美濃地震初步野外調查與其新期構造含義

發生在小年夜凌晨的地震搖醒了位在嘉義民雄的筆者，搖晃程度之劇烈宛如 921 集集地震。氣象局的資料顯示，此地震規模為 6.4 ，而震央位置位在旗山區，震源深度達 16.8 公里。台灣平均一年約有十多個規模大於 6 的地震，甚少造成嚴重的傷亡與明顯的地表破壞，然而本次地震卻造成百餘人傷亡與十棟以上的建築物倒塌。另外引起地質學家注意的是，為何震度與破壞嚴重的地區並非在震央附近，而在二十公里以外的嘉南平原，尤其是雲林草嶺震度居然達到六級。面對這個謎題，筆者企圖藉由初步的野外地質考察配合地質剖面與衛星大地測量資訊來分析探究，並描述部分野外災害的實況。

以野外觀察的初步結果來看，地震所造成的近地表破壞，以土壤液化所造成的變形為主，而房屋倒塌也大都肇因於此。造成土壤液化的原因除了地震的震度以外，就是一般人熟悉的地質鬆軟。以台南市周圍的地區而言，許多地方在三百年前還是台江內海，沉積地層相當年輕，並未經過長時間且高荷重的壓密，形成膠結良好的沉積岩；這樣的現象尤其於安南區最為顯著，是在西元 1823 年時因曾文溪改道才逐漸形成陸地，附近地區海拔大多僅於 5 公尺之內。以陳文山與楊小青 (2012) 重建的冰期以來海陸地形分布圖 (圖一)，幾乎一半以上的倒塌房子皆位於 3000 年前海域的範圍。另外，中央地質調查所的鑽井資料顯示，大台南地區近 3000 年來的鬆軟沉積物可厚達 40-50 公尺，而底下更是厚達數千公尺軟弱的古亭坑泥岩。所以引發重大災害的主要原因除了地震震度外，便為地質鬆軟。

圖一、台南地區 6000 年以來海路變化圖與美濃地震野外初步調查結果 (修改自陳文山與楊小青 (2012)。

此次相關野外調查結果顯示，土壤液化以安南區惠安街與新市三民街附近最為嚴重，變形隆起的範圍廣達至百餘公尺，地表抬升近半公尺 (圖一A)。鬆軟的地基加上高樓建築本身的負重，也加大了土壤液化與地震時搖晃的程度，本次災損最嚴重的維冠大樓與新化京城銀行大樓倒塌部分原因可歸咎於此。土壤液化造成的多處串珠型噴砂現象，大多呈現南北走向 (圖一B)。而土壤液化現象也發生在已知的構造弱面附近，例如 1946 年新化地震的周圍地區 (圖一C)；本次地震與 2010 年的甲仙地震，在新化斷層西端的北勢里與鄰近區域的農田裡都可以觀察到液化噴砂的現象 (圖一D)。

學理上利用地震的規模與震源深度可以推估可能的地表位移量。以規模 7.3 的車籠埔斷層為例 (比本次地震大十倍以上)、震源深度 8 公里 (深度為本次地震的一半)，地表破裂長度超過 80 公里，才可能出現三公尺以上的斷層滑動。利用相同的概念，理論上本次地震僅可產生數公分地表位移，依據過去的野外經驗，並不容易於找到地表破裂證據、甚至實測精確的位移數值；然而地震發生的當天，網路便報導台南的南寶高爾夫球場出現三公尺的斷層陷落。實地調查結果，南寶高爾夫球場內除了球場內小溪旁的地滑邊長度僅 50-60 公尺的破壞，其他區域均完好，並非地表斷層活動所造成的影響。

雖然野外觀察與實測是困難的，然而藉由衛星科技的幫助，便足以進行觀測大空間尺度數公分級的地表變形。這次地震所引發多數土壤液化的變形區，在 D-InSAR 的影像上即可看出端倪 (圖二)。另外，D-InSAR 與 GPS 的觀測結果顯示，關廟以東有呈現圓坵形的拱起現象，此變形區域距離震央超過 20 公里，更驚人的是變形量達數公分，此種結果並非正常深部地震該有的變形行為 (圖二)。D-InSAR 的觀測結果也顯示，關廟地區附近出現兩道南北向的線性構造，在野外實察也發現密集的小區域地表裂隙與數十棟結構物破壞與其印證。特別是東側的線形附近，從五甲國小向南延伸至深坑里的南北向線性構造非常顯著，長度達近三公里。此外，李錫堤教授的臉書指出西側線型構造為南北向的關廟斷層所導致，但目前學界仍無一致的解釋。

圖二、美濃地震 Sentinel-1A 干涉影像結果，與本次野外實察觀察到的地表變形、液化噴砂、泥火山的分布。圖中黑色粗線為圖三剖面位置。

對於 D-InSAR 所觀測到的圓坵形拱起現象，歸咎原因可能是受古亭坑泥岩變形的影響。由深鑽的結果顯示，有數千公尺厚的古亭坑泥岩上覆於中新世的烏山層基盤之上，而古亭坑泥岩之上僅覆蓋著薄薄的更新世地層 (圖三)。依據古生物定年結果，古亭坑泥岩形成於最近數百萬年，在短時間內產生如此驚人的沉積厚度，暗示材質異常鬆軟並可能含有大量液體。以往的地質研究多利用平衡剖面來重建此區的地下構造，但此理論不適用於塑性極高的古亭坑泥岩。利用深鑽結果搭配其他地表地質資料與反射震測重建的剖面來看，本區存在四個由泥灌入體所構成的背斜構造為主：由西至東依序為台南背斜、中州背斜、那拔林背斜與龍船斷層 (圖三)。最東側的龍船斷層在間震期已呈現相當快速的變形行為，於水平方向上達 15 mm/yr，垂直方向上更高達 20 mm/yr，其間震期的速率與新期構造計算獲得之抬升速率幾乎一致。此結果暗示龍船斷層西側在間震期積累的地震能量與本身極容易延基底滑脫面運動的特性。本次地震變形最大的區域為緊鄰龍船斷層的那拔林背斜，推測美濃主震破裂後僅產生很小的地下位移，但由於龍船斷層底下基底滑脫面的特性，受大地震影響連帶將龍船斷層累積的應力釋放，並向西傳送至那拔林背斜。至於深度大於 16 公里的主震與餘震序列如何影響近地表的變形行為，目前學界並無一致的答案，有待更多的研究來做進一步解釋。

圖三、台南-旗山地質剖面示意圖。圖中所參考鑽井岩心紀錄與震測剖面參考自中國石油公司、地震資料來自中央氣象局。

致謝：
感謝歐洲太空總署 (ESA) 提供Sentinel-1A 衛星影像、感謝噴射推進實驗室 (JPL) 與黃孟涵博士的衛星分析技術以及參與野外調查的衣德成先生、莊昀叡博士、郭昱廷先生、劉彥求技士。

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