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地震密集帶(盲斷層)之相關研究

黃信樺 許毓芳 馮冠芙 陳璽安

中央研究院地球科學研究所

林明藏 盧韋岑 徐魁江

中央氣象局 地震測報中心

壹、研究背景與目的

臺灣位處於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊的交界，造山活動劇烈，地震頻繁，

地震災害一直是最主要的天然災害之一。欲防範與降低地震造成的直接或間接的

災損，必須了解活動斷層構造在時空上的分布與特性。針對地表有可辨識的露頭

的斷層，經濟部中央地質調查所與地質學家持續在調查與更新臺灣的活動斷層(圖

一)。然而，斷層的錯動未必皆會破裂到地表。這類沒有破裂到地表的斷層，我們

稱之為盲斷層。事實上，近年來發生的多起中、大型地震活動(ML5.0-6.5左右)，

如中部 2013年 3月與 6月相繼發生的南投地震(Lee et al., 2015)，西南部 2010年 3

月規模6.3和2016年2月規模6.4的甲仙與美濃地震(Huang et al., 2011; Huang et al.,

2016)，還有東部 2013年和 2015年的瑞穗與鳳林地震(Lee et al., 2014)，都是深部

構造(盲斷層)，難以直接與任地表已知的活動斷層做連結，特別如甲仙地震與美濃

地震的發生，揭露了過去未曾發現的深部孕震構造，更造成高屏震央區及台南等

鄰近大都會區相當程度的強地動災害。從這些地震造成的嚴重災情可以知道，盲

斷層也具有很高的災害潛勢。臺灣的造山運動先經歷了臺灣海峽的古張裂活動後

才因菲律賓海板塊的西北向移動才進行造山。由新生代沉積相所建構出來的基盤

面(Lin et al., 2003)，在臺灣西岸由北往南呈現從台西盆地、北港高區到台南盆地的

低-高-低的複雜起伏，在張裂時期一系列的地塹、地壘與正斷層構造，在反向碰撞

壓縮的過程中，一是在幾何型態上會影響到上覆增積岩體與折皺逆衝帶的發育，

二是其正斷層可能會以滑移斷層或高角度逆斷層的形式再活動(Reactivation)，進而

產生新的、以及影響到上部的孕震構造(Brown et al., 2012; Camanni et al., 2016)。以

2017年五月發生的一系列規模 4左右在深度 10-20公里的中埔地震序列來看，也

突顯了深部構造的活躍以及在對了解臺灣西部地體構造活動的重要性。這些都顯

示了只掌握有地表破裂的淺部活動斷層對地震防災是不足的。本計畫即欲利用地

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震學的方式對地下深部孕震構造進行測繪，第一年首先以近年地震活動明顯上升

的西南部為研究區域，逐步建立全臺灣的深部地下斷層構造模型，探討其幾何分

布以及與淺部斷層(如梅山、九芎坑與旗山斷層等)的構造關係，未來並可供地震災

害機率模型使用(Wang et al., 2016; Shyu et al., 2016)，評估可能的地震災害潛勢。

圖一 經濟部中央地質調查所於 2012年公布之臺灣活動斷層分布圖。共計 33條，

經判識其中第一類活動斷層有 20條，第二類則為 13條。

貳、資料收集與研究方法流程

自 1970年代起氣象局迄今已累積將近 50年的地震資料，自 1991 年起推動強

地動觀測計畫，於 1994年進行即時資料之傳輸，到 2012年升級為 24位元的新一

代觀測網，逐漸提供更高品質的地震目錄。所以我們先以 2012年以後的新一代測

站網資料為優先，再往回回溯分析。本計劃於期中完成了 2012至 2017年的資料

研究分析，確立成果與方法流程後，一路回溯分析至 1990年，於期末完成了 1990

至 2012年的分析部分。共計 24年的資料。研究的流程如圖二所示。針對臺灣西

南部地區，我們以時空雙連結地震序列抽取法(Wu and Chiao, 2006)將氣象局的地震

資料分為背景地震資料與在時空上有群集特性的主餘震序列資料兩種。根據前人

過去在臺灣地區分析的經驗(Wu and Chiao, 2006)，分別取 3天與 5公里作為時間與

空間的連結參數，並且餘震數目需大於 100個以上。包括 1994年到 2012年的部

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分，共抽取出主餘震序列 48群，如圖三 a所示。我們以年份來標示序列的顏色，

可以發現地震序列主要集中在 2010年之後，在 2010年以前的地震序列在 48群中

僅佔 13群，確實顯示臺灣西南部近年地震活動性的升高與地下斷層測繪的重要性。

接著，我們將 48群主餘震序列的地震資料進一步分成初達波走時資料與極相

資料(P波上下動)兩部分。先以走時的資料對每一群地震序列進行三維雙差分定位

法(Lin et al., 2014)的重新定位。使用 Huang et al. (2014)的大區域速度模型。定位結

果展示於圖三 b。兩相比較下，可以確實看到多數地震序列分佈皆有變得較為集中

的現象。特別在中央山脈的序列更為明顯。重定位後的地震序列於後將做進一步

的空間斷層面擬合分析。

另一方面在極相資料的分析，由於重定位後地震位置的移動會影響波線的出

射角(即各極相在海灘球下半球投影上的位置)，進而影響初動解的解算，因此震源

機制的分析須於重新定位後進行。我們採用基因演算初動解法(Wu et al., 2008)來求

取震源機制解。同樣地，以期中報告時的 2013/05/16 ML4.3主餘震序列作為說明，

圖四為重新定位前後比較的結果，可以看到餘震分布有明顯的線性集中。並且，

隨著定位的改善，震源機制也會有所改變(紫色海灘球)。

接著在尋找空間中斷層面位態的部分，從期中報告時以方位角每 10度切一個

剖面，從三維空間中旋轉檢視地震群來判識最集中分佈的剖面的人工方法，我們

已在期末報告中，初步完成Matlab程式的撰寫，以三維斷層面迭代擬合的方式自

動化搜尋最佳的斷層面位態，每次迭代會計算相關係數(R值)，並剔除兩個標準差

以外的點做下一次的迭代，直到當下迭代得出的 R值與上一次迭代的 R值不再有

明顯變化即停止。此作法是為了避免一些因在第一步驟抽取地震序列時可能包進

一些鄰近但又有點距離的零星地震影響擬合的結果。最後一次迭代計算的 R值即

可提供該地震序列接近面狀分佈的程度的參考。如圖五所示，我們以四群地震展

示三維面狀擬合與線狀擬合結果的比較。

對於ML>5.0且 R值不高的序列，我們以方向性地震矩張量反演法(Directivity

Moment Tensor Inversion, DMT)進行破裂方向性分析(Huang et al., 2017)，用以輔助

斷層構造的判斷。因為當斷層面積大到一定程度時，震源無法在瞬時間錯動整個

斷層面，就會產生從一處逐步破裂往另一處的現象，造成描述地震破裂過程的震

源時間函數會因破裂位置的移動而產生拉張或壓縮的現象（圖六 a藍色曲線），在

破裂前進的方向上，在總能量不變的情形下（函數積分不變），被壓縮的震源時間

函數因而增幅（紅色曲線），放大了地震波的振動，如圖六 b所示，位在方位角 90

（破裂前進方向）的測站波形明顯比方位角在-90（破裂前進的背向）的波形大上

數倍。因此，DMT的原理即是反向操作，在正規的地震矩張量反演前(Kanamori and

Rivera, 2008)透過將每個測站上的震源時間函數先對不同的破裂方向組合進行伸

張或壓縮的計算，再以後續地震矩張量反演上的波形擬合程度來決定最佳的破裂

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方向與震源機制組合。在本報告中，我們最後篩選出四群芮氏規模大於 5且餘震

分佈複雜或不集中的地震，其中兩群為 2010年的甲仙地震與 2016年的美濃地震，

由於已有許多前人研究可做參考依據，最後將針對另外兩個地震進行 DMT研究與

說明。

圖二 研究流程圖。氣象局資料分為初達波走時與極相(P波上下動)兩部分進行分

析，結合主餘震序列在空間中的幾何分布與震源機制解的結果來判斷斷層位態，

當無法清楚判別時，若主震規模足夠大(如ML>5.0)則進行破裂方向性分析輔助判

斷，最後對能清楚辨識的發震構造建立深部盲斷層的資料庫。

圖三 1990至 2017年間抽取出之地震序列分布圖。地震序列的顏色以發生的時間

表示。紅色實線為活動斷層。可以看出地震序列主要集中發生於 2010年之後，發

生於 2010年前的群數明顯較少(藍色系)。

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圖四 2013/05/16 ML4.3主餘震序列重新定位前後之分布比較。左圖為地圖上的分

佈情形，中與右圖則為在 AA’剖面上重新定位前與後之餘震分布比較。紫色海灘球

標示主震的位置與震源機制。

圖五 三維斷層構造幾何迭代擬合分析。(a)到(d)分別為四個案例。上、下圖展示面

狀(棋盤格)與線狀(紅色實線)擬合的結果。藍色圓圈為各序列的地震分佈位置。

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圖六 地震破裂方向性與放大效應。(a)震源時間函數(藍線)與因破裂方向性而壓縮

或伸張的是震源時間函數(紅線)，黃色星號與灰階長方形代表地震破裂的初始位置

與斷層面，空心三角形則代表位於不同方位角的地震測站。(b)地震向右(東)破裂所

產生的地震波波形，可以明顯看到位於破裂前進方向的東邊測站(90°)接收到的波

形振幅因放大效應遠大於背面測站(-90°)接收到的波形振幅。藍色與紅色垂直線段

標示了 P波與 S波抵達的時間。

參、分析與結果

一、地震序列分佈與斷層面分析

圖三為 1990到 2017年間在臺灣西南部地區抽取出的 48群地震序列的空間分

布結果。經過前述研究流程分析後，以新的自動化斷層面擬合方式，我們預計將

地震序列的斷層面判識簡化為三類(A-C)，假設三維空間面狀擬合與線狀擬合的相

關係數分別為 RP與 RL(圖五)，則 A類為呈清楚面狀集中的序列，RP大於 RL且大

於預設門檻值；B類為序列呈線性分佈(或稱管狀分佈)，無明顯的斷層面，RL大於

RP且大於預設門檻值；最後 C類則為無法判別之類型，地震的分佈無明顯集中趨

勢，RL與 RP皆小於各自的預設門檻值。針對 C類中規模夠大的地震(ML>5)，我們

會嘗試以方向性地震舉張量反演方法分析，做進一步斷層構造的判定。由於目前

撰寫程式之面狀與線狀擬合分別由兩個公式進行，彼此間的相關係數能否直接比

較尚有待推導確認，本報告目前先呈現面狀擬合的結果，及一些可能遭遇的問題。

最終的自動化分類將有賴後續計畫繼續完備。

圖七為空間中所有地震序列面狀擬合結果在三維空間上的展示，是我們在未

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來自動化分類完善之後的地下盲斷層模型的雛形。在現階段的結果，可以看出部

分地震序列雖仍可擬合出一個面，但餘震的分佈並不夠集中。圖八為全部 48群序

列擬合相關係數 R值與相對應之規模與地震個數的圖表。經人工辨識我們設定門

檻值為 R=0.45，在 0.45之上代表餘震有可辨的面狀集中趨勢，以下則更趨於團狀

或複雜的分佈。可以看出符合面狀標準的約 7群，基本上皆為主震規模相對較大

的地震序列，但反之主震規模大的地震序列卻未必都有很好的 R值，例如 4、31、

40號序列。

在低 R值的地震序列中，我們進一步做人工檢視，發現有些低 R值的狀況其

實是可能有不止一個斷層面的存在。如圖九所示，在定位前的序列像是均勻發散

分布的一群地震，在重新定位後出現四個明顯集中的面，在地圖與剖面上都看得

出來，可能是一系列的平行斷層系統。在這種狀況下，自動空間斷層面擬合是很

難判別的。這是自動化面臨的困難之一，但所幸這類的地震序列通常規模不大，

且多分布在中央山脈南段。經檢視篩選，共五群規模大於 5的地震序列需要進行

後續 DMT的分析，其中兩群是美濃與甲仙地震，其餘震分佈複雜，但因豐富的前

人研究(Huang et al., 2011; Huang et al., 2016)，已知是發生在一低角度北傾的斷層面

上，故不再分析。所以僅針對另外兩群地震序列做 DMT分析，分別是 2016/05/21

芮氏規模 5.3同樣發生在美濃地區的地震、2017/02/10芮氏規模 5.7的台南外海地

震，與 2017/05/24芮氏規模 5.1的嘉義中埔地震，結果詳述於下一章節。

圖七 1990年至 2017年間地震序列斷層面擬合結果之三維空間展示。各地震序列

以不同顏色表示，棋盤面為自動化搜尋的最佳斷層面位態。黑色實線為海岸線。X、

Y軸單位分別為經、緯度乘上 100 (為了與 Z軸深度公里單位相當)。

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圖八 1990年至 2017年間地震序列斷層面擬合的統計分析。(a)為各地震序列最終

面狀擬合的相關係數 R值(藍色直條)，橘色水平線標示 R=0.45的門檻值。(b)為各

地震序列的地震數目(橘色直條)與主震芮氏規模(藍色點線)。

圖九 2017/02/15發生在中央山脈南段的群震。主震芮氏規模僅 2.7。左圖為地震序

列在地圖上的分布。右、中圖分別為重定位前、後在 AA’剖面上的地震分布。

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二、方向性地震矩張量反演分析

以下我們對經檢視後，難以用餘震分布辨識斷層面位態，但規模足夠大(ML>5)

的三個地震個別進行破裂方向性分析：

2017/02/10 ML5.7台南近海地震

重新定位後的台南近海地震地震序列是約略呈東北東-西南西走向的分布(圖

十 e)，且位於新化、後甲里斷層的延伸線上(圖一)，以僅有的資訊可能會判定為一

條東北東-西南西走向的斷層，但三維面狀擬合的 R值不高，僅 0.17(第 40號地震

群，圖八)。實際進行方向性地震矩張量反演(DMT)後，發現主震的破裂方向位於

震源機制另一個西北北-東南南向的面上，沿東傾的斷層面向上破裂(藍色十字，圖

十 a)。破裂時間與地震矩規模約在 3秒與 5.3左右(圖十 c)。波形擬合的 VR(Variance

reduction)值為 0.46。在 DMT的方法中，從全球地震案例的測試結果來看，VR值

在 0.35以上即有一定程度的可信度(Huang et al., 2017)。並且，若仔細觀察圖十 e

的近海地形，可以看到一明顯西北北-東南南向的陡坡，暗示此區有類似的逆斷層

構造發育。

2016/05/21 ML5.3美濃地區地震

美濃地區地震序列重新定位後的地震分布，不管從地圖上或剖面上來看(圖十

一 d和 e)，都相當發散，難以判斷斷層面的幾何形貌。因此同樣地，我們利用分

析主震的破裂方向性來幫忙找到一些端睨。結果顯示，破裂方向沿西北-東南向東

北的低傾角斷層面向下破裂(藍色十字，圖十一 a)，破裂時間與地震矩規模約在 1

秒與 4.5左右(圖十一 c)。波形擬合不錯，方差降低值(Variance reduction, VR)為

0.51，帶因訊躁比門檻篩選的緣故可用的測站波形不多(圖十一 b)，所幸正好在四

個象限都有測站分布(藍色實心三角形，圖十一 a)，所以結果應該還是有一定的可

信度。以此區的地震構造背景來看，有深處以 2010年甲仙地震和 2016年美濃地

震所代表的近東西向北傾低角度盲斷層系統，與淺處出露地表的旗山和潮州斷層

(圖一)。以整體低傾角的特性來看，雖然位態較 2016年美濃地震進北傾的斷層面

偏東，角度也略陡，看深度相當。雖然走向上來看也與潮州斷層相近，但若沿破

裂方向的東北傾面來看，往地表的延伸以遠在潮州斷層西側，無法連接。因此，

初步研判此地震應屬甲仙-美濃底脫斷層系統的一部分，但因散亂與較少的餘震數

目，可能為較為次要的斷層構造。

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2017/05/24 ML5.1嘉義中埔地震

嘉義中埔地震雖然規模相對不大，但已是嘉義地區自 1906年梅山地震與 1998

年瑞里地震以來相對較大的地震，加上後續近期的一些規模在 4到 5之間的地震

持續發生，是否代表此區地震構造有再活躍的趨勢，值得關注與分析。首先從重

定位的結果來看，地震序列呈現團狀分布(圖十二 d和 e)，不易判別斷層面。利用

DMT的分析，結果顯示主震之破裂為順著近東西向北傾的面向下破裂發展(圖十二

a)，波形擬合VR值在0.5左右(圖十二b)，破裂時間和芮氏規模分別是0.6秒和4.3(圖

十二 c)。因此，研判為一條近東西向的斷層，與梅山斷層的東西向的地表破裂約

略平行(圖一)。由於嘉義地區位於東北東-西南西走向的北港高區的南緣，一系列

地塹-地壘的平行走向斷層系統相當發達(Lin et al., 2003; Chen et al., 2008)，中埔地

震應為此走向斷層系統的活動。

肆、成果與規劃

本計劃今年度完成了 1990至 2017年地震資料的主餘震序列抽取(圖三)、三維

重新定位(圖四)，與震源機制解算(圖四)。發展三維空間斷層面迭代擬合程序自動

化斷層面位態的搜尋(圖五)，將地震序列分為面狀分佈、線狀分佈，與複雜或無明

顯集中分佈等三類。目前面狀與線狀擬合分開進行，尚未整合一比較標準，本報

告目前呈現地是面狀擬合的結果(圖八)。預計在整合線性擬合後完善三類分類，建

立如圖七的三維地下斷層面幾何模型。另外，針對無明顯集中但主震規模大於 5

的地震序列，我們進一步使用方向性地震矩張量反演法求取破裂方向，藉以判斷

可能的斷層面位態，做構造判讀(圖十至十二)。經檢視篩選後，我們分別對

2017/02/10 ML5.7台南近海地震、2016/05/21 ML5.3美濃地區地震和 2017/05/24

ML5.1嘉義中埔地震進行破裂方向性分析與構造推論。這一整套研究流程的建立，

將依序應用到其他地區的地震構造測繪。在下一個階段的計畫，我們希望逐步加

入斷層面積與再現週期等參數(Wells and Coppersmith, 1994)，讓地下盲斷層模型能

實際加入地震機率危害度分析的計算(Wang et al., 2016; Shyu et al., 2016)。

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圖十 2017/02/10 ML5.7台南近海地震破裂方向性分析。(a)破裂方向殘差分佈，顏

色越深代表殘差降低的程度越，藍色十字為最佳解，藍色實心與空心三角形為使

用與未使用的測站的出射角位置；(b)波形擬合結果，黑色與紅色曲線代表觀測與

模擬波形；(c)震源時間函數；(d)和(e)為地震序列在地圖與剖面上的分佈。

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圖十一 2016/05/21 ML5.3美濃地區地震破裂方向性分析。(a)破裂方向殘差分佈，

顏色越深代表殘差降低的程度越，藍色十字為最佳解，藍色實心與空心三角形為

使用與未使用的測站的出射角位置；(b)波形擬合結果，黑色與紅色曲線代表觀測

與模擬波形；(c)震源時間函數；(d)和(e)為地震序列在地圖與剖面上的分佈。

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圖十二 2017/05/24 ML5.1嘉義中埔地震破裂方向性分析。(a)破裂方向殘差分佈，

顏色越深代表殘差降低的程度越，藍色十字為最佳解，藍色實心與空心三角形為

使用與未使用的測站的出射角位置；(b)波形擬合結果，黑色與紅色曲線代表觀測

與模擬波形；(c)震源時間函數；(d)和(e)為地震序列在地圖與剖面上的分佈。

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