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# 觀測地震學
## 地震公民教育
* 理解地震的發生，不迷信不聽謠言
* 明白如何觀測地震，單位測報的資訊
* 清楚地震災害的種類，對環境變化不至慌亂
* 了解如何因應地震，採取必要安全措施保護生命財產

## 地震學
### 地震學簡介
* 1906/04/18 05:12 舊金山大地震
> 聖安德列斯斷層線附近因擠壓而隆起，受雨水侵蝕形成向兩側的侵蝕溝(可藉由侵蝕溝位移分量了解板塊移動速率)
* 地震後地震學家藉由測量資訊開始了解地震規模、板塊與原因

### 地震原因
#### 彈性回跳理論 Elastic Rebound
* 地殼受力，斷層間摩擦力阻止斷層滑移，出現變形(以彈性位能儲存)
* 應力克服摩擦力以致斷層產生瞬間錯動
* 釋放的應變能以彈性波向四面八方輻射(釋放彈性位能)
* 地下水流過(帶來礦物結晶在斷層線上)，使斷層線癒合，強度復原

### 震源物理
* 了解彈性回跳理論中的物理參數，藉此了解震源與預測地震
* 剪切應力、剪切應變、岩石強度、地震強度
* 地震預警(EEW)
* ${V_p}={\sqrt \frac{\lambda+2\mu}{\rho} } ,V_s={\sqrt \frac{\mu}{\rho} }$， ${\lambda}$為拉梅參數
* $V_P:V_S=1.7-1.8:1$，約快($\sqrt 3$)倍
#### 問題
* 剪切應力的累積並非線性，因此地震難以預測(但可預估大致的週期)
* 其他預測方法：地電場、地磁場、電離層、斷層線旁的微小震動
* 準確度仍低，難以準確預測，目前以地震預報與預警為主

## 地震學 Seismology
#### 研究地震及彈性波在地球或其他行星內部傳遞的科學
>月震相較地震，因地質結構組成不同，衰減速度較慢
* 觀測地震學:依據地震波型研究震源、結構的科學
* 地表位移$u(r,t)=s(r,t)*E(r,t)*a(r,t)*I(r,t)$
為震源破裂型態s、地球結構E、場址效應a、儀器響應I （須去除） 的總和
* 自由震盪：地震發生時，整個星體表面會有微微的章動，可藉由遙測此現象發現日震、月震、恆星震（Gaia的天體測量）等

* 理論
* 地震防災
* 地震預警
* 計算
* 震測探勘
* 法醫、偵探⋯⋯

### 地震波震動
#### 體波
* P波：縱波，疏密波
* S波：橫波，剪力波
#### 表面波
* 雷利波：向後繞圓(橢圓)的波型，能量最大(沿地震傳遞方向震盪)
* 洛夫波：向X軸前進(左右震盪)，向Y軸震盪(上下震盪)

### 定性觀測
* 單純的觀測地震發生，無法得知地震參數
* 張衡（西元132年）候風地震儀
* 16世紀，愛爾蘭商人旅經義大利地震災區，發現震度因人而異
* 葡萄牙里斯本大地震(1755)，地震現象學起源

### 現代觀測
* 感震器、計時器、記錄器
* Robert Mallet (1857)奠基現代地震觀測儀器基礎
* 義大利Filippo(1875)，第一部地震儀(環狀紀錄)
* William Milne(1892)，精密地震儀
* 第一個遠震地震波型紀錄(1889)，德國波茲坦紀錄日本規模約5.8地震

#### 應用
* 現代地球結構、地球剖面、地球參考模型(PREM)⋯⋯
* 歷史發展
1. 1906發現地殼存在
2. 1909發現莫荷面
3. 1913古氏不連續面
4. 1934-1962長周期地震波資料
5. 1936發現內核
6. 1939以地震波到時資料發展地球頗面圖(J-B Table)
* 1910 彈性回跳理論
* 1928 確認深震存在
* 1930 芮氏規模定量估計地震相對大小
* 1940 全球地震分佈 :arrow_right: 地震帶
* 地震、火山、核試爆監測
* WWSSN,IMS,GSN,GOFON,GEOSCOPE,FDSN 全球地震監測
* 長週期訊號(低頻)，能量較強，震幅隨距離衰減較少，可傳較遠
* 短周期訊號(高頻)，時間解析度高

### 震波走時
* P波走時
* 惠更斯定理：震源發震到測站，有一個直達波($P_g$)、反射波($P_mP$)、折射波。再用距離/速率可求出走時
* 臨界距離：折射波與反射波走時出現差異的距離
* 超越距離：當測站距離震源的距離>超越距離，則是折射波第一個抵達，而非直達波

### 球體波線理論
snell's law
\begin{gather*}\frac{sin(\theta_1)}{v_1}= \frac{sin(\theta_2)}{v_2}\end{gather*}
在球體中，修正與折射路徑r與慢度u（速度倒數）的關係：
\begin{gather*}u_1{sin\theta_1}{(r_1)}= u_2{sin\theta_2}{(r_1)}\end{gather*}

球體中$sin\theta_2(r)$可表示為：
\begin{gather*}{sin\theta_2}{(r)}= \frac{r_{min}}{r} \end{gather*}

因此，$\theta_2(r_1)與\theta_2(r_2)$關係為
\begin{gather*}r_1{sin\theta_2}{(r_1)}= r_2{sin\theta_2}{(r_2)}\end{gather*}
除以$r_1$
\begin{gather*}{sin\theta_2}{(r_1)}= \frac{r_2}{r_1}{sin\theta_2}{(r_2)}\end{gather*}

上式代入修正後的絲乃爾定律：
\begin{gather*}r_1u_1{sin\theta_1}= r_2u_2{sin\theta_2}\end{gather*}

\begin{gather*}p_{sph}=rusin\theta\end{gather*}

打入的角度$\theta_1$越大，折射越大，傳得越近

走時斜率＝$u sin\theta = p_{sph}/r, \theta越大，斜率越高，距離越近$

### 體波傳遞
* 經過外核的P波紀錄為K，內核為I，地函為P
* S波經外核之後，剪切方向的波會被濾除，僅剩$S_V$波
* P波陰影帶
### 表面波傳遞
* 表面波的傳遞會傳遞數千公里，從優弧與劣弧不斷傳遞，在地震波紀錄上不斷出現
Credit:IRISㄠ

## 地震觀測
### 台灣地震觀測網
* 氣象局偏人口密集區
* 中央研究院偏山區
* 配置短中寬頻地震儀、強地動地震儀

### 振動訊號
* 地震
* 山崩、土石流
* 火山運動
* 隕石撞擊
* 冰山碰撞
* 冰河地震
* 礦石開採
* 核試爆
* 意外爆炸
* 航空器墜落
* 恐怖攻擊
* 海水震動:arrow_right:海浪:arrow_right:風速:arrow_right:大氣擾動（海水震動形成波浪，對海底來說相當於有位能變化，對海底施力，為水下噪音）
#### 頻散
* 物理量隨週期/頻率的變化
* 長週期速度較短週期表面波快，表面波速度與頻率有關聯

### 波形判讀
* 波相抵達時間
* 波相震幅
* 波相極性（上下動）
* 波相頻率
* 波動持續時間
* 波相類別
* 全波形
* 震源破裂型態
* 地下結構
#### 震源方向
* 依照P波推拉、東西向、南北向初動方向，決定震源位置
* E.g. 初動為拉力（負值）、南北向負值（南方）、東西向正值（東方），代表震源大致位於東南方；初動為推力(正值)，表震源方向在初動方向的反向
### 地震預警
#### 現地預警
* 地震到達時透過偵測P波，短時間內預測地震強度與S波
* 優點：可快速了解地震強度，缺點：地震需測得P波後才能預警
#### 區域預警
* 地震測站測得訊號後，通知周圍區域預警
* 優點：可更早測得地震訊號，缺點：若震央距離預警區過近預報效益低

## 板塊構造學說
### 隱沒帶 Subduction Zone
* 陸陸碰撞：地殼厚度大概增厚至大陸地殼兩倍(70km)，西馬拉雅
* 陸海碰撞：安地斯山脈
* 海海碰撞：台灣

### 斷層 Fault
* 正斷層
* 逆斷層
* 走滑斷層
* 轉型斷層
>中洋脊附近地殼較年輕，較熱，密度較小。
>靠近中洋脊處地殼越厚，但沉積物厚度越薄。
#### 逃脫作用
* 受兩板塊擠壓，中間的地殼向外變形，越外面逃脫速度越大。因逃脫速度有差異，中間形成走滑斷層。

### 餘後變形
* 地震後地層不會瞬間復原，會逐漸復原至原先變形斜率

### 海嘯
* 隱沒帶上覆板塊上升縮短
* 應變能累積至地震釋放
* 摩擦力被剪切應力克服，上覆板塊下降伸長

### 斷層破裂型態
* 斷層面上的錯動釋放能量時，可能是同時好幾次地震釋放
* 芮氏規模主要判斷最大的地震規模
* 地震矩規模＝地層剛性x滑移量x斷層面積，較明確反應地震的規模大小

### 震源機制
?

### 太空遙測
* 合成干涉
* 垂直地表位移量
* 電離層觀測

## 地震學應用
* 地震分佈與隱沒帶
* 餘震模型
* 震源物理
* 水平地震應力/震源機制解
* 資源探勘
* 環境監測：地下水影響地震波傳遞速度
* 法醫地震學：透過地震監測了解爆炸之類的災害狀況
* 台灣的同震變形:以澎湖為基準點，蘭嶼移動最快
* 西部麓山帶具多剪切應變儲存（斷層），為潛在危險區
* 以此為據，發展地震風險管理、長期地震預報

## 資料庫
* [TECEC](https://tecdc.earth.sinica.edu.tw/tecdc/seis.php)
* [P-alart](https://palert.earth.sinica.edu.tw/)
* [3D災害潛勢地圖](https://dmap.ncdr.nat.gov.tw/1109/map/)