地震及活斷層研究(地震活動與地震地體構造)---台灣地殼地震剪力波非均向性研究

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 「地震與活斷層研究」 ※

※ — 地震活動及地震地體構造： ※

※ 臺灣地殼地震剪力波非均向性研究

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計畫類別：□個別型計畫 整合型計畫 計畫編號：NSC 89－2921－M006－005－E 執行期間：89 年 6 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

計畫主持人： 饒瑞鈞

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立成功大學地球科學系

中 華 民 國 90 年 10 月 25 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

「地震及活斷層研究」— 地震活動及地震地體構造：

臺灣地殼地震剪力波非均向性研究 Pr epar ation of NSC Pr oject Repor ts

計畫編號：NSC 89-2921-M006-005-E 執行期限：89 年 6 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主持人：饒瑞鈞 國立成功大學地球科學系

計畫參與人員：楊智龍 國立成功大學地球科學系

一、中文摘要

本研究利用台灣短週期地震觀測網之 資料探討台灣造山帶地殼地震非均向性之 特性。經由地震非均向性之特質，本研究 之目的在於探討台灣地殼地震非均向性之 成因。地震剪力波的分離作用(shear-wave splitting) 是地殼內普遍存在的特性。對上 部地殼而言，剪力波分離的快波極化方向 (fast polarization direction) 通常與地殼裂 縫的排列方向一致，同時它亦近乎平行於 最大應力軸方向。而快波與慢波間的時間 差 (split time) 是與地殼非均向性的程度 (degree of anisotropy) 和裂縫的密度 (crack density) 有關。本研究採用之方法乃配合粒 子運動及波形交互對比法(Rau et al., 2000) 來分析剪力波的分離作用。本研究利用之 資料為台灣短週期地震觀測網自 1991 年更 新以來，至 1996 年之地震記錄。初步結果 顯示﹕台灣地區之剪力波分離的快波極化 方向呈複雜、非單一方向性。位於西部平 原之地震站之快波極化方向多平行於與 GPS 與地質研究推論一致之最大應力軸方 向。而位於西部麓山帶(含)以東之地震站之 快波極化方向則多呈兩個方向﹕一則平 行，一則垂直於區域構造或礦物傾向排列 方向。本研究結果顯示﹕台灣地殼地震非 均向性之成因不可單由”大範圍膨脹的非 均 向 性 ” (extensive-dilatancy anisotropy, EDA)之理論(快波極化方向平行於最大應 力軸方向)解釋。其他因素﹕如因斷層構造 或礦物傾向排列影響所造成之非均向性亦 須考慮。

關鍵詞：地震剪力波的分離作用；地殼非均向性；

台灣造山帶

Abstr act

Crustal shear wave anisotropy is analyzed from local earthquakes recorded at the short-period seismic network in the Taiwan region. Through the property of seismic anisotropy, the purpose of this study is to investigate the origin of crustal anisotropy in the Taiwan orogen by analyzing splitting in local shear waves recorded at the seismic stations. Shear-wave splitting arises because the transverse motion directions of a shear wave propagating in an anisotropic medium are controlled by the medium’s elastic properties, which are functions of orientation. The splitting changes the shape of the wave and can be characterized by a fast polarization direction

φ and a time delay δt between fast and slow

Data coverage started since the upgrade of the Taiwan seismic network in 1991 up to 1996. Preliminary results show diverse directions of fast S wave polarizations in the Taiwan region. Stations in the Coastal Plain show consistent alignment of the fast polarization directions that are parallel to the maximum horizontal compressive stress directions interpreted from both GPS and geological measurements. Most stations east of the Coastal Plain display mainly two fast polarization directions: one parallel and the other perpendicular to the local structural trend or the preferential mineral alignment direction. Our study indicates that the crustal anisotropy beneath the Taiwan orogen

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can not be simply explained by the hypothesis of extensive dilatancy anisotropy (EDA), where parallel alignment of fluid-filled fractures produces the anisotropy.

Other factors, such as intrinsic rock anisotropy caused by preferential mineral alignment and stress-induced cracks or fractures in the vicinity of fault zones may also contribute seismic anisotropy.

Keywor ds: shear-wave splitting; crustal anisotropy; Taiwan orogen

二、緣由與目的

地 震 剪 力 波 的 分 離 作 用 (shear-wave splitting) 是區域地震記錄上經常可觀測到 的一個現象；此現象亦是地殼內普遍存在 的特性 (Crampin, 1994)。對上部地殼而 言 ， 剪 力 波 分 離 的 快 波 極 化 方 向 (fast polarization direction) 通常與地殼裂縫的 排列方向一致，同時它亦近乎平行於最大 應力軸方向。而快波與慢波間的時間差 (split time) 是 與 地 殼 非 均 向 性 的 程 度 (degree of anisotropy) 和裂縫的密度 (crack density) 有關 (Crampin, 1999)。所以，地 殼地震剪力波分離之研究是提供區域應力 分布與監測應力累積與釋放的良好手段。

921 (1999 年) 集集大地震前，台灣地 殼地震剪力波分離之研究多侷限於小區域 之研究 (Kuo et al., 1994; Chen and Yen, 1998)，而未能對台灣整體之地殼地震非均 向性作一評估。在 921 集集大地震之後，

為多方面瞭解大地震之發生與地震地體構 造相關之參數，此項台灣地殼非均向性之 研究益形迫切與重要。再則，距中央氣象 局地震觀測網自 1991 年更新以來，已有十 年之地震資料累積。這些大量之地震資 料，正是提供了台灣地殼非均向性研究之 最佳資源。本研究計劃之目的為探討台灣 地殼非均向性的成因。

三、結果與討論

本研究利用之資料為台灣短週期地震 觀測網自 1991 年更新以來，至 1996 年之 地震記錄。初步結果顯示﹕台灣地區之剪 力波分離的快波極化方向呈複雜、非單一

方向性。位於西部平原之地震站之快波極 化方向多平行於與 GPS 與地質研究推論一 致之最大應力軸方向。而位於西部麓山帶 (含)以東之地震站之快波極化方向則多呈 兩個方向﹕一則平行，一則垂直於區域構 造或礦物傾向排列方向。本研究結果顯 示﹕台灣地殼地震非均向性之成因不可單 由 ” 大 範 圍 膨 脹 的 非 均 向 性 ” (extensive-dilatancy anisotropy, EDA)之 理 論(快波極化方向平行於最大應力軸方向) 解釋。其他因素﹕如因斷層構造或礦物傾 向排列影響所造成之非均向性亦須考慮。

四、計畫成果自評

由 於 台 灣 短 週 期 地 震 資 料 筆 數 甚 多，目前已完成 1991 年至 1996 年之地震 資料處理。下一年度應可完成至 2001 年之 資料。本研究計劃旨在（1）建立一完整的 台灣地殼非均向性分布圖；（2）分析大地 震前後，剪力波分離隨時間和（或）空間 的變化。就第一個目的而言，本計劃提供 地震地體構造一個很重要的參數。它可用 來與地震活動性、地震震源機制、斷層擦 痕與斷層分布作一整體性之台灣大地應力 分析。就第二個目的而言，我們可藉由監 視地震剪力波分離在大地震前後隨時間的 變化，來探討地殼應力的累積與釋放，而 用來測試地震預報的可能性。目前之第一 年計畫已提供第一目的之初步結果。

五、參考文獻

Chen, C.-H. and Yen, H.-J., A preliminary study on crustal anisotropy in Chia-Nan area of Taiwan, TAO, 9, 573-588, 1998.

Crampin, S., The fracture criticality of crustal rocks,

Geophys. J. Int., 118, 428-438,

Crampin, S., Calculable fluid-rock interactions,

J. Geol. Soc., London, 156,

Kuo, B.-Y., Chen, C.-C. and Shin, T.-C., Split S waveforms observed in northern Taiwan,

Geophys. Res. Lett., 21,

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Rau, R.-J., Liang, W.-T., Kao, H. and Huang, B.-S., Shear wave anisotropy beneath the Taiwan orogen,

Earth and Planet. Sci.

Lett., 177, 177-192, 2000.