邊坡地滑行為速度可以從每年數公分至每秒數公尺，然而滑動的速度往往決定 該事件造成的災害程度。坡地滑移速度主要又受控於本身材料物理特性(例如岩石強 度、透水係數、孔隙率)、地表降水及地下水位變化。過去對於邊坡監測與相關預警 工作，主要分為門檻式觸發方法(Iverson, 2000; Savage et al., 2004)，透過邊坡材料性 質與幾何參數進行安全係數評估；另外則是透過統計方法，建立降雨強度與雨場持 續時間(Intensity-Duration Curves)之關係式，作為坡地走滑的啟動條件之一(Caine, 1980; Guzzetti et al., 2008)。為了針對特定大規模高潛勢崩塌區域進行細部監測，中央 地質調查所長時間在崩塌區域內進行鑽探調查工作、設置水位觀測井與傾斜觀測管，
建立地下觀測系統長時間測地下水位變化及潛在滑動面之位移情形；並於地表上安 裝雨量計、GPS 監測等儀器，同時觀察可能的地表變形特徵及活動度評估。近年來，
地震儀(地動感測器)已廣泛應用於探討大規模崩塌事件的運動行為及機制(Chen et al., 2013; Chao et al., 2016, 2017)、預警相關研究(Mainsant et al., 2012)。震波式監測技術 相對於傳統崩塌地監測儀器的優勢主要為下列三點: (1) 高精度微地動監測能力(可達
(a) 寬頻地震儀 (Broadband Seismometer，BB)
本計畫採用的寬頻地震儀有兩種類型，分別為 Guralp CMG6TD (圖 4.1.3-1)與 Trillium Compact (圖 4.1.3-2)。前者 CMG-6TD 的儀器規格包含 24 位元數位化器、
三軸向速度型地震儀。可記錄訊號週期為 0.030 秒、資料取樣點範圍為每秒 1-250 點、內建 4GB 資料儲存空間、避雷裝置與 GPS 時間接收器等。資料擷取裝置 具備 125 dB 以上動態範圍，感震器敏感度約為 2×1200 Volt/m/s，記錄器倍率為 0.957μVolt/Count，理論可監測地動最小精度為 0.4 nm/Count。儀器外觀硬體特徵 為資料擷取器與感震器安裝於同一機殼內，外殼為耐腐蝕性材料，適用於潮濕的 環境。其規格為直徑 15.4 cm、高 24.2 cm 及重量 3 kg，主要為輕便、強固及容易 攜帶。供應直流電源 10-24 Volt，儀器可操作溫度範圍-10-75℃。內部時鐘使用之 晶體振盪器為精密之 TCXO 或 DCXO,穩定度需達<1 ppm。並能自動與 GPS 時 間接收器的時間同步。該儀器裝置配置一個 GPS 時間接收器,配線長度 15 公尺, 任何時間維持地震儀時間誤差於±0.001 秒內,並準確提供地震儀地理位置。耗電功 率約為 0.9 Watt，12Volt 鉛酸電池(45Ah)，約可以使用 25 天。
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(a) Guralp CMG6TD 寬頻地震儀及其相關配置
(b) 放置地震儀之圓桶示意圖 (c) 地震儀架設示意圖，其中桶內儀器必 須進行指北與水平調整
(d) 電池置物箱放置三顆 12V 鉛蓄電池及 儀器訊號線組
(e) 地震站架設完成遠照與地震儀使用之 GPS 架設位置示意圖
圖4.1.3-1 寬頻地震儀器 CMG6TD 儀器配置及簡易安裝流程示意圖 Figure 4.1.3-1 The flow chart of instrument Guralp CMG6TD installation
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圖4.1.3-2 Trillium Compact 寬頻地震儀與 DATA-CUBE3 儀器配置圖 Figure 4.1.3-2 Display of broadband (BB) seismometer, data logger, cables
and GPS antenna (b) 短週期地震儀 (Short-period Seismometer, SP)
本計畫執行期間採用的三軸向短週期速度感測器 KVS-300，固有自然振動頻 率為 1.9-2.1 Hz、振動敏感度為 0.8 Volt/cm/s、可容許的工作溫度範圍-20-55℃。硬 體規格為 106 mm 寬、104 mm 高、長 140 mm，重量約 1.5 kg，線圈電阻為 7000-7700 歐姆、阻尼為 0.7。記錄器使用 18 位元 EDR-7000-7700 數化器，內建 CF 卡資料儲 存空間，最大可以支援 24 GB。資料點取樣率可以選取每秒 100 點或者 1000 點，
分別對應的拐角頻率(corner frequency, fc)為 20 Hz 及 200 Hz，相對應之記錄器耗電 功率為 0.08 Watt 及 0.13 Watt。可測定的振幅範圍為±5V，供應直流電源 9-15V。硬 體規格為長 225 mm、寬 165 mm、高 90 mm，重量約 1.8 kg，適合的工作溫度範圍 為-10-50℃。圖 4.1.3-3 顯示短週期地震儀、記錄器 EDR-7700、鉛酸電池、GPS 裝 置配置情形。
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圖4.1.3-3 短週期儀器配置情形
Figure 4.1.3-3 Display of short-period (SP) sensors and data logger (c) 地聲檢知器 (Geophone, G)
本計畫執行期間預計使用三軸向低頻地聲檢知器(HG-6 A-Coil)，其自然震盪 頻率為 4.5Hz，感震器敏感度為 28 Volt/m/s，硬體規格為直徑 25.4 mm、高 36 mm、
重量約 85 g，可操作溫度範圍為-40-100℃。配合使用的記錄器為 DATA-CUBE3， 資料取樣率設定為每秒 200 點、記錄器使用倍率為 244.140625 nVolt (ADC Gain 1)。
相關儀器配置如圖 4.1.3-4 所示。
圖4.1.3-4 地聲檢知器儀器配置情形
Figure 4.1.3-4 Display of geophone (G) sensor and data logger
109 年計畫執行期間，將採用 7 組地聲計(崩塌區域內)與 1 組寬頻地震儀(崩塌 區外)，進行相關震波式崩塌監測技術之測試與應用。本小節針對預計應用之監測 技術與相關分析方法進行彙整說明:
(a) 時頻分析
時頻分析可以系統性提供監測坡地場址周遭噪訊特徵，然後透過各測站背景 振動訊號之時頻圖(Time-frequency map)，亦可探討場址噪訊來源。本計畫首先對
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測站每日連續地動紀錄進行 S-transform 分析(Chen et al., 2013)，計算連續地動訊號 對應之功譜密度(power spectral density, PSD)，繪製時頻圖。S-transform 方法優勢為 進行短時傅立葉分析的時間窗口為頻率的函數，透過高斯函數控制在低頻訊號部 幅譜的平方再乘以正規化常數(normalization, 2Δt/N)：
式4.1.3-3
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圖4.1.3-5 時頻圖示意範例，顏色代表 PSD 強度 (dB 相對於(m/s)2/Hz) Figure 4.1.3-5 An example of spectrograms. Color indicates the intensity ofpower
spectral density (PSD) (b) 場址地震地動訊號之特徵
參 考 中 央 氣 象 局 地 震 測 報 發 佈 的 地 震 報 告 與 地 震 目 錄 (https://www.cwb.gov.tw/V7/earthquake/)，針對坡地場址之有感地震事件進行場址 測站的三軸向地震地動訊號進行檢視，並將速度紀錄微分成加速度紀錄，計算三 軸向最大地表地動加速度值(peak ground acceleration, PGA)。PGA 數值可以提供後 續坡地安全性評估分析使用。
(c) 周遭噪訊法-交互相關函數監測技術
臺灣位於西太平洋地區，面臨劇烈的水文及氣候環境，在特定山區之崩塌保 全部落往往擁有頻繁的人為活動，臺灣四面環海亦容易受到海洋作用，上述兩點 特徵提供了相當豐富的周遭噪訊源作為震波技術應用於崩塌活動性監測，周遭噪 訊監測技術擁有時間連續性且高資料取樣率之優勢，將可提供岩體內部速度擾動 歷時變化。
為了計算周遭噪訊之交互相關函數(noise cross-correlation function, NCF)，首先 將每日垂直向連續地動紀錄根據前人研究方法步驟(Bensen et al., 2007)，進行相關 的資料前處理流程條列如下: (1)去除儀器響應、基線平均值與線性趨勢、(2)1-bit 振幅值正規化、(3)振幅譜白頻化(spectral whitening)與(4)帶通濾波(頻段選定主要受 控於現地噪訊能量在時間與頻率上的分佈情形而定，可透過方法(1)之時頻分析結 果來選取)。各測站紀錄經由資料前處理後，利用交互相關技術(cross-correlation technique)，運算各測站對之間每日噪訊交互相關函數(daily NCFs)，每日的 NCFs 在正值時間軸與負值時間軸上的訊號呈現不對稱性，主要是受控於周遭噪訊來源 分布不均的影響。在此若表示為測站 A 對測站 B 進行交互相關分析，代表為A B，
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詳細數學描述如式 4.1.3-4。因此，若 NCF 最大訊號值出現於正的時間軸上(positive time lag)，代表環境振動噪訊來源強度在測站 A 測大於測站 B (圖 4.1.3-6)。
式4.1.3-4
圖4.1.3-6 主動源與被動周遭噪訊源應用於量測坡地內部震波速度變化之示意圖 Figure 4.1.3-6 Active and passive methods: ambient noise monitoring of
relative seismic velocity change (dv/v) (d) 周遭噪訊法-自相關函數監測技術
崩參考交互相關函數分析技術，自相關函數分析採用相同的資料前處理。然 而在訊號前處理完畢後，後續採用各測站進行自相關函數運算，求得各站之噪訊 自相關函數(noise auto-correlation function, NAF)。自相關函數分析法於 108 年度計 畫執行期間開始測試，主要原因為透過 106-107 年度計畫執行成果，以茶山場址 (D160)為案例，安裝 4 個測站短週期測站於場址外圍，共計有 6 個測站對進行周遭 噪訊法分析，求得各測站對之 NCF 函數。研究成果發現，並非每個測站對在不同 時期的 NCF 都具有良好的相關性。其原因可以歸咎於 1) 各測站對之間的地形變異 度會影響噪訊訊號之能量衰減程度、2) 噪訊來源分佈為非均向性。因此，本計畫 預定自 108 年度計畫執行開始將採用自相關函數分析技術，預期可以改善上述使 用測站對 NCF 之相關缺點。
(e) 相對震波速度變化量測
崩塌質量塊體發生滑動主要受控於滑動面之部分液化作用造成孔隙水壓增強 的影響、抑或受到地震產生之地表強地動破壞坡地內部材料強度，材料物性弱化 後進而發生坡體滑動。上述崩塌觸發機制皆會造成崩塌岩體內部物理性質之改變。
換言之，坡體內部因材料物理性質變化會造成內部震波速度的擾動；然而，在坡 地滑動行為發生前，岩體剪動面的發育及增厚作用，也會導致剪動面邊界材料產 生弱化作用(圖 4.1.3-7)。一般而言，崩塌區域地底下微小的震波速度變化並無法透 過主動震源(地震、爆炸源)的直達震波路徑之走時資訊所記錄下來，必須透過被動
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周遭噪訊源在分布均勻岩體內部經由多次隨機反射、散射路徑之尾波訊號(coda waves)，才能敏感於相當微小的震波速度擾動(relative velocity change, dv/v，圖 4.1.3-7)。假設震波地下傳遞路徑長度為 l、震波傳遞初始速度為 v0及相對震波速度 變化為 dv/v0，則相對震波走時差(Δt)可表示如下：
0 0 v
dv v
t l 式4.1.3-5
尾波傳遞路徑一般將大於直達波傳遞路徑，因此相同的微小 dv/v0 量值尾波可 以提供更大的相對震波走時差(Δt)。實際運用上，Δt 需大於地動訊號紀錄取樣週期，
才能夠被拉張法量測到(式 4.1.3-5)。Mainsant et al. (2012)首次觀察到在粘土質崩塌 事件在發生前數天 dv/v 下降約 2%，然而發生前數小時可觀察到 dv/v 下降約 7% (常 時背景 dv/v 為± 1.0%) (圖 4.1.3-8)。然而，這種崩滑前的震波速度變化之前兆現象 是會因為崩塌體材料有所差異。因此，本計畫將透過不同場址進行 dv/v 的長期量 測，用以歸納 dv/v 數值與環境因子參數的相關性。透過不同地動測站對及測站分 布情形，即可提供速度擾動在空間上的變化，探討崩塌地的地質模型及可能的變 形機制。
圖4.1.3-7 震波速度擾動(dv/v)之物理機制來源示意圖，以 A-B 測站對下方岩體材 料為例
Figure 4.1.3-7 Possible mechanisms for understanding the dv/v measurementsbeneath
Figure 4.1.3-7 Possible mechanisms for understanding the dv/v measurementsbeneath