文／郭俊翔
每当有较大规模地震发生时，若台北盆地之震动较周边大，几乎都可见到电视新闻及一般民众朗朗上口地说这是因为「盆地效应」或「场址效应」所造成的震波放大现象，今天就来谈谈台北盆地的场址效应。场址效应是什么？我们来追溯最早的典故。据笔者所知，最早记载有关场址效应（Site Effect ）的文献是在距今超过100 年前，由有现代地震学之父之称的约翰．米尔恩(John Milne) 于1898 年所出版的《Seismology 》（地震学）一书，书中原文提到“It is an easy matter to select two stations within 1000 feet of each other where the average range of horizontal motion at the one station shall be five times, and even ten times, greater than it is at the other.” （Milne, 1898, pp. 81 ）。中文即是说，不难找到两个相距不到300 公尺的地震测站，但它们的水平向振幅却可以达到5 倍，甚至10 倍。
由此可知，早在19 世纪就藉由地震观测，发现了震度可能也会因地而异( 而且还可能落差很大)，而造成落差极大背后的原因，就是地质条件差异。这也就是所谓「场址效应」！台北盆地场址效应的成因地震发生后，一开始的地震波会在坚硬岩盘中传播，但地震波从岩盘进入近地表的松软土层时，会因为地层性质转变发生一件( 我们觉得不好的) 事，那就是：
- 地震波振幅加大( 摇得变更大)
- 地震动延时加长( 摇得变更久)
所以可想而知，放大后的地震波会更容易造成建筑物的损坏、倒塌而加重地震灾害，因此场址效应的研究在地震工程领域相当受到重视。笔者用一个简单的短片来介绍场址效应，笔者认为影片中使用布丁模拟松软土层的震动，透过简单的实验呈现，可让一般民众了解场址效应的现象。
在台湾，台北盆地正好具备所有场址效应发生的要点，坚硬的岩盘（第三纪基盘）和松软的土层（松山层），而其西深东浅盆地外型，不仅造成不同周期的震波放大，也让地震波进入盆地时更容易聚焦，进而产生共振及延长震动的持续时间，也因而让台北盆地内的民众在地震发生时更加「有感」。台北盆地在近代曾受过数次强震的影响，皆是由于盆地内的场址效应造成震波放大，而使灾损更加严重，例如1986 年芮氏规模6.8 的花莲外海地震，震央距离台北盆地约110 公里，仍造成台北盆地内多处建筑物倒塌或严重损坏；1999 年芮式规模7.3 的集集地震，虽然发生在台湾中部，却在台北盆地造成相当严重的灾情，包括松山宾馆(东星大楼)和新庄博士的家两栋高楼的倒塌，以及多栋建物的严重损毁。
图1 右上为集集地震时，位于台北盆地内的TAP014 民生国小强震站（上图震波）和台北盆地外的TAP067 指南宫强震站（下图震波）的加速度震波比较，位于盆地内的民生国小测站，位于松软土层上，其最大加速度（PGA ）值为107 gal ，而位于盆地外的指南宫测站，位于坚硬岩盘上，其最大加速度值却仅有36 gal ，两个测站与车笼埔断层之距离差异不大，但其加速度振幅却差了近3 倍，若再看到右下之加速度反应谱（注1 ）图，则可看出两个测站的谱加速度值（Y 轴）在不同周期（X 轴）时有不同的振幅放大的情况，代表台北盆地对不同周期震波会有不同的放大倍率，因此在台北盆地内被大幅放大的震波( 周期约1 秒左右) 更容易造成灾损。
再看另外一个例子：2002 年3 月31 日芮式规模6.8 的花莲外海地震，也造成当时施工中的101大楼顶楼的起重机吊臂掉落及多栋建筑物受损，台北的灾情也较花莲严重。墨西哥城的盆地效应在国外有无类似台北盆地的案例呢？不止有，还发生过惨重的灾情。墨西哥的首都墨西哥城，就位于盆地之中，而脚下松软的湖泊沉积物就覆盖在坚硬的岩盘上。1985 年墨西哥近海发生震矩规模8.0 的隐没带强震，距离震央400 公里的墨西哥市，因其地质条件也产生强烈的场址放大效应而造成墨西哥市严重灾损。如图2 中所示，位于盆地内的SCT 测站，PGA 为170 gal ，而位于盆地外围的UNAM 测站之PGA 仅35 gal ，两者差异将近5 倍，而由两个测站的反应谱比较，可看到周期2 秒的震波在SCT测站的谱加速度值（Y 轴）将近0.8 g ，但同样周期的震波在UNAM 测站的谱加速度值则仅有0.1 g ，其放大倍率超过7 倍，这也是场址效应的另一项特性，沉积物较厚之处会对长周期震波造成放大。
由于1985 年地震的经验，墨西哥政府早在90 年代就开始推动地震预警（Earthquake Early Warning ，如我们国内目前的强震即时警报）系统的设置，因为地理位置的因素，墨西哥大规模地震都是发生在南部沿海一带，距离墨西哥市大约都有300 公里以上的距离，但由于墨西哥盆地强烈的场址效应，本当随着距离而衰减的地震波在到达墨西哥市后又被放大，但数百公里的距离也给了地震预警系统相当足够的时间可以对墨西哥市民众发布警报。有兴趣者，可以参考 IRIS 对墨西哥地震所制作的科教影片。
台北盆地微分区那么台北盆地要不要考虑因为特殊地质条件所造成的场址效应？当然要啊！国内的《建筑物耐震设计规范》于2005 年改版后已在台北盆地加入微分区的概念，并于2009 年对其分区进行调整，即对盆地内不同的区域，依其地质条件及实测资料的强震特性，特别考量场址放大效应和长周期震波效应，并为各分区制定适当的设计反应谱（注2 ）。现行规范中，为因应盆地内不同的冲积层厚度造成的强震反应，而将其分为台北一区、二区及三区，并分别制定不同的建筑物设计反应谱（图3），所考量的地震波周期由长到短依序为一区、二区、三区，也正好反应由深到浅的冲积层厚度变化。这个根据台北盆地实测资料而制定的微分区规范，考量到位于盆地内的建筑物会受到的震波放大效应和较长周期的地震动，可确保符合此规范的建筑物可以承受场址放大作用后的地震力。
改良盆地的脆弱性
人类为生活便利逐水而居，而肥沃的冲积土壤更是孕育农作物的良田所在，因此发展出许多位于冲积平原或盆地的大都市，但是当地震发生时，这些位于软弱土层的城市则必须承受更强的地震作用力。类似的例子履见不鲜，除了上述的台北盆地、墨西哥市外，还有像美国加州的旧金山、洛杉矶，以及日本的东京、大阪等，都是位于松软土层上而人口稠密的大都市。
那么怎么办？砍掉重练、把人都搬走吗？目前世界上还未有能做到这样的例子。但随着科技的进步，先进国家都能制定合宜的耐震规范，只要按照规范施工，都能确保地震时建筑物不会完全倒塌而保有生存空间，近年来国内所发展的地震预警技术也越来越成熟，可争取强震到达前数秒时间让民众就安全位置躲避。然而台北盆地内为数众多的老旧建筑，年代已久且耐震力较弱，适当的补强或重建才能提高建物耐震力，更能确保居住的安全。
注1 ：加速度反应谱：地震波作用于简单结构系统时，各周期震波会有不同的最大加速度值，分别计算后可绘制成加速度反应谱，常在工程上作为地震力评估的依据。
注2 ：设计反应谱：根据强震记录评估不同地区可能受到的各周期地震动强度，制定出一人造反应谱，作为建筑物建造时的耐震性能依据。
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