【研究成果】 聽聽城市的聲音─地震儀所記錄的環境振動

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  陳睿純 (科學推展中心特約編輯)


地震儀可以用來記錄到地震發生時所產生的振動訊號。然而,在沒有地震發生的時候,環境與人類活動在地表所產生的振動亦可以被地震儀所記錄,地震學家稱之為環境噪聲 (ambient noise),利用這些「不是地震造成的」振動訊號理解的地表和地球內部構造與活動,成為一門獨特的領域,稱作「噪聲地震學」。

環境噪聲如果振動幅度夠大,可能會強到足以影響小地震的認定和地震目錄(seismic catalogues)的建置,而在人口稠密、交通發達的城市,這樣的影響最為顯著。在被建築物滿滿覆蓋著的城市下方,不同的地下結構會不會影響噪聲的振動表現呢?而人為活動造成的振動特徵為何?和地下構造的活動可以分得開嗎?在地震較不活躍的城市地區(如大台北都會區),環境地震噪聲已成為現代地震學中的一個關鍵信號,利用噪聲來勘測並研究城市地下結構和地震微震分區,成為必要而常見的手段。

而城市中的環境噪聲怎麼來?車輛交通、地鐵、機場和工業活動等等,都是振動源,和地震相比,振動規模小很多、但頻繁度高許多!它們連續不斷在發生,提供了源源不絕的能量,在地表和地底下傳播著。研究顯示,在 COVID-19 爆發期間,環境噪聲的大小與人流量呈現高度相關,這意味著除了反演推算地下的構造特性,亦可以提供我們對於車流、人流的即時估計。

人為及自然所產生的地震噪聲具有不同的頻率和時空特徵,主要可以分為兩種類型:(1) 高於 1 Hz的微震,主要由人類活動誘發,可以可以系統性地表現出每日「白天活動性高、夜晚活動性低」的週期性。(2) 低於 1 Hz的微震,主要由海洋不同波長的重力波所激發,可分為主微震(0.02-0.1 Hz)和次微震(0.1-0.5 Hz)訊號。

台灣師範大學地球科學系陳卉瑄教授團隊藉由中研院地球所林正洪博士團隊自2017年於大台北都會區所佈設的密集寬頻地震網(Formosa Array),進行連續地震數據的分析和探究。他們首次展示了這座人口稠密的大都市中環境噪聲的特徵。利用Formosa Array 140 個寬頻地震站(共7個分區)的資料,研究團隊針對2-20 Hz、0.25-1 Hz和< 0.2 Hz三種主頻率進行時間空間的特徵分析。對應到人為成因的噪聲,頻率在2-20 Hz間集中,表現出每日和每週的週期性變化,除了白天和晚上的差別外,亦有週間振動能量大、週末小的趨勢,並且在春節假期期間達到振動的極小值;距離台北市中心仁愛圓環僅有400公尺的測站,記錄到最大的振幅,這些結果顯示了振幅及車流量的高相關性。對應到自然成因的微震則以 < 0.2 Hz和0.25-1 Hz兩個頻率帶呈現,振幅在時間上的變化和人為活動造成的週期性有顯著差異,跨測站有著高度同步,說明此訊號源分佈廣,因此不管在靠海的岸邊或是離岸的市中心,皆有非常相似的振動表現;研究團隊利用中央氣象局的風速紀錄,發現這個低頻頻帶的振幅隨時間的變化趨勢,和瞬間最大風速的高相關性。這說明了和海洋現象常以耦合型態相伴發生的大氣擾動,亦和地表振動的表現相關。此研究指出,城市中人類活動所造成的2-40 Hz 訊號其振動的大小,比自然來源的噪聲(< 1 Hz)大了約2到1500倍。

研究團隊更進一步利用由中央研究院地球所黃柏壽博士團隊佈放在台北101大內部的地震儀陣列(地下一樓、74樓、90樓),分析交通所引起的振動,是否對高層建築的振動行為有影響。其結果發現,建築物內在三個主要的振動模態,皆表現了早上6點~晚間11點的振幅高值,除了在時間表現上一致,在頻譜特性亦與1 km外的仁愛圓環之地震儀所記錄的地表振動行為相關,說明了台北盆地的近地表沖積層,可能有機會保存~ 1Hz的車流振動訊號的能量,並影響著101大樓內部的微振動表現。此一發現在未來不僅能進一步提供我們研究車輛動態、道路和建築物之間的交互作用,更可望了解盆地鬆軟沈積層在此種交互作用中所扮演的角色。

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