張文彥 國立東華大學環境暨海洋學院院長、台灣東部地震研究中心主任
2024年4月3日在花蓮縣壽豐外海發生芮氏規模7.2的淺層地震，地震深度15.5公里(如圖1)，全台灣均感受的明顯的震動，造成了18人死亡、1,115人受傷、84棟結構物嚴重破壞，特別是花蓮受創特別嚴重，東華大學也產生複合型的災害，理工一館D側的嚴重火災(如圖2)，造成化學系和物理系的重大損失，在救災、安置、復原都將面對重大的挑戰；相較於1999年的921地震，地震規模7.3，地震深度8公里，主要是車籠埔發生於逆衝斷層的錯動，具有較高最大地動加速度(PGA)主要發生於人口較為稠密的西部平原及麓山帶，當時造成約2,400人死亡、超過11,000受傷，結構物破壞也超過10萬棟，其他重要設施的損壞；如石岡壩、高壓電塔等，都令人怵目驚心、餘悸猶存。回顧從921重大災害型地震後，我們可以重新檢視台灣地震防災科技的發展，以及面對大自然大型天災、環境，應該有的態度和理解，在幸與不幸間，減低生命財產的損失，透過科技、人文，增加我們對面臨災害的韌性。
結構物耐震及補強
地震災害最容易造成重大傷亡的就是結構物，老舊結構物、校舍、醫院等重要設施的安全就是地震防減災重大的核心問題。921地震前，當時的校園結構物設計大部分耐震不足，平心而論，幸運的是地震發生在凌晨1:47，校園並無師生的活動，可謂天佑台灣！否則將大幅擴增災害的衝擊。國家地震工程研究中心(NCREE)對於打造耐震永續家園三大研發主軸；包括耐震設計評估與補強、安全監測與預警和境況模擬與風險評估，可以達到大震不倒、小震不壞，功能維持和迅速復原的地震韌任性城市。推動校舍耐震評估與補強的作業規範、技術工法，強化校舍耐震評估與補強技術研發及落實，同時結合NGO及慈善機構，大幅強化老舊校舍結構物的安全，此次0403地震縱然在7:58，就沒有發生因校舍倒塌所造成的傷亡。921地震觀察到許多地方，最大地動加速度達到當時最大地震震度階6級，內政部也修改了耐震設計規範，中央氣象局也修改了震度階為0-7級，在2020年再修改為10級(0-4、5弱、5強、6弱、6強和7)，更能符合致災情境的預估。
臺灣位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的碰撞帶上，地震活動頻繁，臺灣位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的碰撞帶上，地震活動頻繁，主要的斷層分布在西部平原和西部麓山帶，以及東部花東縱谷的斷層系統(如圖3.)，共有36條活動斷層；花東地區主要的活動斷層由北至南就有米崙斷層、嶺頂斷層、瑞穗斷層、奇美斷層、玉里斷層、池上斷層、鹿野斷層和利吉斷層等，大部分位於花東縱谷，從歷史地震的空間分布來看，縱谷西側存在有明顯向西傾的中央山脈孕震帶，這些都是使花東地區成為災害型地震的高潛勢地區。台灣地震科學研究中心的臺灣地震模型(Taiwan Earthquake Model) 2015年公布未來30年臺灣孕震構造之發震機率圖顯示(如圖4.)，東臺灣地區發生規模大於6.5及6.7均達34%，僅次於南臺灣；而發生規模大於7.0則達20%，為全臺之冠。花蓮地區長期研究顯示屬於地震災害高潛勢地區，對於孕震帶構造的了解及防震減災工作更顯得重要。
台灣活動斷層達36條，兩側10公里範圍內通過之村里為近斷層影響範圍，則其影響人口數超過860萬人，影響建築物棟數超過250萬棟，因近斷層地震具高速度脈衝、地表大位移等特性，建築物受到近斷層效應影響之危害恐較一般地震更為嚴重，國家地震工程研究中心於成大歸仁校區興建台南實驗室並建置長衝程高速度振動台系統，此振動台系統係為重現近斷層地震所設計，可探討近斷層地震對結構耐震性能的影響與研提防治對策，該系統係針對台灣地震頻繁且斷層密佈之特殊環境條件所建置，可模擬近斷層地震之大位移錯動與高速度脈衝等特性，其性能為目前世界上首屈一指，對近斷層抗震技術之研發將有莫大助益，特別對於近斷層地震反應模擬、高樓層地震反應模擬、大型地工構造物地震反應模擬和減震元件動態測試服務等，將對結構物防震減災有重大的效益。
老舊結構物一直是大規模地震的隱憂，2016年0206高雄美濃地震的維冠金龍大樓嚴重搖晃而倒塌，造成超過百人的死亡；2018年0206的花蓮地震，同樣造成統帥大飯店、雲門翠堤大樓和國盛六街民宅等地倒塌破壞(如圖5.)。對於1999年以前的老舊建築物依據舊耐震設計規範，以及私有供公眾使用的建築包括住商混合大樓、飯店、集合住宅等，底層開放空間，上層居住用途，具軟弱底層的缺陷，應該是值得重視的問題。
台灣防災型都更的推動，確實有助於老舊結構物存在的問題，尤其是921地震以前的結構物，惟實際執行上確有其複雜和困難，需要靠政策和法令的修改增加其可行性。除此之外，臺灣地震頻繁，為加強建築物的耐震能力，協助民眾辦理建築物耐震補強，內政部推動私有建築物耐震階段性補強補助，每件最高補助450萬元，將有助於提升民眾對建築物補強的意願，特別對於地震後，貼上紅、黃單的結構物，面對下一個災害型地震的威脅，提供一個可執行的方案。值得一提的是，在政府防災行都更和私有建築物耐震階段性補強的方案推動下，此次花蓮0403強震下，以及餘震不斷，甚至餘震規模超過6.0以上，建築物或有傾斜半倒，但並未有因建築物倒塌而造成死亡，可謂天佑花蓮，政府對於老舊結構物的安全，應加速持續推動相關的方案，在人口稠密的西部平原的近斷層都會區，更形重要。
地震預警的發展與精進
1991年起氣象署開始逐步於臺灣本島建置大量的自由場強震站，組成臺灣強地動觀測網，發展地震速報系統，同時蒐集臺灣各都會區地層、土壤的強震資料，建立臺灣強震紀錄資料庫，提供學術界地震科學研究與工程界耐震設計規範參數。921地震時收集到許多近斷層強地動寶貴資料，當時的地震速報也受到國際的讚揚，同時發現震央在南投，高壓電塔倒塌造成台北斷電，而致災的剪力波和表面波抵達台北大約有50秒，對於地震早期預警系統(EEWS, Earthquake Early Warning System)是值得大力發展的可能，地震預測目前雖然仍性。2015年氣象署開始將部分自由場強震站加裝即時傳輸功能，目標在臺灣各縣市每個行政區皆至少安裝1座即時強震站，在大地震發生後，迅速提供以鄉鎮市區為尺度的細緻化震度資訊，強化中央及各縣市防救災單位地震救災決策擬定與動員配置所需的研判資訊，擴大速報資訊應用範圍與效益。
近幾十年的發展，不管是現地型預警或區域型預警(如圖6.)，甚至複合型地震預警系統在台灣已逐漸成熟並應用，甚至後端的加值應用，以及自動控制系統，政府也鼓勵推動地震防災產業；結合預警訊息讓高鐵、台鐵減速，啟動控制電梯，瓦斯、電力等切斷裝置，啟動照明及逃生路線指引，防震桌、防震衣櫃的避難，都是防震減災的重要措施。
地震預警系統原理主要分為現地型預警和區域型預警兩種，簡述如下：
現地型預警系統(Onsite Warning)：直接由P波波形預估現地的震度；測站所收到的地震波時間序列如圖7.，體波的P波(壓縮波)會最先抵達(波速最快)，但振幅相對於S波和表面波小很多；接著是體波中的S波(剪力波)會稍晚到(波速稍慢)，振幅較大，隨後的表面波波速最慢，振幅最大。隨著傳播距離越遠，P波和S波、表面波逐漸拉開，利用前3-7秒的P波波形推估後面S波、表面波的抵達時間和振幅，進行震度的預估，發布預警訊息，因此可預警的時間就與測站所在地和震央的距離有密切的關係，太靠近震央地區地預警時間就非常短，對一定距離地區就可能有十幾秒到數十秒的預警時間。
區域型預警系統(Regional Warning)：利用震源附近數個3-5個測站資料，自動進行地震定位、計算規模，再預估各地可能震度，對達到一定震度以上的地區發布預警訊號。
複合型地震預警系統：即針對兩種系統，優先達到發布標準者，發布預警訊號。
目前發布地震預警訊息的管道除給防救災單位外，一般民眾可從國家級警報(PWS)、電視臺推播警報(TV)和手機APP推播警報(WAN)等，獲得地震預警的資訊。地震預警所發布的是達到門檻值地區的 “預估震度”，可能因誤差在門檻值上下，對某些地區可能造成發布或沒發布的問題，與隨後快速地震報告實際觀測值的震度分布圖(如圖8.)，某些地區也可能有少許震度上的差異也是可能的。特別在大地震的震源時間函數(Source Time Function)時間比小地震長，破裂過程能量分布也可能主要在後面，易造成預估震度的誤差，震源破裂的方向、場址效應、盆地效應和波徑聚焦等，都是可能造成預估震度的誤差；但地震早期預警及應用，的確是災害型地震防震減災的有效手段之一。
氣象署為精進地震預警的震度預估及其防震減災效益，將持續新增地震觀測站、陸續建置六都客製化地震預警系統、引進AI預測模型等，提高P波判別與震度預估準確度，考慮都會區大樓的振幅放大效應、震源破裂方向、盆地及場址效應，歷史災害型地震納入機器學習，大地震納入實際觀測值發布第二報等，減低大地震震度低估的問題，將有助於符合民眾實際的感受和期待，國際科學界仍無法達到地震預測的目標，地震預警系統對於防震減災絕對具有其重要性。
資料來源：中央氣象署地震測報中心
0206-0918-0403地震及餘震序列
921地震車籠埔斷層的巨大錯動後，國科會曾啟動了 「地震及活動斷層」大型整合研究計畫，包括孕震帶構造、地震地質、地震活動與地震地體構造、地殼變形、地震物理及強地動研究。利用豐富的資料提昇研究的質與量，舉凡在斷層的調查及研究、地震前兆的觀測分析，都使得台灣在地震科學研究上，開展新的里程碑。同時跨部會結合交通部中央氣象局的「全球衛星定位系統連續監測地震前後地殼變形」和「寬頻地震觀測網」計畫，經濟部中央地質調查所的「斷層活動性觀測與地震潛勢評估調查研究」計畫及經濟部水資源局的「地震發生前後地下水位異常變化之研究」計畫，形成「地震與活斷層研究」的跨部會重大科技五年計畫。
地震科學研究和調查，隨著災害型地震的減少，逐漸回歸學門及部會署科技計畫持續推動執行。2016年0206高雄美濃地震、2018年0206的花蓮地震、2022年0918台東地震和2024年0403花蓮地震，密集的災害型地震再度喚起大家對地震議題的重視！特別是0403規模7.2的強震，讓大家又回憶起1999年發生芮氏規模7.3的集集大地震，帶給台灣有始以來最大的地震浩劫。而板塊邊界、隱沒帶、活動構造、地殼變形、都會區地震、隱藏孕震機制和地震工程是需長期投入的重要研究調查工作。
災害型大規模地震發生當下，除救災、復原和安置為第一要務的工作外，對地震研究工作者和氣象署而言，餘震的監測更是刻不容緩，餘震衰減的過程中，是不是有更大的的地震？更是大家所擔心的問題。因此，孕震帶構造的了解、地震活動度的監測分析，應該是最重要的一環，同時密集地餘震資料蒐集，對日後地震地體構造研究也提供豐富的研究資料。
2018年0206地震，國立中央大學、中央研究院地球科學所和東華大學隨即進行了聯合餘震監測，在花東地區布下密集的臨時地震觀測網(如圖9.)，同時也蒐集了相當多的密集餘震資料。同時也利用中央氣象局餘震個數隨時間變化的統計資料，發現在大地震發生前或較大規模餘震發生前，都有顯著的地震活動度變強的趨勢(如圖10.)，應可以作為大地震來臨前的重要指標。
0403地震後餘震規模及地震個數隨時間衰減，但在0423較大規模地餘震產生前一天，也就是0422地震活動度逐漸變強，即地震規模逐漸變大，個數也明顯增加，隨即在0423清晨產生3次規模6以上的強震，因此，大地震後的餘震監測具有重要性的指標意義，而目前已呈現穩定的狀態。(如圖11.和圖12.)
花東縱谷是屬於大型的斷層系統，包括許多的活動斷層、孕震帶構造甚至區域型的地震發生；而米崙斷層是花蓮北段最主要的活動斷層，從歷史紀錄來看，發生災害型地震的紀錄相對較頻繁，1951年10月至 12月東台灣籠罩在地震的侵襲下，自10月22日開始，地震接連不斷地發生，餘震沿著縱谷由北段之花蓮向南遷移，11月至中段 之玉里地區，12月達南段的台東地區。當時台灣省氣象所(中央氣象局的前身)共記錄了3,037個地震，其中735個為有感地震、4個大地震(超過ML7.0)，釀成85人死亡、200人重傷、1,000餘人輕傷。地震分佈長達一百多公里，同時引發米崙、玉里與池上等三條地震斷層的錯動。1986年11月15日花蓮外海發生規模6.8的地震，造成15人死亡，至少有200餘戶以上建築物受損，催生了中央氣象署地震測報中心的成立。2018年0206大地震也發生在花蓮外海，與1951年和1986年震央相近，都是在菲律賓海板塊的最東邊隱沒帶附近，造成米崙斷層的錯動，可以發現主要的破壞均在米崙斷層沿線及鄰近地區，因經過花蓮市人口稠密的地區，斷層沿線老舊結構物的破壞就成了重要的問題，特別是高樓受長周期地震波的影響，更可以感受到劇烈的搖晃。
0206花蓮地震發生，東部地震中心更是責無旁貸扮演區域中心角色；台灣東部地震中心隨即赴花蓮縣政府災害應變中心，蒐集所有情資緊急聯繫國家地震工程中心、國家災害防救科技中心及東華大學組織勘災調查團隊，於地震隔日2月7日一早組織團隊展開全面調查量測工作。環境學院與地震、地質、防災相關的教師研究團隊均於地震發生後立即啟動相關的地震資料分析、地表調查、災害地區無人航空載具UAV拍攝、GPS連續站同震變形資料彙整、花蓮地震序列雷達差分干涉圖、布設臨時觀測網監測餘震及地震即時監測等工作，連夜彙整調查初步報告，於2月8日上午將所得的第一手結果上傳至國家災害防救科技中心及花蓮縣災害應變中心，俾中央災害應變中心及地方政府參考使用，並公開於網站提供下載參考。東部地震中心利用國家地震工程研究中心的即時傳輸地震網，隨時觀測及收集地震資料，並隨時待命彙整，提供即時資訊展示系統向媒體說明地震監測及相關調查結果(如圖13.)，相關作為並獲和碩集團捐贈經費贊助本中心採購S波震源，作為後續探勘研究的重要設備。
資料來源：中央研究院地球科學研究所
有鑑於0206花蓮地震引發米崙斷層錯動，以及約六十年前1951年更大規模地震-花蓮台東地震序列(規模7以上)，同樣在米崙斷層產生類似的錯動。暗示米崙斷層的地底下與附近的斷層構造有一定的連結，且其鄰近具有高潛勢大規模地震的隱沒帶板塊邊界，形成重要的斷層系統。米崙斷層重複的錯動行為極為特別，深具科學意義。因此，中央研究院關鍵性突破計畫下，啟動了花蓮米崙斷層科學鑽探：地震活動及前兆井下監測(Milun fault Drilling and All-inclusive Sensing / MiDAS)(圖14.)，包括跨越米崙斷層線的震測試驗與反射成像剖面、鑽探計畫井下地物分析與岩心判識和米崙斷層三維構造研究；特別是台灣繼921車籠埔斷層鑽探計畫後，再次啟動米崙斷層的鑽探及岩心採樣分析，同時埋入總長約5公里的光纖陣列，利用光纖遙測技術紀錄大地的微震動並希望獲得高解析的地下三維構造，也是台灣首次的利用光纖探測隱沒帶附近的構造。
國立東華大學台灣東部地震研究中心及地震前兆觀測實驗園區
國立東華大學環境暨海洋學院為整合台灣東部地震研究能量，培養地震科技人才，参與防震減災研究與實務工作，並提升台灣東部區域觀測、預警、研究及地震防救災教育，依據本校組織規程，正式於2013年籌設「台灣東部地震研究中心(E-TEC; Eastern Taiwan Earthquake Research Center)」，並於當9月正式揭牌成立。(如圖15.)
臺灣位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的碰撞帶上，快速的板塊運動速率及高密度的地震活動使得臺灣成為最佳的自然實驗地區，臺灣東部更是大多數地震集中的地區。特別是位於板塊碰撞及隱沒過渡帶的花蓮附近，花東縱谷又為板塊之主要邊界，更是臺灣地震發生頻率最高的地區，為更具體觀測分析臺灣東部之地體構造，進而評估潛在的大地震威脅性。並作為當年行政院防災應用科技方案下，臺灣地震預警與前兆現象整合研究與潛在防災應用計畫項下的實驗基地，因此推動建置「臺灣東部地震研究中心」，具有特殊意義。
中心的主要重點任務「區域地震資料中心」、「地震前兆觀測研究」、「地震預警區域中心」、「地震防災教育」等(如圖16.)；台灣東部地震研究中心地震資料庫，同時接收中央氣象局、國家地震工程研究中心以及南海地震觀測網的即時地震資料，並於東華校園設置簡易型地震儀震列(Palert cross array)進行實驗，將持續維運並進行花東地區地震每月的時空分布監測，研究區域地動衰減模式，特別在近場效應之影響評估，預期能增近地動衰減模式對花蓮地區的估算能力，並與地震預警發展更精確的地盤響應校正及預估。
在地震前兆觀測上，雖然國際間普遍認為地震仍然無法正確預測，但對大地震前可能存在之前兆現象，還是一個非常值得研究的主題。臺灣地區因為地震發生頻率極高，而且擁有非常高密度的各式現代化的觀測儀器，是全球非常合適進行地震前兆分析研究的地方。其中特別是臺灣東部之花東地區，希望更有效地整合臺灣之資源及人力，在下一次大地震來臨前也許有很大機會觀測到更具科學性的地震前兆現象。
因此，臺灣東部地震科學中心針對地震前兆研究主要觀測項目，在東華校園建置台灣唯一的共站式地震前兆觀測實驗園區(圖17.)，包括:
(1) 井下不同深度及地表的地震儀
(2) 地殼變形監測(GPS)
(3) 土壤CO2和氡氣監測
(4) 大地電阻
(5) 地磁場
(6) 電離層濃度變化
(7) 衛星影像(Synthetic Aperture Radar Interferometry)
(8) 井下自然電位
(9) 伽瑪輻射
以雞尾酒療法的概念進行雞尾酒式前兆(Cocktail Precursors)的探討及研究；即利用多種可能地震前兆，來推估地震發生前可能之時間與位置。有些單一前兆對地震發生時間較為敏銳，有些對空間較為有效。故利用多種可能地震前兆，期望提高地震前兆作為預測之可能性。
結語
人類歷史相對於地質的時間尺度是相當短暫的，地球自然災害我們更需要保持敬畏之心，隨著人類文明的發展伴隨著對環境的衝擊也會日益加劇，我們必須善用科技來減低災害所帶來的影響。
日本和台灣均位在環太平洋地震帶上，同時面臨地震災害的威脅，過去日本曾發生關東大地震和未來南海海槽(Nankai Trough)可能大地震和海嘯的潛在威脅下，日本對於地震科技的研究發展不遺餘力，相關的防救災整備也積極推動，如《孫子兵法 ·九變》所云：｢無恃敵之不來，恃吾有以待也｣。台灣也一定會面臨下一個災害型的地震，從921地震以來，接著經歷0206、0918和0403等災害型地震，不管在地體構造了解到活斷層調查，地震預警到地震前兆觀測、地震工程到結構物安全、防災產業落實到整備，甚至保險和防減災法令的修訂等，都將有助於台灣面對災害降低風險，使我們成為韌性的城市！
