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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
地震誘發土壤液化區之地質條件分析 The geological cr iter ia of soil liquefaction ar ea
in ear thquake induction 計畫編號：NSC 90-2611-E-006-030 執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：溫紹炳 國立成功大學資源工程系 共同主持人：雷大同 國立成功大學資源工程系 計畫參與人員：鄭淼晶 國立成功大學資源工程系
一、中文摘要
本報告的研究重點在於進行 921 大地 震中土壤液化區之地質背景調查，期望透 過地表地形與地質，地下地層與地質，地 層組成礦物比例與性質，地表與地下水面 等實地地質調查之結果，歸納出 921 大地 震土壤液化區之地質背景特徵。初步的結 果顯示：土壤液化的地質條件是分別是沉 積環境在地表產生顆粒均勻的未固結砂 層、水文環境之地下水位接近地表與地質 年代年輕。在地質年代輕的台灣西部麓山 帶，以河川沖積扇、古河床沖積層及海砂 填築的新生地區是會產生土壤液化的高危 險區。其中顆粒均勻的未固結砂層是危險 程度的關鍵因子。
關鍵詞：土壤液化、未固結砂層、921 大地 震
Abstr act
The Chi-Chi earthquake occurred in the central Taiwan on September 21, 1999 had induced soil liquefaction in many areas and also caused very severe damage on buildings.
From the preliminary investigation and study, the soil liquefaction areas had some common geological characteristics. This research plans to find correlations between geological characteristics and soil liquefaction area via the background investigation. It is aimed to build up a norm for potential liquefaction areas and to prevent soil liquefaction in future earthquakes.
The results of this study concluded the geological conditions of soil liquefaction susceptibility during earthquake are uniformed grain size distribution of deposits, the unconsolidated younger deposits, and the saturated underground water deposits. These three conditions were found in the fluvial and colluvial deposits, old river sites and some human-made landfill deposits which were high susceptibility of liquefaction in earthquake. The most important factor of these was the size characteristic of deposit.
Keywor ds: geological characteristics, soil liquefaction, Chi-Chi earthquake 二、緣由與目的
921 大地震於臺灣中部部分區域造成 土壤液化，產生噴砂現象，並有嚴重之地 陷、建物傾倒等災害。依據 921 震災報告，
土壤液化區之都有某些地質特徵，經由此 次地震之土壤液化區域之地質特徵之調 查，並探討此地質特徵在土壤液化行為之 關聯，期望由地質資料中尋得地震土壤液 化之潛能區，做為其他地區土壤液化潛能 區之判斷依據，並進行預先防範措施，以 減低未來地震之土壤液化危害。
由地震衍生之土壤液化區之地質特徵 將由：地震規模、延時與距離，地表地形 與地質，地下地層地形與地質，地層組成 礦物比例，地表與地下水，地球化學性質 及其他地質特徵等項目來探討。一般土壤 液化之地層均具有均勻未固結之砂層與一 定之地下水壓力，這種特徵與地下古河床
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地質有密切關係。其他的特徵經由此次 921 地震之土壤液化區有系統之地質調查與研 究分析，應可求得結論，做為土壤液化潛 能之預測。
三、研究方法與步驟
本研究所採用的方法是透過 921 集集 大地震所發生土壤液化區的地質調查，找 尋地震土壤液化的特有條件，這些特有條 件再與其他各組獲得的結果相互比對，得 到土壤液化的確定地質條件。經由找尋土 壤液化的方法，也可以訂出土壤液化探勘 規範，在各個有土壤液化潛能區域，進行 土壤液化潛能勘查，也可以進行預防措 施。故本研究的步驟可以分為五大部份，
分別為：
1、由既有的土壤液化區找尋土壤液化地 質條件與地震規模延時等資料。
2、土壤液化地質條件之獲得。
3、土壤液化區潛能之地質探勘規範。
4、土壤液化潛能區劃定之地質性質範圍。
5、土壤液化之地質觀點與整治。
這些步驟所應用的理論與方法有：
1、地表地形與地質調查：由於土壤液化發 生處都是在淺層地層，因此，地形與地 質調查的重點在於地表二十公尺之 內，並且以古河床的某些淘洗完全之沉 積砂洲之處所為主，故經由地表地質調 查可以獲得這種條件的所在，可應用舊 河道的改道、斷頭河、曲流截斷、環流 丘、淤積、截彎取直、遺流河、牛軛地 形等特徵，在地形圖或地質圖、航照圖 上判釋，找出有土壤液化的地質特徵及 處所。
2、地層組成礦物與性質分析：土壤液化地 層之礦物組成與性質可以由地震時收 集到的液化噴砂分析獲得，其他地層可 由鑽探岩心取樣獲得。分析項目有礦物 種類、含量比例、粒度分佈、淘洗程度、
分佈歪度、分佈峰度、粒形之球形度分 佈、圓形度分佈及表面組織等性質。
3、地表與地下水探勘分析：分析地表與地 下水水質，特別是與土壤液化有關聯的 地下水水位與水質，水質之項目以酸鹼
值、離子濃度、硬度值、與礦物表面之 界面電位值等。這些數量都直接間接對 土壤液化層之沉積物相互間作用力有 關。同時也會影響到如何以地球化學之 作用來增強礦物顆粒間作用力之設計。
四、研究結果與討論
4-1、921 大地震土壤液化區之地表地形與 地質背景調查分析結果
依照以往發生土壤液化區之地質環境 特徵調查得知
(3)
：地震會發生土壤液化的地 質條件是相當狹小特殊範圍的地質環境。包括沉積環境、水文環境與地質年代三個 條件同時符合才會有可能在地震時誘發土 壤液化。環視台灣地區，符合以上地質條 件的區域，可以由台灣地質與地形圖來分 析，由這個原則來探討台灣地區土壤液化 潛在之地區，應可以由下列數點來進行：
1、地層年代應屬於未膠結之近代沖積層。
2、地層組成為粒度均勻且少黏土質之砂 層。
3、有很高的地下水位。
台灣西部地區地質屬於近代沖積層之 區域為濱海平原區沖積層。地層組成為粒 度均勻且少黏土質之砂層，其可能之分布 地區則可由沖積物來源及沖積、搬運、沉 積行為來分析。近代沖積層之沖積物來源 主要是西部麓山帶。西部麓山帶地質區主 要由第三紀碎屑岩層組成(漸新世至更新 世)，主要的岩石是砂岩和頁岩互層，這時 期的地層不會有土壤液化產生。但是，這 層的風化堆積層則是土壤液化高危險區。
而台灣西部沖積平原的沖積物來源即為西 部麓山地區第三紀之砂岩與頁岩互層之風 化後經搬運之沉積物。在這個地質特性之 下，很容易在西部麓山帶及平原區之局部 區域形成土壤液化潛能區。921 大地震在斷 層附近所發生的土壤液化區諸如霧峰、南 投軍功里等地區，都是屬於這種地質條 件，這個區域的沖積扇地形都是土壤液化 高潛能區。
4-2、土壤液化噴砂之粒度分析結果
地震引發之土壤液化時，液化層會尋
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求地層弱點如裂隙或水井等處流出，一般 以土壤液化噴砂表示之，所噴出的砂都是 液化砂，分析噴砂能夠顯示出液化層的沉 積環境及沉積物特性，最能顯示出特性的 是噴砂粒度分布、噴砂顆粒形狀與噴砂礦 物組成。
圖一是 921 地震各地所收集的土壤液 化噴砂之平均粒度與當地之震度大小關係 圖，一般的認知是土壤液化容易發生在細 砂層，平均大小在 150ìm 左右，這個圖形 顯示的結果是在地震之震度越小，會發生 液化的地層砂平均粒徑越接近 150ìm。震 度越強，則砂層的範圍加大，向下延伸至 極細砂、粗粉砂；細上延伸至中砂。其中 的關聯性，尚難以獲得結論。
圖二是以粒度分布的滔選度(滔選度
=(d
75
/d25
)0.5
)來表示粒度分布的均勻程度，在地震之震度越小，會發生液化的地層砂 的滔選度越是良好，震度越強時，滔選度 沒有這麼好也會發生土壤液化。以這個圖 的平均值近似線，似乎可以獲得滔選度與 震度之間的線性關係，是為：
滔選度=1.3 + 3.75 10
-4
PGA這條曲線是實驗值得上緣(滔選度高，滔選 不良)所繪直線，可以表示為地震土壤液化 的邊界曲線。滔選度值高於超越這個直 線，就是不易液化區。滔選度較好，數值 低於這條直線，則是容易液化區。921 地震 在更低震度的彰濱工業區、布袋新生地、
大肚溪口都有液化區，應該就是屬於這種 砂層。
4-3、土壤液化噴砂之粒形分析結果
噴砂之顆粒形狀分析，有助於了解地 層受到地震時土壤液化的潛能，一般言 之，顆粒形狀越圓，表面越光滑的顆粒，
排列的孔隙率越大，受地層擠壓扞實越不 易，此地層越易發生土壤液化。圖三是土 壤液化噴砂顆粒之圓形度與震度關係圖，
圖四土壤液化噴砂顆粒之球形度與震度關 係圖。
圖三的噴砂粒形圓形度分析結果，顯 示噴砂的圓形度範圍在 0.40 至 0.50 之間，
表面形狀屬於次多角狀，各樣品分析結果 都很接近，形狀相當規則，在小範圍中，
也有相當大的個別顆粒變異。其中，南投 軍功里及霧峰的噴砂來自第三紀沉積岩的 沖積扇，是二次風化沉積，因此圓形度更 高，接近 0.5，屬於次圓狀，與石岡壩、中 彰橋下的河川沖積物及台中港的海濱砂稍 為高一些。整個結果無法看出這個圓形度 粒度指標與地震震度之間的關聯性。
由圖四的噴砂粒形分析結果，顯示噴 砂的球形度範圍在 0.75 至 0.85 之間，形狀 多在橢圓球狀至似圓球狀之間，各樣品分 析結果都是範圍狹小，形狀規則，在小範 圍中，也有相當的個別顆粒變異，顯示這 些顆粒的來源相當一致，經過風化搬運 後，也沒有多大的差異。其中，南投軍功 里及霧峰的噴砂來自第三紀沉積岩的沖積 扇，是二次風化沉積，因此球形度在 0.85 以上，屬於橢圓球狀，與球形度稍低的石 岡壩、中彰橋下的河川沖積物、台中港的 海濱砂稍有不同，看不出這個粒度指標與 地震震度之間的關聯性。分析這個結果的 原因，應該是在台灣的土壤液化區，它的 砂層堆積物來源都很接近，形狀特性也沒 有明顯差異，若有一些花蓮地區、宜蘭地 區的土壤液化噴砂來分析比較，可能會有 一些不同的結果，在此處姑且存之，以待 未來更多其他結果來作比較，或許可以得 到一些噴砂粒形與震度的關聯性。
4-4、噴砂礦物分析
噴砂的礦物分析是分析噴砂的礦物組 成種類和含量，配合地層的地球化學與地 下水性質，可以了解土壤液化層沉積物之 沉積膠結作用與介面性質之物理分散聚集 作用力。
以 X-光繞射儀分析噴砂的細磨樣品，
經由繞射峰對比其中的組成礦物，分析礦 物組成結果在圖五上。由這個結果得知噴
4
砂組成礦物幾乎全部都是石英，完全沒有 其他礦物的徵候。考諸其他文獻，第三紀 砂岩多少有一些黏土及少數重礦物，在噴 砂樣品中則沒有發現，應該是有經過河川 搬運滔洗，同時洗較細的粘土與比重較大 的重礦物。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0
50 100 150 200 250 300
圖一、土壤液化噴砂之平均粒度與震度關係圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1.2
1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
圖二、土壤液化噴砂之滔選度與震度關係圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.35
0.40 0.45 0.50 0.55
圖三、土壤液化噴砂顆粒之圓形度與震度關係圖
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0.65
0.70 0.75 0.80 0.85 0.90
圖四、噴砂顆粒之球形度與震度關係圖
圖五、土壤液化噴砂之礦物分析結果
五、參考文獻
