【本篇文章由地球科學系 陳卉瑄教授研究團隊提供】
 
一、前言
 
構造長微震(tectonic tremors)，是能被地震站的連續記錄解析得到、並有構造起源的微弱訊號，為慢地震家族的一員。它和一般地震比起來特別長(可達數十分鐘至數小時); 和背景噪訊比起來振幅更大、頻率更高 (其定義解釋的科普文請見此)，因此取其持續更久、但相對微弱的振動特性，筆者偏好使用「長微震」一詞撰文。
 
和世界上好發於隱沒帶的長微震不同，台灣的長微震過去被發現頻繁地發生在中央山脈南段下方，這也是全世界非常稀有的、在「非火山區域」造山帶之慢地震觀測證據。前人研究指出，隱沒帶的高溫、富含水、和高孔隙壓的環境，使得該處達到岩石破裂的應力門檻低，是醞釀長微震的絕佳環境。而在台灣，慢地震發生在最高峰玉山的南方，其下方正是歐亞板塊停止隱沒、開始和呂宋島弧碰撞的過渡帶，在這個地震不會發生、也沒有成熟斷層面發育的地方，。長微震的存在，是理解「慢地震生成機制」的關鍵地。
 
二、偵測手段
 
利用中央氣象署地震網CWASN和中研院寬頻地震網BATS共超過80個地震測站的連續資料(CWA, 2012; https://doi.org/10.7914/SN/T5)，本研究利用Mizuno and Ide (2019) 發展的統計法則 (最大概似估計法) 進行偵測，此法是傳統envelope correlation method (波形包絡化相關係數法) 之修正版，適用於大量測站(用於日本的偵測範例使用測站高達313個)、能快速而精準地在大量資料中偵測長微震事件並進行定位。每300秒的連續波形在進行濾波、包絡化、疊合後，可計算不同測站間的互相zA關係數、約制用以定位的測站間到時差，並以初步定位結果生成合成波形、以驗證震源位置。這個方法使用「可定到位的事件」進行初步篩選，為了進一步得到「持續時間夠長、非小地震亦非噪訊」的長微震事件，以下將用排除法去除錯誤偵測：
 

1. 定位誤差大於2 km，予以排除;
2. 太多或太少測站對(station pair)達互相關係數(CC) 門檻 (>1000或<30個測站對間的相關係數高於0.6)，予以排除;
3. 利用最大振幅與震央距計算所得之能量規模(Me) 大於3.0者，予以排除;
4. 各測站波形經由時間差修正並疊加後，利用「最大振幅一半」所定義的持續時間須大於10秒，未達此門檻予以排除;
5. 要求時空的叢集性：10 km內、60秒內發生的方考慮為事件群，其餘排除;
6. 與氣象署地震目錄差距20 km、20秒內，視為地震事件並排除之;

 
三、偵測結果
 
利用以上手段，在2012-2022年間共偵測到~7000個長微震，除了過去熟知在中央山脈南段好發的長微震群，新偵測到的事件群皆沿著山脈走向，共分成五群：其座落在中央山脈下方20-50 km深處，由南到北跨共達200 km遠，如圖一a由粉紅線圈出之區域I~ V所示。圖一b的時空分佈可見空間獨立的五群事件，其群心位置約發生在沿山脈走向距離(AS_dis, 即b圖之縱軸) 50 km, 110 km, 180 km, 220 km, 260 km處，其中Cluster II的數量最稀少，在本研究中予以忽略。
 
圖一 a 的 Cluster I 中，可見越向東越深的趨勢，為進一步釐清對應的構造幾何，我們在每0.1度x0.1度的水平空間網格，求取震源深度的平均值，並以最小平方法求得這些空間平均點連起的最佳構造面，結果如圖二所示，可得走向為29.3度、傾角為20度，與Ide et al. (2015)利用波形逆推所得之震源機制的13度一致。中央山脈南段的長微震群之構造幾何在過去有諸多爭論(Chen et al., 2018)：長微震事件的定位結果和潮汐敏感度約制所得之構造面為東傾、高傾角; 震源機制和本研究裡用更多事件群的定位結果，則為東傾、低傾角。在這個位於下部地函的變形帶，是否由於歐亞歐亞板塊停止隱沒、拆層所對應之浮力主控的高傾角、還是歐亞板塊內部的高孔隙壓局部弱帶主控的低傾角？抑或對應到山脈下方大尺度的滑脫面？都需要更完整而精確的目錄、更精準的定 位結果方能提供解答。


圖一、2012-2022新偵測長微震事件之時空分佈。(a)由南至北 I~V共五群，其空間分佈沿著山脈走向，I群集中在沿走向距離約40-70 km處，II群較為稀少、集中於100-120km的東西兩側(IIa及IIb)，III、IV、V則分別集中於150-200 km, 210-240km, 及260-280 km處。(b) 長微震事件的時空分佈圖，縱軸為沿走向距離（對應到a沿山脈走向之距離)，橫軸為時間。圖中的顏色對應事件深度，為15-50 km間。


圖二、Cluster I對應之構造幾何估計圖。該區域內的長微震事件由小圓點表示，而利用每0.1度x0.1度的空間網格進行「震源深度平均」之計算結果，則以大圓圈表示，顏色對應到震源深度。(a)與(b)分別為俯視圖和垂直走向的深度剖面。

圖三則為分區活動性比較，Cluster I是發生率最高的一區，每天平均約1.2個事件，並以3、6-7、11月相對活躍; 而Cluster III~V則具有相似的發生率，每天約0.2個事件，並以4、7-9月相對活躍 。過去Chen et al. (2018)嘗試釐清其與潮汐和降雨等環境參數的相關性，發現長微震事件的活躍期對應到氣壓降低、潮位上升、較低降雨量和較低地下水位。值得注意的是，絕大多數的偵測發生在人為活動相對微弱的晚上七時～早上七時，說明長微震的可偵測性，受到背景噪訊的強度和特徵影響甚巨。事實上，背景噪訊和長微震事件的頻譜特性非常相似，圖四顯示了兩者相比，長微震事件僅在2-10 Hz的頻率區間更富集，而這個頻率的背景噪訊，絕大多數是人為活動產生(Chen et al., 2022)，因此，要從白天的背景噪訊中萃取出更多長微震事件、以達到一天內事件偵測的完整度，仍為一大挑戰。


圖三、不同長微震群的(a) 逐月和 (b)逐時活動率表現。資料為2010-20


圖四、四個長微震群在鄰近測站的波形頻譜(紅線)和背景噪訊頻譜(灰線)比較。

無震滑移(co-seismic slip)對應到的地震學表現，除了長微震之外，尚有重複地震和群震。全台灣重複地震目錄之觀測期間為2000-2010，由Chen et al. (2020)發表; 而群震目錄之觀測期間則為1990-2019，由Peng et al. (2021)發表。圖五中的灰色圓圈(重複地震)和暖色圓圈(群震)發生的空間位置重疊性高，主要集中在台灣東部，對應到由碰撞到隱沒過程的地震活動，包含縱谷斷層、中央山脈斷層系統。長微震發生在下部地殼之無震帶，和其他兩種地震現象並無空間重疊，然而在Cluster III-IV，事件位置發生中央山脈斷層帶西傾之延伸方向（在D, E, F區域，重複地震發生在西傾的中央山脈斷層，如該剖面的灰色點表現），未來有賴這兩區的長微震震源機制解，方能釐清：正進行著顯著(significant)無震滑移的變形構造，到底在造山運動過程中扮演什麼角色？


圖五、長微震（冷色系）、重複地震（灰色）、群震（暖色系）的空間分佈圖。左圖中垂直山脈走向的A~F之深度剖面如右邊六張圖表現。三種目錄的觀測期間並不同，長微震、重複地震、群震分別為2012-2022、2000-2010、1990-2019。此圖由彭葦博士另行製作，與發表的圖並不同。

四、未來方向
 
本研究為東京大學地球與行星科學系的井出哲教授與本研究室的合作成果，於2024年2月發表於Geophysical Research Letters。此篇文章以新偵測的長微震目錄為重點，並將新目錄的資料公開，以供其他研究所用。台灣的造山帶由南到北，標記了海洋到大陸板塊的隱沒，是全世界罕見的「造山帶地震學」天然實驗室。山脈下方及周圍的孕震特性， 需從seismic and aseiesmic slip更全面的尺度切入： 除了岩性邊界標記的弱面，快-慢滑移(快-慢地震)對應的時空特徵，如何受流體活動、孔隙壓和溫度條件影響？而造山過程中的構造作用(tectonic forcing)扮演何種角色？這些都仰賴著與其他地質、地物、水文、斷層動力模擬的成果進行比較和充分討論。
 
師大地科系的觀測地震學研究室，戮力於偵測、分析不同週期特徵的無震滑移地震學現象(重複地震、群震、長微震)，除了建置目錄、歡迎各方人士廣為使用之外，亦歡迎對此研究主軸有興趣的朋友們一同討論、激盪！
 
五、致謝
 
中央氣象署臺灣地震與地球物理資料管理系統提供的資料，是本研究能啟動和持續的最大功臣，在此非常感謝中央氣象署無償的資料服務！

參考文獻

• Chen, K. H., Yeh, T. C., Chen, Y. C., Johnson, C., Lin, C. H.,  Lai, Y. C.,  Shih, M. H., Gueguen, P., Huang, W. G., Huang, B. S., Chen, K. C, Lin, C. J., Ku, C. S. (2022), Characteristics and impact of environmental shaking in Taipei metropolitan area,  Scientific Reports, 12, 743,  https://doi.org/10.1038/s41598-021-04528-6
• Chen, K. H., Tai, H.J., Ide S., Bryne T. B., JohnsonC. W. (2018), Tidal modulation and tectonic implications of tremors in Taiwan, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123,  5945-5964,  https://doi.org/10.1029/2018JB015663.
• Ide, S., Yabe, S., Tai, H. J., Chen, K. H. (2015), Thrust type focal mechanisms of tectonic tremors in Taiwan: Evidence of subduction? , Geophys. Res. Lett., 10.1002/2015GL063794.
• Central Weather Administration (CWA, Taiwan). (2012). Central Weather Administration Seismographic Network [Data set]. International Federation of Digital Seismograph Networks.

本文轉載自國立臺灣師範大學地球科學系研究亮點，連結如下：https://www.es.ntnu.edu.tw/index.php/2024/03/25/research20240325/