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集集地震引發地下水系統異常變化之分析

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集集地震引發地下水系統異常變化之分析

Analysis of Changes in the Gr oundwater System

Induced by the Chi-Chi Ear thquake

計畫編號:NSC90-2116-M-002-027

執行期限:90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日

主持人:賈儀平

台灣大學地質科學系

研究人員:江藝萱、王原賢、詹淳傑、李雅文

一、中文摘要 1999 年 9 月 21 日集集附近發生規模 7.3(ML)的強震,導致西南部平原地下水觀 測網之地下水位產生異常變化。其中以鄰 近車籠埔斷層的濁水溪沖積扇最為顯著, 有 157 口觀測井產生明顯的地下水位變 化,其中 67 口觀測井的水位變化超過 1 公尺,最大變化達 11.1 公尺。其次是嘉南 平原,有 52 口觀測井產生明顯的地下水位 變化,有 27 口觀測井的水位變化超過 0.1 公尺,最大變化達 0.9 公尺。 集集地震之後,緊接著在 10 月 22 日 於 嘉 義市 西 北方 發 生 規 模 6.4(ML) 的 地 震。分析濁水溪沖積扇與嘉南平原 250 口 以上的觀測井水位資料,初步結果有 87 口觀測井產生明顯的地下水位變化。最大 的同震水位變化達 1.4 公尺。 主震的水位變化之後的一小時內,規 模 4.9(ML)與 6.0(ML)的餘震也造成可資辨 別的階狀水位變化。規模 6.0 餘震的同震 水位變化有 51 口觀測井,其中 11 口與主 震同震水位變化反向。規模 4.9 餘震的同 震水位變化僅 19 口,與主震同震水位變化 反向則多達 16 口。 餘震之同震水位變化與主震反向的現 象在集集地震期間並不常見,原因可能是 觀測井網相對於地震斷層的位置不同:幾 乎所有觀測井都位於車籠埔斷層的下盤, 嘉義地震的盲斷層則位於觀測井網內。 根據相關地震研究,嘉義地震主震的 震源機制為逆斷層,前述兩次餘震的震源 機制則以平移斷層為主。從集集地震與嘉 義地震的水位升降分布,再次說明地震斷 層活動產生的大地應變可能是地下水位變 化的主因。 關鍵字:地下水、地震、水文地質 Abstr act

Changes of groundwater levels induced by the ML7.3 Chi-Chi earthquake on

September 21, 1999 were recorded at 157 monitoring wells in the Choshui River alluvial fan. Of those, 67 observed large groundwater level changes, ranging from 1.0 to 11.1m. In the Chianan plain, groundwater level changes were observed 27 wells ranging from 0.1m to 0.9m.

On 22 October, an aftershock of ML6.4

occurred near Chia-Yi city. It induced groundwater level changes up to 1.4m in the Choshui River alluvial fan and Chianan plain. Additional changes of water level induced by two aftershocks of ML4.9 and

ML6.0 within one hour after the mainshock

of Chia-Yi earthquake. During the second aftershock, 51 wells observed water level changes. Of those, the direction of coseismic changes at 11 wells was opposite to that during the mainshock. But during the first aftershock, 19 wells observed water level changes, but 16 coseismic changes behaved oppositely to those during the mainshock.

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2 changes at aftershocks was not apparent during the Chi-Chi earthquake. It might be related to the relative location of the earthquake fault and monitoring wells. While all the wells were located in the footwall of Chelungpu fault, the blind fault of Chia-Yi earthquake should be within the range of monitoring well network.

The distribution of water level changes induced by Chi-Chi earthquake and Chia-Yi earthquake indicated the difference of strain field caused by the thrust-fault and strike-slip-fault, and groundwater level is sensitive to the earthquake-induced volumetric strain.

Key Words: groundwater, earthquake, hydrogeology 二、計畫緣由與目的 九二一集集大地震導致車籠埔斷層發 生嚴重的錯動,斷層沿線建物幾乎全毀, 人員死傷慘重,在此次地震中留下最深刻 的教訓。然而集集大地震也留下許多寶貴 的地下水及地質資料,若能善加探討分 析,由此次地震經驗中學習因應之道,未 來或能對台灣地區的地震防治工作有所助 益。 由於各種跡象顯示地下水位變化與地 震之間的關係密切,因此九二一集集大地 震發生之後,嘗試處理分析位於車籠埔斷 層附近地區水利機構建置的觀測井地下水 位資料,初步分析結果有 157 口井的地下 水位出現變化,最大上升量達 8.3 公尺, 最大下降量達 11.1 公尺,而且地下水位變 化的分佈趨勢似可隱示地震發生的方向。 這項明確且有鼓勵性的訊息啟發了我們重 新認真思考將地下水位變化作為台灣地區 的地震研究發展重點之一。 台灣西南部地區監測井密佈,因此值 得針對九二一集集地震前後地下水位異常 變化時間與地點作進一步的探討分析及現 地試驗。除了應用理論依據、資料處理、 數值模擬及分析軟體,以持續在理論、技 術及現地試驗方面逐步探討及驗證利用整 合性的即時地下水位變化作為強震發生前 兆之可行性。 三、結果與討論 1. 初步分析濁水溪沖積扇與嘉南平原 的水位記錄,在嘉義地震期間有 87 口井產生明顯的同震水位變化,佔 全部井數的 36%,其中 70 口上升, 17 口下降,最大同震水位變化可達 1.4 公尺。 2. 嘉義地震在主震後的一小時內,部 分井站在兩次餘震期間有可資辨識 的同震水位變化。規模 6.0 餘震的同 震水位變化有 51 口井,其中有 11 口與主震的同震變化反向;規模 4.9 餘震的同震水位變化僅有 19 口井, 與主震反向則多達 16 口。 3. 餘震同震水位變化與主震反向的現 象在集集地震期間僅出現極少數的 井站。可能是地下水位觀測井相對 於斷層的位置不同:集集地震時, 水位觀測井都位於車籠埔斷層的下 盤地區;嘉義地震的震央正好位於 觀測井網之內。 4. 根據國內外的地震研究,嘉義地震 的主震為逆斷層形式,兩次餘震的 震源機制則以平移為主。因而推論 同震水位變化的分布狀況,是由震 源機制引起地層體積應變的分布差 異所造成。 5. 嘉 義 地 震 未 在 地 表 產 生 明 顯 之 錯 動,地下水位仍能反應大地應變之 改變。證明地下水位極為敏感,可 考 慮 作為 地 震研 究 發 展 的 重 點 之 一。 6. 以數值模擬分析地層受壓之孔隙水 壓變化,在上方允許自由變形時,

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3 地層的壓縮率控制了施壓後的孔隙 水壓增量,硬層的孔隙水壓增量高 於軟層。若是地層透水性差,或是 被透水性差的地層封閉,超額孔隙 水壓的消散過程十分緩慢。 7. 以數值模式模擬地層受壓導致有效 應力與孔隙水壓變化,在受壓局部 地區,由於不均勻變形造成的應力 調整現象,會出現局部孔隙水壓上 升及下降的分布。 8. 為了解地震期間地下水位變化與數 位式水位計取樣頻率的關係,於台 大農場進行試驗。2002 年 5 月 29 日 0 時 45 分,宜蘭外海發生規模 6.2 的強震,台北市震度 3 級,由不同 取樣頻率的數位式水位計記錄到地 震造成的水位振盪。分析水位記錄 顯示,若想要分別動態的水位振盪 和階狀的水位變化,數位式水位計 的取樣頻率必須達到每三秒記錄一 筆以上。 四、計畫成果自評 本研究計畫進行順利,本年度分析九 二一集集地震與嘉義地震,濁水溪沖積扇 與嘉南平原之水位異常變化幅度與分布狀 況之分析。並嘗試以數值模式探討岩體變 形及水壓變化耦合理論解釋同震水位變化 之可行性。 本項研究計畫承蒙水利署、地質調查 所協助,對於地震引發地下水位異常變化 之記錄獲致合理的評估,上述單位亦採納 本研究之建議加強相關研究。研究並結合 各相關資料分析比對,篩選出有效可靠之 水位記錄,並針對集集地震與嘉義地震造 成之水位異常變化做重點研究,不論對於 地震或水文地質研究皆能有所助益。 五、參考文獻

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參考文獻

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