美濃同震數值模擬

完成間震期變形觀測及數值模擬之後，本研究將利用 2016/2/6 發生於高雄美 濃之美濃地震討論此地區同震變形，美濃地震所造成的地表同震位移與地震斷層 機制解計算之應力方向較不符合，因此本研究認為所觀測到的同震變形主要受控 於地表淺部的地下構造，因此將進一步利用此剖面進行同震數值模擬。雖然目前美 濃地震破裂模式仍備受爭議，但本研究仍可討論底下構造錯動對地表變形之影響。

然而，DynEarthSol2D 程式中，模型計算所耗時間與彈性波波速有關，因此對於短 時間的模擬計算，較難決定其適當的彈性波波速，因此在此節中，模型結果的表示 將以時階(time-step)表示之。

在此擬沿用Huang et al. (2016)所提出之，位於深度 17 公里的美濃主震觸發後，

產生一深部的斷層破裂面，進一步觸發淺部的覆疊構造活動，並利用地震波及大地 測量逆推得到之淺部斷層面(圖 4-65)，此淺部斷層面與平衡剖面(圖 4-24)所繪之覆 疊構造位置及傾角大致相符。因此本研究模擬同震模型的表現方式為，將此淺部斷 層面加入間震期模型，即將穩定後的間震模型於橫坐標50 公里處(圖 4-66 黑色處)

新增一斷層弱帶，藉以改變模型之平衡，觀察其應變調節方式，及其反應於地表之 同震變形結果，討論此淺層斷層面破裂時對地表的同震變形影響。

圖4-65 美濃地震之斷層面滑移分布及觸發滑移機制示意圖。(a)與(b)分別為為深部主斷層面及經觸

發產生之淺部斷層面的滑移分布，色階顏色代表滑移量，星號標示為主震震源位置，藍色空心圓圈

標示為餘震分布；(c)為兩個斷層面之空間關係立體圖，色階顏色代表庫倫應力改變量；(d)地表色

階代表同震D-InSAR 之地表位移量、縱剖面為 Vp/Vs 分布圖及地質剖面示意圖(Huang et al., 2016)。

圖4-66 美濃同震模型示意圖。紫色為高壓層，紅色為弱斷層，黃色為強斷層，深藍色為泥岩層，

綠色為砂岩層，淺藍色為砂、泥岩互層，黑色為新添加之斷層面。

圖4-67 為斷層面破裂瞬間的應變速率分布，可觀察到應變速率集中於覆疊構

4-68 橫坐標 50 公里處。若將模型繼續執行至 60000 個循環，可觀察到此時應變速 率逐漸平衡，分布於覆疊構造及西傾斷層(圖 4-69)，並由圖 4-70 發現，垂直位移 量沿著新加入的斷層尖端向上擴展，可在地表產生約兩公尺的垂直位移量，而水平 位移量則亦沿斷層面分布(圖 4-71)。

圖4-67 同震模擬之應變速率分布，色階代表應變速率大小(執行循環：3000)。

圖 4-68 同震模擬之垂直位移分布，色階代表垂直位移大小，黑色箭頭為同震位移方向(執行循

環:3000)。

圖4-69 同震模擬之應變速率分布，色階代表應變速率大小(執行循環：60000)。

圖4-70 同震模擬之垂直位移分布，色階代表垂直位移大小，黑色箭頭為同震位移方向(執行循

環:60000)。

圖4-71 同震模擬之垂直位移分布，色階代表垂直位移大小，黑色箭頭為同震位移方向(執行循

環:3000)。

將兩個不同時間步階的同震位移結果與Sentinel-1A 衛星之差分干涉結果做比 較(如圖 4-72)，並將 Sentinel-1A 衛星所解算之位移量放大 25 倍，可發現模擬結果 仍有許多相異之處，若將 60,000 循環之結果視為最終變形量，則最大垂直位移量 與差分干涉結果相差將近20 倍，然而，垂直位移的變形特徵仍大致相符，垂直位 移分布皆為西緩東陡的穹頂狀，最高點位於西傾斷層上盤，且於橫坐標約50-55 公 里處開始下陷，但模擬結果顯示，於跨龍船斷層仍具有相當高的垂直位移量，且下 降的幅度較緩，造成此現象的原因，應為此同震模型建立於執行約三萬年的間震模 型，因而沉積於此的厚層古亭坑泥岩累積了相當大的塑性變形，因此當斷層破裂時，

貢獻了額外的垂直位移量。而東西向位移整體上差異較大，最大水平位移(向西)差 異高達了 60 倍，且位移分布趨勢僅有橫坐標 35 公里以西較符合，推測應為同震 模擬僅考慮淺部的斷層面作用，未考慮深部的主要斷層面破裂行為，因此具有較大 差異。

圖4-72 美濃地震模擬結果之地表同震變形分布，藍色為執行 3000 循環，紅色為執行 60000 循

環，實線為垂直位移分量，虛線為水平位移分量；綠色與橘色分別為Sentinel-1A 解算出垂直位移

及水平位移分量(放大 25 倍)，斷層由東到西分別為龍船斷層及西傾斷層。

綜合以上結果，可發現到同震模擬執行上的困難，位移尺度上的差異可能為間 震時期累積過多的彈性位能，而這些彈性位能可能隨斷層面破裂而釋放，因此所計 算出來的結果大於實際觀測值，此外，因模型結果為系統平衡後之最終變形量，因 此可能包含了震後變形，使得位移量較差分干涉計算出之位移量大。另外，因模型 執行之假設條件為平面應變(plain strain)，即假設在第三維方向無應變產生，使得 應變會集中於模型之x-y 此平面，此原因亦會使模擬結果大於觀測值。

而變形特徵的差異主要與模型幾何有關，因本研究模擬之剖面僅討論深度十 公里內地下形貌，而針對美濃地震的破裂機制，也僅考慮了淺部破裂面，未考慮位 於深部的主破裂面，而根據震源機制解，美濃主震的斷層面為走向及傾角分別為 299°、25°，因此當主斷層面破裂時，較能貢獻東西向的同震位移場，此可能為同 震模擬結果在水平方向上具有較大差異之原因，因本研究之模型設定未考慮深部 的構造。此外，針對彈性體模型來說，構造所在深度會與其造成之地表變形的影響 寬度有關，在圖4-72 的比較中，可觀察到模型的垂直抬升量所造成的穹頂狀寬度 略寬於衛星干涉之觀測結果，應為同震模擬之斷層面僅由深度10 公里延伸至覆疊

構造(約 6 公里)，而 Huang et al. (2016)經逆推得到之淺部斷層面可延伸至地表 5 公 里處，切入鳥嘴層中。再者，模型初始設定之邊界條件亦會影響變形特徵，臺灣為 一構造型態極為複雜之區域，然而為了簡化模型，在此將左右邊界條件設為正向應 力固定，可能會與現地之應力傳遞有差異，而在滑脫面之下的基盤，亦設定為固定 邊界，因此造成美濃地震之淺部斷層面破裂時，在其上盤深處產生一下陷位移。此 外，GPS 觀測資料為地表所觀測到的速度場，即為滑脫面之上的岩層與基盤綜合 貢獻之速度場，雖然基盤為一相對穩定之區域，但仍可能具有速度場，但因技術上 的困難，在模擬設置上，仍假設基盤速度為零，GPS 所觀測到的值為滑脫面以上之 速度場。此外，模擬執行僅考慮研究區域中較大型的構造，忽略較小型之構造與新 期構造，且將斷層帶簡化成一個主斷層面，亦會使得模擬結果產生誤差。本研究所 使用之剖面模擬皆以Huang et al. (2004)所繪製之平衡剖面架構，平衡剖面結合了 地表位態、井下資料及地物測量等資訊所繪製而成，然而因其主要變形機制為斷層 滑移作用，因此針對滑移量較小之構造較無法有效回復之，因此較易忽略較小型之 構造，亦會造成模擬同震變形之誤差。