撰稿 / 許芷辰 (科學推展中心特約編輯)
審訂 / 陳映年 助理教授 (國立中正大學地球與環境科學系)
圖1. (a)陳映年助理教授與團隊收集全台各地超過三百個測站的數據以截取「環境噪訊雷利波」，三角形表示力平衡加速度計FBA、正方形表示短週期地震儀SP、圓形視表示寬頻地震儀BB儀。(b)研究團隊成功利用「多分量噪訊干涉法」分離雷利波基態F0及第一高階模態H1。
每到冬季，東北季風一來，臺灣附近海域就不再平靜。浪濤聲此起彼落，對大多數人來說，這只是自然的聲響，但對地震學家國立中正大學地球與環境科學系陳映年而言，這些微弱卻持續的「地球背景噪音」正好成為探索我們腳下的地殼之重要線索。海浪一次次擾動，把能量傳入地殼時所激發出的表面波「雷利波（Rayleigh wave）」，正是陳映年團隊所關注的研究主軸。
什麼是雷利波（Rayleigh wave）？
雷利波是一種沿地表傳播的地震波，地面上的物體會同時上下與前後晃動，形成橢圓形的運動路徑。雷利波並非單一形式，它包含不同的「模態」。最常見的模態是基態（F0），主要集中在比較淺層（離地表最近的部分），所以最容易被偵測到，能量通常也最強，長期以來被廣泛用於環境噪訊的地震學研究。但除此之外，它還有第一高階模態（H1）。H1對於沉積盆地與淺層傳遞速度的差異更敏感，能補充F0無法提供的細節。然而大多數情況下，H1的能量遠比F0弱，所以常常被F0「淹沒」，很難在資料中被清楚辨識，這也是全球地震學家面臨的挑戰。
不過臺灣正好提供了一個絕佳的實驗場所，西部有廣闊的沉積平原，地下覆蓋厚厚的鬆軟沉積層。平原西側則是平均水深僅約70公尺的淺水臺灣海峽。這些自然條件正好會放大H1的能量。基於這樣的背景，國立中正大學地球與環境科學系陳映年助理教授與博士生廖峻甫，首次利用地震觀測站的連續紀錄，成功將台灣背景噪訊的雷利波之F0與H1分離，並展示H1在臺灣淺層地殼研究的潛力。
如何偵測與分離？
噪訊地震學的主要透過「速度構造（velocity structure）」來描述地球內部構造，也就是地震波在地下不同深度、不同材料中的傳播速度分布：在堅硬基盤中速度快，在鬆軟沉積層中速度慢。若能將雷利波的F0及H1特徵分離並加以研究，就能建構出該片土地相對應的速度構造，以利於了解我們的地殼結構。
為了分離出雷利波的模態，研究團隊蒐集了臺灣超過三百個地震觀測站、長達五年的連續紀錄，涵蓋三種類型的感測器：寬頻地震儀（Broadband, BB）、短週期地震儀（Short-period, SP）以及力平衡加速度計（Force-balance accelerometer, FBA）。團隊並未僅依賴傳統的單分量分析，而是採用了改良的「多分量噪訊干涉法」（multicomponent interferometry），利用F0與H1在質點運動上的差異來進行模態分離。雷利波的兩種模態在質點運動方向上有所不同：F0 呈逆行橢圓，H1 則是順行橢圓。（圖1）
環境噪訊 F0 及 H1 與海浪拍打的關係
團隊下一步探討的問題是拆解成F0與H1的雷利波能量，是否會隨季節律動？答案是肯定的。從圖2可以觀察到，F0與H1的振幅皆呈現出鮮明的季節循環，冬季最強，夏季最弱。另外，研究中所謂的「環境噪訊（ambient noise）」為海浪互相作用產生的短週期次級微震（short period secondary microseisms, SPSM），能量大小和「海浪高度」及「季風」高度相關。而該研究團隊分離出的F0與H1能量變化與臺灣周遭海浪高度和風速的變化完全一致，這意味著兩種模態共享相同的能量來源，並同樣受到大尺度氣候系統的調控。
圖2. 雷利波分離出的F0與H1，兩者能量接隨季節律動，冬季最強，夏季最弱，與台灣周遭海浪高度和風速的變化完全一致。
F0 及 H1 的來源方向與空間分布
接下來，團隊再拋出的疑問是：這些訊號從哪裡來？進一步的空間分析則揭示了能量來源的方向性。「振幅不對稱（Amplitude Asymmetry, AA）」指標圖中（圖3），使用紅-藍漸層線條表示出能量走向，圖中的每一條線代表一對測站之間噪訊能量的來源方向，紅線表示主要來自西方，藍線則是來自東方。結果顯示，大部分測站的線條都是紅色（西方），意味著噪訊主要來自臺灣海峽的淺海區。這結果支持了臺灣海峽在噪訊生成中的主導角色。
圖3. 雷利波分離出的F0與H1，兩者皆顯示來源大致來自西方(紅色線條)，意味台灣海峽在噪訊生成中的主導角色。
更進一步的能量比（Energy Ratio, ER）顯示，地質條件會決定哪個模態更強。圖4顯示，西部沿海、屏東平原與宜蘭平原等沉積環境，H1的能量明顯被放大；而在中央山脈與雪山山脈等堅硬基盤岩石（bedrock），則是F0為主。
圖4. ER 進一步分為四組，並以顏色標記：藍色（ER ≥ 1）表示主要為 F0 訊號，紅色（ER ≤ −1）表示主要為 H1 訊號，而深綠色（1 > ER > 0）和淺綠色（0 > ER > −1）表示F0 和 H1 訊號相當可相互比較。
這項成果的貢獻，不在於直接解析構造，而是透過噪訊表面波不同模態間（F0 與 H1）在空間上的特性來描述淺層構造。同時，該研究也指出未來若能在建立速度模型時同時考慮多模態表面波，將可建立更準確的速度模型。對臺灣而言，這不僅有助於理解地殼構造的複雜性，也為未來的震害模擬與防災規劃奠定了重要基礎。
參考資料
[1] Liao, C.-F., & Chen, Y.-N. (2025). Characteristics of Higher-Mode Ambient Noise Rayleigh Waves in Taiwan: Insights from Multicomponent Interferometry. Seismological Research Letters. https://doi.org/10.1785/0220240192
