圖/米各
文/簡麗賢
2025年12月27日晚間11時5分,台灣發生芮氏規模7.0地震,民眾明顯感受不同程度的搖晃,台北震度為4級,高雄4級,民眾在社群平台表達地震當下的驚魂經驗。中央氣象署說明地震震央位在宜蘭外海、芮氏規模7.0,深度73公里屬於中源地震等。在社群平台討論有關地震時高樓層建築的晃動,一則貼文提及「住在7樓或7的倍數樓層,地震是否特別晃?」引發熱議。本文擬就地震成因與地震波引發地表建築物振動現象,討論地震的科學概念。
地球表面呈現令人歎為觀止的瑰麗面貌,幕後推手來自地球內部的力量,以及地表的各種地質作用。造就這大千世界的神祕力量來自板塊運動,這是地球旺盛的生命力。
地球內部不斷在變動,在台灣的生活中最能直接感受到地球變動的證據,莫過於地震,其動力來源來自於板塊的相對運動。台灣在地殼構造上正位於聚合性板塊隱沒處,亦即歐亞板塊與菲律賓海板塊卿卿我我的交界地帶,屬於環太平洋地震帶,此區域包含菲律賓、印尼等國家,地震發生頻仍。
板塊運動 產生變形
台灣地震頻仍有其發展科學史,本島與澎湖群島的生成,與板塊運動有關。600萬年前的現今台灣附近,由於菲律賓海板塊,以每年約7公分的速度向西北方向移動,撞擊歐亞大陸,相互擠壓造成高溫高壓作用,導致岩體褶皺隆起,形成原始的中央山脈,浮出海面,產生現今台灣島的雛型,造山作用迄今仍在活動中。由於板塊碰撞主要發生在東部海岸附近,故台灣大多數的地震發生在東部及其外海地區。
台灣是個年輕的島嶼,附近區域的板塊運動旺盛,地震頻繁,每年平均發生兩千多次地震,其中兩百多次為有感,規模6.0以上的地震每年約3次,而規模7.0以上的地震則約每3年1次。
發生地震的成因,學理上力學的解釋,是因為岩層受到板塊運動的作用力產生變形,當變形量累積超過岩石本身的彈性限度時,就會從最脆弱的一個點開始,沿著斷層面發生斷裂、滑動,將長期累積的能量,在瞬間以地震波的方式向四面八方傳播出去,形成地震。地震發生後,變形又會開始累積,再導致下一次地震,周而復始累積能量和釋放能量。因此每一次地震後,學者受訪時常說明地震是斷層釋放能量的形式。
P波S波 能量釋放
斷層釋放能量以地震波形式,中央氣象署觀測站偵測的P波和S波是其中兩種實體波,P波傳播速率較快,屬於週期波的縱波形式,最快到達測站,測站人員依據P波訊息發布地震警報;S波傳播速率較慢,屬於橫波形式,到達測站後,提供專業人員快速分析地震資料。
我們感受到週期性的地震主要是S波,地面震動程度稱為震度,與建築物受破壞程度有關,涉及建築物的耐震程度,另一種是根據芮氏規模關係式決定的地震規模,依據地震震源釋放能量與距震央遠近而計算的數字,提供民眾參考。
住在7樓或7的倍數樓層,地震是否特別晃?將地震波視為一種週期波,某一局部運動視為物理學的「簡諧」週期往復振動,當地震發生時,高樓層建築也發生駐波共振現象,如同手握一支一百多公分的彈性塑膠長尺,將尺直立後連續週期振動,發現長尺可產生振動位移最大的「腹點」,也有振動位移較小的「節點」,腹點與節點數不只一個,這樣的直尺振動,好比地震發生時的高樓晃動,有些點(樓層)振動位移非常小,有些腹點(樓層)振動位移特別大,這是波的共振現象。至於節點與腹點位置如何,受到波的頻率與波長影響,也與建築物高度有關,不一定在7樓,但依據駐波共振概念,有其數學倍數關係,晃動程度則受到波能量的影響。