第五卷 第九期 - 2008年九月二十六日
地震的重複週期與規模是否具有全球一致性?
陳卉瑄1, Robert M. Nadeau2,饒瑞鈞1*

1: 國立成功大學地球科學系
2: 加州大學柏克萊分校地震研究室
*Email: raurj@mail.ncku.edu.tw

Geophysical Research Letters, 34, L16308, doi:10.1029/2007GL030554, 2007

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Chosen as an AGU 2007 Journal Highlight

某些斷層系統上,一群地震可以重複地發生在同一個斷層嵌塊上,這群地震具有相同波形(如圖一所示)、發震位置、大小、機制,稱做重複地震序列(repeating earthquake sequence)。重複地震的觀測說明了斷層嵌塊(fault patch)可以在破裂後重新恢復強度、累積應力、再度發震,而其週期行為的特徵則是理解發震機制的關鍵,並在地震發生可能性及災害度的應用上具有重要地位。為何地震會重複發生?什麼因素控制了他們的週期?至今仍是地震學的未解之謎。要理解這些問題必須仰賴充分的重複地震觀測。
圖一、 台灣東部池上地區觀測到的重複地震在不同測站的波形。

然而,重複地震的發生並不普遍。過去實驗力學、物理模型及數值模擬的結果歸結出重複地震的發生需要:(1)周圍具有潛移特性(creeping)的物質,(2)地震嵌塊在空間上互相獨立、不易被周遭的地震影響, 以及(3)穩定的區域應力或斷層滑移速率。加州地區San Andreas fault 上潛移滑動的斷層段(creeping fault segment) Parkfield上發現了大量的重複地震,印證了重複地震的發生與潛移斷層有關。而日本隱沒帶、及台灣池上斷層(本研究)相繼有重複地震的發表,亦說明了具有潛移特性的斷層帶,具有孕育重複地震的可能性。

潛移斷層系統上的地震活動特徵是以大量的小規模地震釋放應變能,在地震防災應用上,這種斷層系統的特殊性在於,它具有較低的大地震潛能。台灣東部花東縱谷斷層每年以1~3 cm/yr的潛移速率在地表快速地變形,是全世界數一數二活躍的潛移斷層帶,而其上的池上斷層,更是全長150km的花東縱谷斷層地表潛移最明顯、小地震活動最活躍的地區(圖二)。近幾年本研究室深入研究此地區的地震活動,發現了大量的重複地震序列(30個地震序列,共110個重複地震事件),其空間位置及與池上區域地震活動的相關性如圖二所示。
圖二、(a) 台灣地體架構示意圖。空心箭頭指示菲律賓板塊和歐亞板塊的相對運動速度8cm/yr。方形框指示研究區域-池上地區。(b)重複地震的空間分佈與背景地震的關係。灰色圓代表1991-2003年12月的地震活動,紅色圓心指示重複地震序列的位置。黃星為規模大於5的主震,空心星形為規模大於6的主震。1992/5/28M5.4餘震群由藍色圓心表示,1995/5/27 M5.3餘震群由綠色圓心表示,2003/12/10 M6.5餘震群由空心圓表示。

我們發現重複地震集中在池上區域地震活動帶的最北邊,並遠離此區自1990年以來規模大於5的主餘震群(分別為1992年規模5.4, 1995年規模5.3, 2003年規模6.5)。池上斷層上的30個重複地震序列規模範圍為1.9至3.7,其重複週期為39分鐘至6年不等,每個序列中均包含3至7的重複地震事件。台灣、加州、與日本的重複地震序列之週期(Tr)與地震矩(Mo) 關係如圖三所示,其中地震矩與地震規模為正比關係,其換算採經驗式 logMo=2.071ML+13.244。與美國加州重複地震資料回歸出的線性( , 如圖三紅線所示)相較,台灣的重複地震週期約為加州重複地震週期的兩倍短、而日本約為加州重複週期的四倍短。換句話說,對一個規模5的地震若在加州有~18年的重複週期,則在台灣和日本,這樣規模的地震週期分別約為9年及4.5年。
圖三、 (a) 週期-地震矩關係之比較: 62 組加州San Andreas fault 重複地震序列(實心符號), 30組台灣池上斷層的重複地震序列(空心三角),及 5組日本隱沒帶的重複地震序列(空心圓)。 (b) 圖說列出重複地震序列的規模、序列數目、及週期性(由COV,coefficient of variation表示,趨近於0表示此地震序列為絕對的週期性,而~1表示在時間序列上不規則)。

這些週期的差異性來源可能有二,其一為三個斷層系統具有不一樣的區域應力累積速率(tectonic loading rate),在加州San Andreas fault上的長期滑移速率為2.3 cm/yr,而在台灣池上斷層、日本隱沒帶分別為3.7 cm/yr及8 cm/yr。第二個可能性是可重複破裂的斷層嵌塊(repeatable fault patch)之特性因地區而異。假設斷層長期滑動速率與重複週期呈反比關係: Tr∝1/Vf,不同區域的重複地震週期可依下式進行正規化
,
(1)

其中 為正規化後的重複週期,TrVf分別為原重複週期及長期斷層滑移速率,而Vparkfield = 2.3 cm/yr為參考值,正規化至相同的斷層滑移速率(Vparkfield = 2.3 cm/yr)後,結果如圖四所示。日本及台灣的資料落在加州地區Mo-Tr的線性上。此結果表示,斷層滑移速率是控制重複週期的重要因素。儘管三個研究區域的斷層型態及特性皆異,本研究發現,在考慮到區域滑移速率之差距後,重複地震規模與週期的關係具有全球一致性。
圖四、正規化後的地震矩-週期關係 。
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