一、地震前兆觀測彙整

地層錯動引發地震，錯動前地層會受壓擠甚或形變，這些現象是地震前兆最主要的來源。而前兆現象也可能反應在地震活動、地下水、地殼形變、地磁、重力…等不同地球物理或地球化學觀測資料上，端視區域地質構造及組成之物質成分不同而有不同的呈現方式，因此地震前兆現象的觀測，宜有完整的歷史相關資料分析做為基礎，找出最可能的地震前兆呈現方式，用以做為重點式之觀測。但一般而言，在可能有前兆現象地區做深入探討時發現，前兆呈現方式非常複雜且未必有重複性，因此儘可能全面性或綜合性的進行相關現象之觀測，為不得已之必要措施，如果能綜觀所有觀測資料進行交互比對，亦將有助於經驗及成果之累積。下列為本節之重點：

（一）臺灣地震背景活動分析及地震活動監測及分析。

（二）地下水井水位變化與地震活動之關係。

（三）GPS連續觀測、地殼應變監測與地震前兆之關係。

（四）GPS資料計算電離層TEC與地震前兆之關係。

所有觀測成果將依此方式逐年彙整與累積，做為臺灣地震前兆研究之參考資料。

（一）臺灣地震背景活動分析及地震活動監測及分析

1、處理流程

地震活動度的異常分析，被視為地震前兆現象研究中極為重要的課題。惟所謂的異常是一個相對性的指標，意指對於一個具有地震活動的地區，應可找出代表背景活動度的地震活動，透過分析與比較，如能發現趨勢改變與某些重大事件有關，即可視為可能之前兆現象。背景活動度可由過去累積之地震資料歸納彙整，但這種方式與地震資料庫的觀測時間長度以及完整性有直接的關聯性。綜觀臺灣地區過去12年，各地陸續有災害性或較大地震發生，其形態與歷史資料形態顯為雷同，應為嘗試背景地震活動分析工作的良好契機。

背景地震基本上可視為因應力累積引發之例行性地震活動，如觀測時期或資料時間夠長，應力累積至釋放其週期性應可觀測，因此地震序列中之餘震序列係因主震應力釋放後之應力再平衡作用，則須被排除。至於時間間隔，本研究以一個月為分析樣本，針對中央氣象署於1994至2005年間共計12年地震觀測資料，進行地震序列的篩選過程。過濾條件包括三項：

（1）當月的地震總個數超過3,000個以上；

（2）當月規模大（等）於2以上的地震個數超過1,500個；

（3）當月總累計規模大（等）於7。

符合上述三個條件任一者，則當月全區地震資料予以剔除！經此步驟，原本12年共計144個月份的資料，被刪減為129個月份，地震觀測資料由268,296筆減少為185,193筆，此觀測資料為進行後續平均背景地震活動分析的基礎。

2、結果討論

圖5-1(a)為背景地震觀測資料全區之b值分析，藍色三角型為各個規模之地震發生個數，可做為與往後資料比較之參考。為能兼顧資料樣本數、完整性與後續研究的契合性，利用網格化的分析方式，將臺灣地區（北緯21°~26°、東經119°~123°）切割成大小面積相等的正方形區塊進行計算，每個網格為中心點上下左右各0.1°，每次移動間距0.1°，依序計算每個子網格的月平均背景地震活動參數，包括b和a值（圖5-1(b)），圖中符號表示為1930年後規模大於6之地震。依相同的網格化分析方式，圖5-2繪出月平均地震個數、月平均累計規模與平均地震深度等數值之等值圖，並將每個子網格的地震以深度40公里為界分別計算，這些參數可視為是各個子網格本身的背景地震之活動特性。

中央氣象署自1994 年起進行即時資料之連續記錄，進而以離線方式分析所記錄資料，大幅提升解析本地區地震發生及活動之完整性，除了地震數增加外，最小可分析之地震規模亦降至約1.8-2.0。本研究分析1983至2007年之淺層（小於40公里）地震資料，以月為單位，統計不同規模區段之地震個數及計算最大規模（綠色星號）、累積規模（黑色星號）之月歷時圖（見圖5-3），初步分析可知（1）、1999/09/21 及2002/03/31 兩大地震發生前數月之地震發生數明顯減少，尤其是小規模之地震。 （2）、以地震規模6.5為準，綜析1983至2007年間地震活動，1994至2005年為一地震活動之活躍期，其前1988至 1994年則為相對之平靜期，延續相同分析至1935年如圖5-4，活躍及平靜期是重複發生的，平均而言，活躍期之時間長度約為10±2年，平靜期之時間長度約為5±1年。

（二）地下水井水位變化與地震活動之關係

1、地震地下水系統觀測網

中央氣象署在配合行政院國家科學委員會「地震及活斷層研究」的跨部會重大科技計畫下，與經濟部水利署所負責之「地震發生前後地下水位異常之研究」計畫合作地下水位變化與地震前兆相關性之研究。自2004年3月開始透過T1專線將花蓮氣象站地下水觀測井的水位資料即時傳回氣象署，再藉由地下水位接收及即時展示程式可對水位資料做即時的判斷與異常偵測。並於2005年1月陸續設置宜蘭縣壯圍、臺南縣那菝與臺南縣六甲等3口地下水即時觀測井，2006年1月增設雲林縣東和及屏東縣赤山2口地下水即時觀測井，至2006年底已完成6口地震地下水觀測井之建置（圖5-5）。

各測站水位資料皆以1HZ的採樣率即時傳回至地震測報中心，此外為修正並排除地下水位受降雨、大氣壓力因素影響導致的水位變動，同時接收氣象署所屬雨量站之即時雨量觀測資料，並於觀測井增設氣壓儀傳回即時氣壓資料。就目前所記錄之地下水水位資料，對於地震同震變形、遠震表面波皆有十分良好的紀錄，顯示地下水位觀測井封閉性佳對於地殼的應變反應靈敏。目前資料處理的方向為針對各測站接收的紀錄資料作非構造因素影響量之分析，期望能將非構造因素排除後，對因為地震或地震前所產生之應變，做更有效的掌握。

2、異常研判

（1）異常水位變化：

目前初步可將異常水位變化分為二種類型，第一類水位有異常變化且有地震發生、第二類水位有異常變化但無地震發生。若測站觀測到水位有異常變化時，持續觀測數小時至數日後是否附近有地震發生，若發生地震且測站震度達到1級以上則歸為第一類，若無地震發生或附近有地震但測站無震度則歸類為第二類。

（2）同震水位變化：

各測站目前已有累積十分豐富的同震紀錄，其中同震造成的水位階變紀錄達15個。以2006年4月1日18：02臺東地區M_L規模6.23的地震為例，最靠近震央的赤山站（CHI）的水位階變約為6公分（圖5-6），其他測站亦可收到清楚的同震水位變化。分析這15次水位階變初步可歸納出臺灣地區發生規模大於6的地震則至少有一站可以觀察到水位階變。

3、結果討論

花蓮站因距離海岸近，因此地下水水位資料受潮汐影響很大，潮汐日變化及每月大、小潮的變化相當明顯。在排除降雨與人為抽水影響後分析其水位變化，除豐富的同震紀錄外，初步可將花蓮站地震前水位異常變化型態分成水位突升型（Up）、水位突降型（Down）與引潮力影響型（Neap）（圖5-7）。分析水位異常開始至地震發生的時間，最短則只有1小時，最長達約5天，地震之篩選以測站震度達到1級以上之地震為主。 綜析在地震前觀測到水位明顯異常變化之紀錄達21次如表5-1，地震分布圖如圖5-8，花蓮站水位異常與地震關聯性統計結果如表5-2（截至2008年6月為止）。然而花蓮站所收到的紀錄裡，仍可觀測到19次水位異常卻無地震發生的情形。因此仍需長期監測以累積更多水位異常的紀錄與地震資料，期進一步分析水位變化與地震前兆之關聯性。另外，2004年12月26日08：58（TST）發生於印尼蘇門達臘島Mw 9.1的地震，那菝站（NAB）及花蓮站（HWA）兩站均可記錄到表面波造成非常明顯的水位變化（圖5-9）。

（三）GPS連續觀測、地殼應變監測與地震前兆之關係

1、處理流程

GPS研究地表形變係利用GPS高精度的相位觀測來監視點位的移動或點與點之間的相對運動。由於地殼變動的精度要求相當的高，一般而言，公分級的變動已可引起觀測者的注意，因此，從點位選擇、埋設、資料蒐集、處理與最後的資料展現與解釋，都要求的非常嚴謹，並且要考慮整個地球非均勻性的轉動與轉動軸的傾斜、轉速的變化等因素。在氣象署的GPS資料處理系統是由電腦透過網路每天蒐集測站的資料，再加上臺灣附近世界網的資料以及全球網所算出來的衛星精密軌道，來計算各測站之間的相對位置。由於現有的GPS連續觀測站已有上百站，我們分作四個子網，利用美國麻省理工學院所發展出來的GAMIT軟體做資料處理，求解包含各測站的座標，並儲存求解過程中觀測方程式的方差協方差矩陣，以便各測站間做進一步整合。在整合各個子網時，我們利用MIT發展的GLOBK程式，加上世界GPS資料處理中心處理世界網時所儲存的觀測方差協方差矩陣，做整體座標的解算，以將臺灣各測站的座標約制在世界座標上，並減小因大區域觀測所可能帶來的尺度與方向旋轉的問題。GLOBK除了可以將每天的資料做整合，還可以將多天，甚至一年或多年的資料做整體性的結合。在整合時，一般都假設正常的測站之移動速度是長期穩定的，因此，除非有地震活動或其他的異常地體構造變化，每一站應該都可以同時解算精確座標與速度。

2、地表形變速度場

臺灣地區地殼形變速度場分析，剔除集集地震之永久變形，1999年至2004年相對於澎湖之GPS變形平均速度場如圖5-10。如能以其為基礎，分別分析各觀測點在時間域內之變化及其與大地震之關聯，並長時間歸納之，將可能找出地殼形變之可能地震前兆現象。

中央氣象署於集集地震後負責臺灣地區全球衛星定位觀測網之建置，歷時5年共設立150個GPS固定站，以即時資料傳輸方式送回臺北處理，圖5-11(a)~(d)各圖為2004年至2007年之GPS絕對變形年平均速度場，剔除大地震之永久變形，最後將分年結果彙整於同一張圖（圖5-11 (e)），藉以分析其年變化是否與地震活動有關。本分析將長時間累積，以與其他相關研究比對。

3、地表形變與地震活動

圖5-12為花蓮GPS在三維空間之觀測結果及其與附近地震之關係（黑線條），緯度上之變化似乎預先反應該地在2000年7月初及9月初兩個規模大於5.5之地震。

（四）GPS資料計算電離層TEC與地震前兆之關係

1、處理流程

以GPS資料計算電離層總電子量（Total Electron Content）理論敘述如下：電離層中存在著相當多的帶電粒子，對電磁波而言電離層為一種頻散介質（dispersive medium），即折射係數（refraction index）和真空折射係數不同，因此電磁波在電離層中傳播和帶電粒子產生交互作用後，傳播速度就和真空中的傳播速度不同，傳播時間也隨之改變。同樣的情形也會出現在GPS的雙頻電磁波L1&L2），因此藉由電磁波傳播時間的改變，即可推知電離層中的電子數目。

地震前影響電離層的可能原因如下：

（1）地表微細變化常會引起大氣極低頻振動，並顯現於距地表80公里左右之電離層電子濃度變化中。

（2）地殼會大量釋放出各種氣體而擴散於大氣中，並且進入電離層，而引起電子濃度之變化。

（3）地殼擠壓或微小振動，會引起地電場及地磁場的變化，產生的電磁場變化又會進一步感應大氣及電離層中之帶電粒子而引起異常。

（4）在地震的孕育時期，由於板塊之間的擠壓若地殼產生微裂縫時，會於地殼上產生活躍的正電子洞（mobile positive holes）。這些正電子洞會向外擴散流出至地球表面在地表處形成一極大的電場。

2、異常研判

（1）當天計算所得電子濃度低於最近16天統計指標下界，判定為異常。

（2）取當天電離層電子較活躍的時間自上午10時至下午6時，共8小時計算所得電子濃度資料與下界比較，因計算後之電子濃度資料為每15分鐘1筆，所以8小時資料共計32筆逐一比較，若有19筆以上低於下界，為60%異常；若有9筆以上低於下界，為30%異常。

（3）結合地磁觀測資料（Disturbed Storm Time），排除磁暴因素對電離層電子濃度的影響。

（4）與規模5.0以上地震比對驗證。

3、結果討論

（1）中央大學太空所劉正彥教授等人研究自1994年以來的資料顯示地震規模5.0以上5天前發生電離層前兆的機會為74%，且地震的規模愈大出現前兆之機會也愈大。另外，電離層前兆後5天內出現地震的機會為53%。

（2）本研究2004年7月1日~2008年6月30日這4年中共計有110個規模大於5.0的地震，其中有83個地震發生前5天內電離層有異常情形，機率為75%（83/110）。

（3）2004年7月1日~2008年6月30日這4年期間電離層TEC共出現220次異常，異常發生後5天內，其中101個有地震發生，扣除23個受磁暴影響及6個受颱風影響，異常後地震發生機率近53%（101/191）。

二、花蓮地區GPS時間序列變化與地震之關聯性初探

本區位於板塊劇烈碰撞的區域，碰撞的形式大致由北向南分成三類型，北段在臺灣花蓮外海區域是由菲律賓海板塊隱沒至歐亞大陸板塊之下，中段在花東縱谷區域是兩板塊劇烈碰撞擠壓，南段則是由歐亞大陸板塊隱沒至菲律賓海板塊下，這三段不同碰撞的類型造成臺灣特有的地體構造及地形（圖5-13）。而花蓮地區正好位處於北段以及中段碰撞類型轉換的區域，區域內地震發生的頻率亦是臺灣地區較高的區域，不僅小地震發生頻繁，歷史上更曾發生數次災害性大地震，本署先前曾針對花蓮地區，訂定秀林至吉安之間為指標地震區探討地震前兆現象（蕭文啟等，2006），本研究將分析、探討花蓮地區部份具有相似年週期變化測站的GPS時間序列資料，並將此現象與地震發生是否有關聯性進行分析。

（一）花蓮地區GPS水平速度場

本研究使用時間序列是GPS觀測資料經Bern42軟體解算所得，並將2004至2008年GPS時間序列資料，去除年週期、半年週期、同震位移及儀器更換等等非構造性因素造成之影響，獲得花蓮地區長時間穩定的水平速度場圖（圖5-14）。此地區的水平速度場大致可分成三區：

1、北區：

共有南澳（NAAO）、和平（HUAP）、崇德（CHNT）、西寶（SPAO）以及布洛灣（BLOW）等5個站，位移方向是SE向至ESE方向，移動速率約有2.0~5.0cm/yr。

2、南區：

共有水璉（SHUL）、東富（DNFU）、豐濱（FENP）、大興（DSIN）以及鶴岡（HRGN）等5個站，位移方向是NW向至NNW方向，年移動速率除了大興位於花東縱谷斷層西側量值較小外，其餘測站約有1.5~5.0cm/yr。

3、中區：

共有北埔（PEPU）、花蓮（HUAL）、東管處（YENL）、銅門（TUNM）、東華大學（NDHU）以及西林（SLIN）等6個站，移動速率都是小於0.5cm/yr，位移量相當小，位移方向則是比較沒有一致性。

整體速度場看起來，似乎是以花蓮市區為圓心，呈現一個順時鐘旋轉現象，此現象應與此區域位處歐亞、菲律賓兩板塊碰撞由北段轉換至中段，進而衍生應力應變方向變化有關。

（二）花蓮地區GPS時間序列變化

觀察花蓮站（HUAL）2000年至今的時間序列（圖5-15），可以發現在EW向有很明顯年週期性的變化趨勢存在，試著比對花蓮區域其他GPS測站（圖5-16），結果顯示北區的HUAP、BLOW、CHNT，中區的PEPU、YENL，南區的DNFU、HRGN同樣在EW向有明顯的年週期性變化，並且變化的時間點各測站都是近似的。

比對的過程中發現在NS向（圖5-17），中區的NDHU，南區的SHUL、DNFU、DSIN以及HRGN也有年週期性變化現象，但在北區則是較無法明顯觀察到此現象。另外，所有測站中只有DNFU及HRGN，在NS、EW向都有明顯的年週期變化，再仔細觀察兩站時間序列（圖5-18），可以發現NS、EW向變化的時間點是近似的。

圖5-19為花蓮地區年週期性變化測站分布圖，EW向年週期變化測站約分布在北區及中區之鄰海測站，以及南區花東縱谷斷層東側的DNFU、HRGN；而NS向年週期變化測站則是分布集中在DNFU以南，花東縱谷斷層兩側周圍。是否由於兩板塊碰撞有應力集中、鬆弛的年週期變化，才造成此區域數站GPS時間序列資料有如此變化，需要其他相關研究加以驗證。

（三）花蓮GPS年週期變化與地震活動關聯性

假設花蓮區域真的有板塊碰撞應力集中、鬆弛的年週期變化，那是否當應力集中至一定程度會導致地震發生，而地震發生之後釋放能量，接著應力就會進入鬆弛階段。

觀察花蓮站（HUAL）GPS時間序列（圖5-15），除了EW向自2000年至今都有明顯的週期性變化外，NS向在2000~2002年亦是有週期性變化，但自2003年起就比較觀察不出週期變化現象，因此接下來只針對EW向變化做討論。

觀察2000年至今EW向時間序列，大致可以推估約在每年5月到9月期間花蓮站是向東移動，每年10月至隔年4月則是改向西移動（圖5-20），並搜尋花蓮站周圍50km內深度小於70km以上規模ML≧5的地震活動，結果發現約有8成機率M_L≧5地震發生在每年4到8月期間，而此時段也是花蓮站在EW向由西向轉換成東向之時間點（圖5-21），地震詳細資料如表5-3所示，從空間分布來看這些地震活動（圖5-22），地震分布大約位於花蓮市西北邊區域，及在東部外海呈線性分布。

試著再將一年的速度場依5~9月份以及10~4月份分開比較，由於時間區段誤差量會增大，因此將2006~2009年共3年資料來平均以降低誤差量，3年解算速度場資料如表5-4所示。圖5-23水平速度場比較圖可以發現在花蓮（HUAL）以北區域，5~9月間速度較大；相反的南邊區域則是10~4月份速度較大，全部測站中只有FENP站5~9月間與10~4月間的速度幾乎相等，而HUAL、PEPU、DNFU等3站變化角度極大，幾乎快達到180度反轉。

（四）討論

1、花蓮地區水平速度場似乎是以花蓮市區為圓心，呈現一個順時鐘旋轉現象，此現象應與本區域北邊有歐亞大陸板塊向東南位移、南邊有菲律賓海板塊向西北擠壓，兩股力量拉鋸所造成的。

2、花蓮地區GPS時間序列中，許多測站皆有年週期變化情形，是否表示著兩板塊間碰撞應力變化有集中、鬆弛的年週期變化，值得再深入探討。

3、觀察花蓮站（HUAL）GPS時間序列，發現有8成ML≧5的地震活動會發生在每年4~8月期間，也就是花蓮站（HUAL）位移正由向西轉為向東時間點，是否表示著應力向西集中累積導致地震發生，而地震釋放能量後應力即轉而向東進入較鬆弛階段。

4、將一年的速度場依5~9月份以及10~4月份分開比較，結果顯示5~9月間花蓮市以北區域位移速度較大，10~4月則反而是以南區域位移速度大。

 

 

圖5-18、2006年~2009年7月4日花蓮東富（左圖）以及鶴岡（右圖）時間序列（remove linear，每站縱軸為 -2 ~ +2 cm）。

 

 

圖5-19、年週期變化測站分布圖（虛線為地質分區界線）。（圖中有標示站名的為有年週期變化現象的測站）。