(c)土壤飽和度 (d)土壤含水量
3. 地動觀測系統
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)、地層位態(例如層面傾角)及外 在環境觸發因子(例如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、
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(1) 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 0.01-30 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、
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(a) Guralp CMG6TD 寬頻地震儀及其相關配置 (b) Ｑq
(c) 放置地震儀之圓桶示意圖 (d) 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
(e) 電池置物箱放置三顆 12V 鉛蓄電 池及儀器訊號線組
(f) 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
後者寬頻地震儀為 Trillium Compact，其與 CMG6TD 儀器最大的差異 在訊號可記錄的頻寬為週期 120 秒至 100 Hz，亦為三軸向速度型地震儀。
感震器的敏感度為 750Volt/m/s，擁有± 0.5%的誤差。其規格為直徑 9.0 cm、
高 12.8 cm 及重量為 1.2 kg，相對於 CMG6TD 還要更加輕便。需供應直流
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電源 9-36 Volt 且儀器可操作溫度-40-60°C，本身耗電功率為小於 160mW。
目前本計畫採用省電型訊號記錄器 DATA-CUBE3 配合寬頻地震儀 Trillium Compact 使用。此記錄器為 24 bit 三波道數化器，資料取樣率為每秒 50、
100、200、400 點。本計畫將採用的記錄倍率為 15.258789 nVolt (ADC Gain 16)、取樣率設定為每秒 200 點。其 GPS 精度為 1μs，電源供應為直流電 5-24 Volt，運作耗電率為 120 mWatt (取樣率每秒 100 點與 GPS 每 30 分鐘運作 5 分鐘) (圖 4.1.3-2)。該產品相對優勢為亦可搭載 CCUBE(耗電率 Ethernet: 0.7 Watt、WiFi: 0.82 Watt、GSM < 1 Watt)進行即時網路資料傳輸，整體儀器運 作的功率不到 1.2 Watt，這是目前市面上少有的省電效能。
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
(2) 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-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
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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。
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 (3) 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
經濟部中央地質調查所 坡地場址調查觀測及變形機制分析(3/5) 期末報告書 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分使用長時窗口；反之，高頻部 分使用短時窗口。進一步，歸納監測場址區域之環境振動訊號的主要振幅 譜能量強度與頻率範圍。上述參數為後續周遭噪訊法(交互相關函數分析) 所需的重要參考資訊之一。本計畫使用之 PSD 定義如下：
假設連續地動訊號 y(t)經由傅立葉轉換(Fourier transform)的函數為 Y(f)，如 式 4.1.3-1， (Pk)可以定義為振幅譜的平方再乘以正規化常數(normalization, 2Δt/N)：
2 2
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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 of
power spectral density (PSD) (2) 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。
(3) 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
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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AB，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)。
A(t)ÄB(t)= A(t)B(t-t)dt
-¥
¥
ò
(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)
(4) 周遭噪訊法-自相關函數監測技術
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
135 財團法人中興工程顧問社 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 號紀錄取樣週期，才能夠被拉張法量測到(圖 4.1.3-6)。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
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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 measurements beneath two stations
圖 4.1.3-8 相對速度變化(dv/v)、地下水位、地表降雨等歷時資料(Mainsant et al., 2012)
Figure 4.1.3-8 Timeseries of dv/v, ground water level and precipitation
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本計畫透過使用拉張法(stretching method, Sens-Schönfelder and Wegler, 2006)針對崩塌坡體內部的震波速度擾動進行量測。首先，利用周遭噪訊法 運算每日噪訊交互相關函數(NCF)與自相關函數(NAF)，將特定時間範圍內 (通常利用所有有效的每日相關函數)之每日 NCFs、NAFs 進行線性疊加處理 (linear stacking)，產生參考噪訊交互相關函數(reference NCF, RNCF)與參考 自相關函數(reference NAF, RNAF)。進一步，透過拉張法量測每日相關函數 與參考相關函數之間的尾波窗口(coda wave)之震波相位延遲時間(delay time, dτ)，進而運用相對時間差(dτ/τ)計算坡體內部材料相對震波速度變化 Rayleigh wave 且計算的速度擾動(dv/v)為 Rayleigh wave 速度變化。上述震 波速度變化量測(dv/v)，唯有在相關函數訊號品質良好的情況下適用。因此，
本計畫將優先探討各測站對之每日相關函數訊號品質與 dv/v 量測結果的可 靠度分析，預計透過拉張法提供之參考相關函數(RNCF、RNAF)及相關函 數(NCF、NAF)互相之間的正規化交互相關係數(normalized cross-correlation coefficient，NCC)作為 dv/v 結果之可信度參考準則(圖 4.1.3-9)。目前 NCF 與 NAF 分別採用的 NCC 門檻值為 0.5 及 0.92，當拉張法結果中的 NCC 值 小於門檻值將不進行後續討論。
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