顯;活動度高之斷層,常可測得地震,偶而中斷;活動度中等之斷層,地形上有中等至明顯之特徵;活動度低之斷層,在地形上僅有稀少之斷層活動證據。

美國加州的聖安地列斯斷層平均每年滑移量在 3公分以上,屬於活動度甚高的斷層。台灣東部的縱谷斷層平均每年滑移量約在 3公分左右,亦屬於活動度甚高的斷層。

1.5.4 按切穿深度分類

若按切穿深度分類,斷層可區分為四種類型:

(1) 岩石圈斷層:切穿岩石圈而達到軟流圈,為大地構造一級單元的邊界,重磁力異常梯度帶及地震帶;

(2) 地殼斷層:切穿地殼而達到莫荷界面,為大地構造二級單元的邊界,重磁力異常梯度帶及地震帶;

(3) 基底斷層:切穿上部地殼花崗岩質地層而達到康拉德面(Conrad discontinuity),為大型構造盆地邊界、磁力異常帶和地震帶;

(4) 蓋層斷層:切穿沈積蓋層達到基底,常表現出地形差異。

這四種深度不同的斷層,有的可以切穿到地表,有的只發育在相應層圈而隱伏在地下。

1.5.5 按滑動型式分類

按滑動力學中粘滑(stick slip)及蠕滑(stable sliding)的不同,可將活斷層分為粘滑斷層及蠕滑斷層。

粘滑斷層內部一般含有較少的斷層泥,兩側岩盤並時有突起(asperity),故滑動時粘滯性高。在一定的區域位移速率下,它會有一個長時間的不動期,然後再來一個短時間的滑動期。這個滑動會釋放先前所蓄積的應變能,並以彈性波向四面八方傳遞,這也就是地震。

蠕滑斷層的內部一般含有較厚的斷層泥,因斷層泥的強度極低,故絕大部份時間是處於塑性流狀態,滑動平穩,不會有地震發生或僅有極微小的地震發生。

目前學界瞭解,絕大部份的活斷層是屬於粘滑斷層,僅有極少部份是屬於蠕滑斷層。世界上較有名的蠕滑斷層是美國加州聖安地列斯斷層中段Parkfield北邊的一個分段。台灣東部的縱谷斷層在玉里附近的一個分段,目前亦被認為是蠕滑斷層。

1.5.6 按斷層與地震的關聯分類

考慮斷層與地震的關聯,可分出地震斷層(earthquake fault)及震源斷層(seismogenic fault)兩類。地震斷層是地震發生時在震央地區因地層強烈扭曲變形而產生的地表斷裂,它不一定是釋放應變能的主要斷層。震源斷層就是地震時釋放應變能的主要斷層,它不一定露出於地表。

台灣嘉義地區,在西元1906年曾發生一大規模地震,震後地表出現一條斷層,長達13公里,最大位移達水平2.4公尺,垂直1.8公尺。這一條斷層即是地震斷層,但它是不是一條震源斷層,學界看法仍未一致。

1.6 工程界對於活斷層的認定

活斷層的活動週期可以從數十年到數萬年以上,其在工程設施的使用期限內再度活動的可能性極低。 因此,工程界對於活斷層的認定,有其一定的準則,而略不同於學術界所認定者。工程界對於活斷層的認定標準隨工程類別的不同而有不同程度的要求,一般可歸納出下列三點:

(1) 一般房屋及橋樑等建築工程,將全新世(約一萬年以來)動過的斷層當做活斷層。

(2) 核能電廠以美國原子能委員會的標準認定為活斷層,或簡化為35,000年以來動過的斷層當做活斷層

(3) 一般小型水庫建設多以全新世動過當做標準,大型水庫建設有些採用到35,000年或十萬年的高標準。

近年來,在高放射性核能廢料處置選址上,採用一般學術界對於活斷層較高的認定標準。若一條斷層經評估為活動性極低,僅在未來數百萬年內可能會有活動,在高放射性核能廢料場址選擇上仍須避開該斷層,達某一特定距離。

近年來,有一些學者認為,有必要進一步界定工程活斷層(菅原捷,1981; 李興唐,1989),使之更符實用。工程活斷層的劃分,雖尚未有統一標準,但目前已有下列幾個基本共識:

(1) 工程活斷層的判定時限不宜太長,一般以定在過去的 35000年為宜,如定在過去的 10000年,可能更符合工程需要。

(2) 工程活斷層之判定必需要有高精密度的資料做為依據。這些資料可包括:經判別確定的古地震現象及定年資料、經精確定位的地震資料及精密地殼變形測定資料等。

在中國大陸,李興唐(1989)即建議具有下列三項判斷依據中的任何一項或多項者,即可定為工程活斷層:

(1) 40000年左右至10000年以內曾活動過的斷層,並以 10000年為主要考慮。

(2) 精密儀器觀測到現代的活動速率達每年 1公釐以上者。

(3) 儀器觀測到微小地震(1M3)沿斷層線頻繁地發生,或歷史記載或儀器記錄沿斷層線發生兩次或多次中強度以上地震(M5)者。

1.7 斷層的幾何性質與地震

1.7.1 斷層的分段特性

一條A 級以上的大斷層,延伸長度常達到一千公里以上。但是每一次斷層活動的時候,並非整條斷層一起運動,而常常只其中的一個分段在動。在不同分段間,斷層活動程度不同,活動時間亦不會一致。但是,地震則會在同一分段內重復發生,且在同一分段內其最大地震會有大致相同的地震規模。這就是斷層具有分段(segmentation)的特性,而每一分段內所發生的大致相同規模的最大地震被叫做特性地震(characteristic earthquake)

斷層分段的位置,通常具有下列地質變化中的一項或多項:1)斷層線彎曲處, 2)雁形跳階處, 3)地形起伏巨變處, 4)橫斷構造交會處, 5)基岩種類或水文環境巨變處, 6)斷層滑移速率改變處, 7)最新活動時間不同者, 8)地震斷層不相連續者。

1.7.2 斷層長度與地震規模的關係

經驗上顯示,每一次地震中斷層破裂的長度與地震規模間,有一定的正比關係。世界各地具有代表性的斷層破裂長度與地震規模的關係式如表三及圖二

表三 斷層破裂長度與地震規模的關係表

關係式

資料來源

logL = 1.02M - 5.76 (Tocher, 1958)

美國地震斷層

logL = 1.32M - 7.99 (Iida, 1965)

世界地震斷層

logL = 0.6M - 2.9 (Matsuda, 1976)

日本地震斷層

logL = 1.006M - 3.232 (Tsai,et al., 1976)

台灣地震斷層

*: L代表斷層破裂長度,單位均為公里,M代表芮氏規模。

在工程地震評估的實務工作上,斷層所可能產生的地震規模的大小,一般是由斷層分段的長度採用經驗式計算。

1.7.3 斷層滑移距離與地震規模的關係

經驗上亦顯示,每一次地震中斷層滑移的距離與地震規模間,有一定的正比關係。世界各地具代表性的斷層滑移距離與地震規模的關係式如表四及圖三

表四 斷層滑移距離與地震規模的關係

關係式

資料來源

logD = 0.55M - 3.71 (Iida, 1965)

世界地震斷層

logD = 0.96M - 6.69 (Chinnery, 1969)

世界橫移斷層

logD = 0.57M - 3.91 (Bonilla, 1970)

美國地震斷層

logD = 0.6M - 4.0 (Matsuda, 1975)

日本地震斷層

*: D代表斷層滑移距離,單位均為公尺,M代表芮氏規模。

在工程地震評估的實務工作上,一般是由一斷層可能產生的最大 地震規模來推估該次地震滑移距離的大小,以做為耐震設計之用。

1.7.4 斷層滑移速率、地震規模與復發週期間的關係

從表四地震規模與斷層錯移量之關係式 logD=bM-a,及滑移速率SS=D/T,亦可導出:log(ST)=bM-a,擇其重要者示如圖四。做活斷層之工程評估時,若知道斷層滑移速率及最大地震規模,則亦可計算地震重復間隔T

1.8 台灣的活斷層

1.8.1台灣地區的地體構造架構

台灣位處太平洋西岸弧狀列嶼中,呂宋弧與琉球弧銜接之處。根據相關研究,台灣島是因呂宋弧與亞洲大陸碰撞後擠壓隆起的一個年輕島嶼。台灣本島的中央山脈及中央山脈以西地區代表亞洲大陸邊緣被擠壓隆起的部份,台灣東部的海岸山脈則代表呂宋弧撞上台灣主島的部份,而台東縱谷即是此種弧陸碰撞的逢合處在地面上的位置。因為弧陸踫撞的結果,台灣地區地殼變動激烈,斷層發達,且地震頻繁。圖五是台灣地區從19001996年地震震源的三維分佈情形,充分地表現了板塊間相互的關係。在東北部,包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊隱沒到屬歐亞大陸板塊的琉球弧底下。在東南部,包含呂宋弧在內之菲律賓海板塊係騎跨到包括南中國海亞板塊在內的歐亞大陸板塊之上。在台灣的中心部位呂宋弧則直接與亞洲大陸發生碰撞。

目前載運呂宋弧的菲律賓海板塊約以每年7公分的速度向西北西方向前進。台灣本島及碰撞地帶在這種作用之下,不斷的發生變形及偶發的斷層活動。其中變動最激烈的地帶是弧陸碰撞的縫合處-台東縱谷。變動次激烈的地帶也就是造山帶本體。在造山帶中,則以造山前緣變動帶的變形作用較為激烈。這個地帶南北縱貫台灣西部走廊的平原及丘陵地區。

1.8.2活斷層普查

民國85年,中央大學為辦理「台灣省中小學校園附近活動斷層普查及防震對策之研究」計畫,曾覆核國內活斷層研究相關文獻,篩選出可能的活斷層,並進行地震分析及遙感與航照判釋,以找出活斷層可能存在的位置。

一個完整的活斷層普查工作必須從文獻研究開始,接著進行全面的大地構造研究、地震研究及遙感與航照判釋,以找出活斷層可能存在的位置。經在野外實地查證後,再進行細部調查及探測工作,以確定活斷層的位置及延伸情形。最後須進行斷層開挖及古地震研究,以找出斷層過去的活動歷史,並決定各斷層的地震規模及發震機率。

該普查工作因受限於時間及經費,僅進行了最前段的文獻、大地構造、地震等研究及利用遙感影像與航照判釋所作的地形判釋,找出了活斷層可能存在的位置,並將其繪製在比例尺為兩萬五千分之一的地形底圖上,再以數位板數化後存於電腦檔案中,供進一步分析之用。該普查工作並無任何野外調查經費,故未進行野外地質查證工作。但由於該研究計畫參與人過去已從事此一方面的工作多年,對全省各地的活斷層實際上多有過實地調查,故其成果仍應具有相當的可信度。此計畫活斷層普查成果如圖六。由於地層年代及古地震資料尚屬十分缺乏,此研究並未對活斷層的定義及認定準則做較明確的交代。不過,圖六中被劃歸活斷層者均為過去的文獻及相關研究中被認為具有近期活動證據或有切割台地面或具有較明顯的活斷層地形特徵者。吾人若將活斷層定義在一萬年內活動過者,則圖六所示各斷層並不能都符合此定義。

民國86年,經濟部中央地質調查所為編製比例尺五十萬分之一的臺灣活動斷層分布圖,亦進行了國內活斷層相關文獻的覆核研究,並按一定的準則將活斷層區分為第一類活動斷層、第二類活動斷層及額外的一類存疑性活動斷層(張徽正等人,1998),其工作成果如圖七。其與中央大學所認定的活斷層大體相近,但仍有一些局部的出入,有待日後近一步研究。

二、地震地變的類型

斷層一旦活動而發生地震,它具有多種特殊的破壞機制足以對地上結構物造成嚴重破壞。斷層錯動時除了會在鄰近斷層地區發生激烈的振動而使結構物損壞外,亦會直接造成山崩、地裂、地陷及地層液化等地變現象。如果斷層作用發生在海底,則可能引生海嘯,對近岸低窪地區帶來破壞。因此,我們談到防震,便不能忽略活斷層的存在。茲對各種不同地變的類型、破壞機制及其影響分述如下:

2.1 地面斷裂

斷層活動如果穿透地層而露出地表時,就會造成地面破裂並沿斷層兩側發生數十公分到數公尺的錯動。圖八1990年菲律賓地震時菲律賓斷層在北呂宋Digdig地區造成公路錯移之情形。圖九1935年新竹—臺中地震時屯子腳斷層錯移地面之情形。如果主斷層未穿透地表,因為地盤拱起或陷落,地表亦會出現小規模斷裂。如果結構物的基礎正好跨越斷層帶,那就難免被撕扯,發生扭曲或斷裂,而使結構物倒塌。最好的對策乃是知其所在,避免把結構物建築在斷層通過的地帶上。

2.2 山崩

斷層活動時造成的激烈振動會使鄰近斷層的地區發生大量的山崩,造成災害。根據經驗,地震地動加速度達0.4G以上時,在山地及丘陵地區會有大量的山崩發生,地動加速度達0.25G0.4G之間會有多量的山崩發生(按我國中央氣象局的震度分級,地動加速度達0.25G以上的地區被定義為烈震區)圖十1990年菲律賓地震在北呂宋碧瑤及Digdig地區造成多量山崩之情形。圖十一1998718日嘉義縣瑞里地區在一次規模6.2的地震發生後造成多量山崩之情形。圖十二是世界各地不同地點山崩影響範圍與地震規模之關係圖。

2.3 地層液化

在鄰近震央的地區,強地動會使地層內部的孔隙水壓上升。若某一地點地下淺部地層恰為砂質土壤且地下水水位偏高,強烈地震發生時,地層容易液化,並使結構物失去支撐而發生下沉、傾斜或倒塌,造成額外的損失。容易發生液化的地點通常出現在離震央數公里至數十公里範圍內的:

(1) 河灘及海灘地,

(2) 離河岸不遠的砂質沖積層基地,

(3) 砂質的舊河道堆積,

(4) 湖邊或其它水邊的填土新生地。

圖十三1990年菲律賓地震在呂宋島西邊沿海某市區造成地層液化使房屋傾斜之情形。圖十四1906年嘉義地震發生噴砂及地面斷裂之情形。

2.4 地陷

發生正斷層時,斷層的一側會下陷,其位移量隨地震規模加大而變大。發生橫移斷層時,斷層沿線亦因受力的不同,而會有壓縮或伸張的構造出現;出現伸張現象時,斷層的一側也會下陷現象。一個規模7左右的地震,其位移量約為2公尺。但是,在地面上實際見到的下陷量可能不止2公尺。因為,下列兩原因亦會造成地層下陷:

(1) 地層壓密:現代沖積層,在地震振動下產生壓密作用而使地表下陷。1964年阿拉斯加大地震後,因地層壓密,使當地某一油井突出地面1.4公尺。

(2) 鄰近斷層的地層向下彎摺作用:當斷層面有彎曲的情形時,斷層滑動會連帶產生地層的彎摺作用,而使地面下陷。1950年美國加州Fort Sage地震最大下陷量為20公分,但是若考慮地層彎摺,則最大下陷量增為60公分。

16944月間,台北地區發生一估計地震規模7的大地震,震後台北盆地發生嚴重下陷,形成所謂之「康熙台北湖」。林朝棨(1957)估計湖水深度不超過5公尺。

大地震發生過後,地面變形扭曲,甚至下陷,會對一個都會區的排水系統,包括:地面溝渠、地下水道、河流兩岸的堤防等,失去功能,甚致海水倒灌,對都會區造成致命的影響。

2.5 海嘯

如果斷層錯動海床,則會擾動海面而形成長周期水波,並向四周傳布。地震引起的長周期水波,其波高通常在數十公分至數公尺之間,當長波傳抵海岸時,會因地形效應而使海水向陸地方向湧高達數公尺至數十公尺,此即為海嘯。海嘯的破壞力與湧高(run-up)的高度有關,湧高愈高,破壞力愈大。

海嘯的大小多以海嘯規模表示。最常用的表示方法是今村(1942)所創而飯田(1958)增設-1之海嘯規模分級表(表五)

表五 今村與飯田海嘯規模之分級表(取自徐明同,1981

規模

4

湧高超過30公尺,被害區域達到沿岸500公里以上者。

3

湧高超過10-20公尺,被害區域達到沿岸400公里以上者。

2

湧高4-6公尺,可使部分房屋流失,人畜溺死者。

1

湧高2公尺左右,損壞海濱的房屋,帶走船舶。

0

湧高1公尺左右,可能造成小災害者。

-1

湧高50公分以下,通常無災害者。

 

依現有歷史紀錄來看,台灣發生最大海嘯是18671218日在基隆外海地震所引起之海嘯,其地震規模約為7.0,當時並無波浪紀錄,但依據Davidson (1903)之災害描述,湧高約為3.4公尺至7.5公尺。此地震發生時,基隆市街及附近地區發生大海嘯,海水夾帶著巨大的波浪,以驚人的速度衝上市街,淹沒街道,破壞房屋,有一座山分裂為兩半,山側噴出硫磺質溫泉,人命損失沒有詳細統計,推估死者可能達到數百人。此外,在19511020日,1960524日,19631013日及1964328日,花蓮驗潮站皆有海嘯之記錄,然而其規模均甚小(0.3公尺以下) 1960524日的海嘯為智利大地震所引起。同一海嘯在日本東北部太平洋沿岸造成湧高達6公尺的海嘯,造成一千多人死傷或失蹤,以及港灣設施及船舶等受損毀。

湧高的程度主要與地震規模及地形效應兩項因素有關。重要工程計畫常進行電腦數值模擬來求得湧高。圖十五是日本地區以往海嘯規模與地震規模的關係,一個規模7.5的大地震其海嘯規模約為1,規模8.0的大地震其海嘯規模約界於23之間,其變化因地形而異。在地形效應方面,通常在平直的海岸且海床向外海方向迅速變深的地區,湧高較小﹔反之,在海灣處及海床縱斷面向外海呈楔形展開者,湧高會加大。

2.6 次生災害

若山崩阻塞河道,潰堤時將造成大災害。若在水庫區造成大崩山,則崩積物擠溢水庫,亦將造成災難。民國30年嘉義大地震時,雲林縣古坑鄉草嶺地區發生大崩山,連同隔年大雨後再次崩山,共在其下方的清水溪河床堆積了170公尺高的天然壩,隨後即在上游積水,形成所謂的「草嶺潭」。此潭在民國40年颱風時因洪水溢頂而崩潰,水壩下游一百餘名工兵被衝失。國外的案例顯示,地震天然壩常在地震後數小時即發生崩潰,必須特別加以留意。

斷層活動產生的地盤變動及異常激烈的地振動,致水壩崩潰或使核能電廠失控,皆可能造成難以彌補的大災難。這也是核能電廠及大型水壩工程在規劃及設計的時候特別重視斷層調查的原因。

 

三、地震地變的防災概念與實務。

一般的工程建設在規劃及設計上所做的地震危害度分析,通常僅就機率法以現有資料推估地震加速度的振幅值及反應譜等,提供結構物動力分析之用,甚少涉及地震地變之評估及做相關防災之考量。然而,重大工程建設,例如:核能電廠、核能廢料處置場、大型水壩、高速鐵路、捷運建設、海洋平台及輸油管線等,則通常會進一步研究活斷層,並對地震地變的防災妥為規劃及設計。學校、醫院、官廳、救災中心及地震測報中心等重要公共建築的規劃及設計亦須對地震地變的防災妥為因應,才能在地震災害發生時發揮救災的功能。

在不同的時期及不同的工程作業階段必須做不同的防災準備,以發揮防災之最大功效。

3.1區域規劃與相關法規的擬訂

中央主管單位須在區域計畫內妥為考慮活斷層之存在及其造成地震暨地變災害之嚴重性,並反應在區域計畫法及其他相關法規內。民國79年以後,在「山坡地開發建築管理辦法」中,對於面積十公頃以上的山坡地開發,其第五條第二項已有「活動斷層或順向坡有滑動之虞者」不得建築之規定。然而,對於面積十公頃以下的山坡地及實施都市計畫的地區並未有相關的規定。民國86年,台北縣汐止鎮發生林肯大郡災變後,內政部營建暑召集相關單位及專家學者修訂「建築技術規則建築設計施工篇」,新增「山坡地建築」一章(第十三章),並在其第二百六十二條內對活動斷層帶兩側做成不得開發建築之規定如表六。

表六 活動斷層帶兩側不得開發建築之範圍表

歷史地震規模

不得開發建築範圍

規模≧7

斷層帶兩外側邊各一百公尺內

規模≧6

斷層帶兩外側邊各五十公尺內

歷史地震規模<6

或無記錄者

斷層帶兩外側邊各三十公尺內

 

上述法規隨即於民國87年初發布實施。至此,山坡地無論面積十公頃以上或十公頃以下,其開發皆受到限制,但山坡地以外地區仍未有明確之規定。實有進一步對都市計畫地區做限制之必要。

3.2工程建設前資訊的掌握與審慎的選址

目前,相關法規並未完備,且活斷層的位置亦未做成正式的發布,可能引致的地震災害及影響程度與範圍更無資料可供查詢。故在各種工程建設之前,工程師對於活斷層及防災資訊的掌握十分重要。根據正確的資訊,工程師必須在工程設計之前委託專家進一步做地質調查,確認斷層的位置及評估地震災害,以做成審慎的選址。

不同目的或不同危險性的工程,對於選址考慮的重點及程度不同。工程師必須參考現行法規與工程慣例做判斷。

3.3工程防震措施

掌握正確的資訊並完成審慎的選址後,工程師必須根據專家提供的地震參數及潛在災害評估結果,按照法規或準則進行工程耐震設計。包括:結構物的布置暨主結構體、內部裝備及維生管線等的耐震設計與防震措施。主結構物及附屬設施,凡與安全有關的微小細節均應被謹慎的考慮進防震措施之內。結構物的基礎及周遭的擋土措施均須考慮在地震的狀況下是否發生地面斷裂、地陷、地層液化及受山崩影響等。位於海岸附近的重要設施,例如:核能電廠等,尚須考慮海嘯之影響。海嘯的防範通常是將主結構物及重要設施布置到最大海嘯湧高以上的高程。

3.4工程完工後使用階段的防災

對於重要的結構物,在工程完工之後,正式啟用之前應進行試運轉,使用中仍應進行定期的安全檢查,以找出可能的缺點,並能針對缺點進行補強。尤其對於地質及地震問題的新知識及新發現更須予重視,並據以分析及評估結構物現況在可能發生的大地震之下的安全性。

平時,個人應注意內部擺設及周遭環境的變動。若有主要變動發生,應加以注意。若有疑慮,即應請專家評估其安全性。

3.5地震發生前的補強工作

安全評估後,發現有疑慮的結構物應即針對缺失進行改善或補強,使能達到耐震設計的標準。對於可能發生的地變災害問題,則應設法瞭解地變可能發生的位置、種類及影響程度,並按專家的建議決定改善或補強的方法。若補強無法有效改善安全時,搬遷亦可考慮成為一個方案。

 

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