台湾集集7.6级地震之车笼埔断层活动特征及其危害

陈文山

陈文山，台湾大学地质科学系教授。先后于1985年、1989年获台湾大学地质科学系硕士、博士学位。近十年来主要研究方向为第四纪活动断层与构造的活动特性、第四纪造山带与盆地演化，以及台湾地热探勘等。近年来先后主持国家科技重点计划、5.12汶川地震之地震地质研究（2008—2010）、宜蘭地区加强型地热系统储集层的促进与模拟研究（2012—2015）、宜蘭地区加强型地热系统储集层的技术开发与模拟研究（2016—2018）等项目；发表中英文学术论文50余篇；于2016年主编《台湾地质概论》著作等。

台湾集集7.6级地震回顾

台湾岛位于地球上板块运动最活跃区域—环太平洋构造带上，是琉球与马尼拉俯冲带之间的菲律宾海板块与欧亚板块碰撞形成造山山脉的结果。千万年以来，板块挤压作用从俯冲到碰撞，伴随着褶皱与断层活动，形成了现今的山脉。第四纪以来，中央山脉前缘（西侧）形成一系列以迭瓦状向西逆冲的断层，形成褶皱与逆冲断层山脉—西部麓山带。这条新生山脉由3～4条相互平行的逆冲断层所构成，越西侧的断层越年轻。台湾中部地区正是造山运动最剧烈与最活跃的区域，由东向西的逆冲断层依次为地利断层、双冬断层、车笼埔断层和彰化断层，其中位于西侧的三条断层都被列为活动断层，车笼埔断层大约形成于70万年前后。台湾约有2/3以上的活动断层都位于西部麓山带，虽然发生地震频率不高（每年约15%的地震发生在此区域），但主要的地震灾害却多发生在此区域（见图1）。

百余年来（1896年台湾设置第一部地震仪），陆上发生6.5级以上的地震约15次，都造成大小不等的灾害。其中以1906年梅山7.1级地震、1945年台中7.1级地震以及1999年集集7.6级地震最为严重，伤亡人数均超过数千人。由各地震的震中分布显示，灾害性大地震大多发生在西部人口密集的麓山带。从大地震发生频率与人口密度来看，台湾确实属于全球地震灾害极严重的区域之一。1999年集集地震是自1951年花东7.1级地震之后，规模最大的地震，造成极大灾害。除震后救灾之外，各界都投入相当大的资源，并与国际合作进行调查研究，期待从此灾害中对地震潜势与灾害应变策略有更深入的了解。

图1 台湾活动断层与都会区分布图

车笼埔断层及其危害

1999年9月21日凌晨1时47分（地震持续时间102秒），台湾中部地区发生7.6级地震，地表破裂100千米，震中位于集集镇附近的九份二山，发震断层为车笼埔断层，震源深度约8千米，属于极浅层地震。集集地震是台湾百年以来规模最大的地震，伤亡极为惨重，共计有2471人死亡与失踪，约12000人受伤，房屋全毁51753户，半倒54406户。地震引发断层破裂长度从苗栗县卓兰镇到云林县古坑乡，全长约100千米，沿着石冈断层、车笼埔断层与大尖山断层产生地表破裂和陡坎（见图2）。断层上盘（东侧）地块抬升数十厘米至十米，并向西水平移动数米至十米。北段破裂从苗栗县卓兰镇至台中市太平区的抬升量约3～10米（石冈断层），南段由台中市太平区至云林县古坑乡的抬升量约三米至数十厘米（车笼埔断层与大尖山断层）（见图3）。地表破裂沿着山麓前缘，经过许多人口稠密的乡镇，因此造成重大的伤亡以及建筑物严重毁损与倒塌。

图2 集集地震产生的地表破裂和陡坎

图3 集集地震断层垂直错动量

地震时，除了近断层的地表破裂变形之外，邻近山地还伴随着大规模的山崩与滑坡，而冲积平原上呈现大面积的土壤液化。这些在地震瞬间产生的剧烈地表变动，都是造成灾害的主要原因。从灾害分布与地质构造的关系来看，可分为三个不同的地质构造环境：（1）地震断层带沿线：集集地震的地表破裂沿着台中盆地与山脉交接处，形成一道长约80千米，高差从0.2～10米的断层崖；地表变形带宽度从数米至十数米。破裂带通过的结构物无一幸免地遭受毁灭性的破坏，如石冈水库大坝（见图4）、铁道（见图5）与桥梁（见图6）。（2）邻近震中区（上盘）：由于邻近震中，地表加速度都达到0.4g以上（最大加速度达1.1g），导致建筑物全面性的破坏，位于震中区的中寮乡有90%房屋倾毁。此外，位于断层上盘的山区发生一万多处的山崩与滑坡。草岭山与九份二山属于顺向坡地形，地震时发生超大规模的深层滑坡，草岭山滑移到3.5千米外。（3）冲积平原区（下盘）：冲积平原（台中盆地）属于松软的砂泥与砾石层，除了因盆地效应造成灾害之外，沉积层液化也导致相当程度的灾害。

图4 集集地震被摧毁的石冈水库大坝

上述区域除了各种地表变动之外，结构物的耐震系数过低也是造成灾害的主因。中部地区在集集地震前规定的建筑物耐震系数为0.23g（震后修改为0.33g），但地震时在震中半径30～50千米范围内所测得的地表加速度平均都大于0.4g。其中以中小学建筑物的损坏最为严重，约280所全毁与半毁，所幸地震发生于深夜，所以没有造成伤亡。教室为了充分采光而设计大面积的开窗与低楼层建筑，导致产生短柱效应，层间柱体产生剪力破坏，因此造成众多中小学建筑物在地震时倒塌。

另外，泥石流灾害则是地震之后最需重视的地质灾害。集集地震时产生大规模的山崩与滑坡，但是这些崩落的大量土石都堆积在坡地上。台湾位处西太平洋台风必经路线，每年约有1～4次

台风登陆，年雨量约2500厘米为全球平均年雨量的3倍。桃芝台风（2001年7月16日）是地震之后第一个侵袭台湾的台风，造成台湾有史以来最严重的泥石流灾害，位于断层上盘的大甲溪在一夕之间，河床堆积厚达20～30米的土石。持续至今，中部山区每逢台风必然产生大规模的泥石流，已成为常态，显示地震之后18年间，中部山区坡地还是呈现不稳定的状态。

图5 遭遇地震损坏的铁道

台湾地震活动断层调查研究历史与现状

台湾有系统的地震活动断层调查始于20世纪70年代中期，当时因兴建核电厂，汇整了台湾地震活动断层资料，共划定47条活动断层。而其后的研究也仅限于以地形调查为主，对于断层的地质构造成因与活动性较少着墨。1998年，由地质调查所汇整完成第一版《台湾活动断层概论》，次年即发生集集地震。由于第一版内容是汇整数据，之前对于活动断层研究较少利用测年年代数据，因此对有些活动断层的认定仅依据学理的推断，故属于第一类型活动断层多是1896年以来有地震记录的断层，对于没有地震纪录的断层，则通过第四纪地形地貌的分析来判定，所以产生许多误判。例如1999年引发地震的车笼埔断层，在第一版中就未被列为活动断层，因此于2000年修订出版第二版。第二版中最重要内容是制定了活动断层的认定规范：过去100000年内曾活动，未来可能再度活动的断层称为活动断层。其中，过去10000年内曾活动者，为第一类活动断层；在过去100000～10000年内曾活动者，为第二类活动断层。存疑性活动断层，则是指过去500000年有活动，但不确定过去100000年内是否有活动的断层。

图6 地震中损坏的桥梁

自1999年集集地震之后，台湾才积极展开地震活动断层的全面调查。至今18年间的主要工作，有1∶5000比例尺的活动断层测绘、断层活动性研究（古地震与长期活动速率）与大地测量[全球定位系统（GPS）与精密水平测量]。台湾于2011年12月1日实施“地质法”，并制定各种地质敏感区的划设。鉴于地震引发断层活动造成的危害，活动断层地质敏感区是灾害敏感区划定的重要项目之一，因此上述活动断层研究便成为划定敏感区的重要依据。

自1998年以来，《台湾活动断层概论》经过两次的修订（2010年第三版），依据前述定义的活动断层共33条（2010年版）。此外还有许多断层没有年代资料，还未被认定为活动断层。自2010年以来，地质调查所就未再进行新的活动断层的评估研究，但依据现有数据，活动断层数量应可以增加至49条（包括盲断层）。近年来限于野外工作者与经费逐渐减少，活动断层调查已近停滞。尤其活动断层的研究项目中，古地震研究（探槽挖掘，见图7、图8）是各国揭示与评估活动断层地震复发周期与发震概率的最重要依据，也因为人力与经费问题不再有系统性的调查。而之前古地震研究获得较具体有地震周期的活动断层，包括车笼埔断层（周期300～450年）、瑞穗断层（周期170～210年）、池上断层（周期50～120年）等。根据车笼埔断层古地震年代（2000年来共发生6次大地震）与每次地震产生位移量的结果，可推演下次大地震的发生时间约为公元2500±50年。

图7 开挖探槽

与其他国家活动断层地震复发周期比较，似乎台湾活动断层的地震再现周期都非常短，以百年计。虽然还有更多的断层须进一步研究，但此结果可能与台湾位于板块碰撞带环境有关。在菲律宾海与欧亚板块每年平均80毫米的挤压作用下，能量快速累积在断层带中，导致断层发生大地震与错动的再现周期较短。虽然目前科学界对于大地震发生的时间、地点和规模尚无法预测。但是，古地震研究仍是地震预测研究中提供最主要资料的方法。近四十年以来，地质学家还是通过探槽挖掘获得古地震年代与位移量，作为预测下次大地震发生时间或机率的必要依据。

地震活动断层的应对措施

自1999年集集地震后，台湾针对地震灾害的防范工作，除了提高各县市建筑物的耐震系数之外，于2011年12月1日公布实施“地质法”，至今已公告14条活动断层地质敏感区。此“地质法”中并没有实质的强制性规定。没有条例直接规范土地开发与建设若位于地质敏感区之内者，必须通过地质审查。因此，为防范在地质灾害敏感区之内进行土地开发与建设，就须经由其他法令明确需附有地质敏感区的相关信息时，才有依据要求进行基地调查及地质安全评估与审查。

活动断层引发大地震的灾害当中，最令人担忧是邻近活动断层的都会区（指以现代大都市为中心的城市集聚区域）如何防范地震造成的灾害。对于都会区防范地震灾害的应对措施，可针对地震断层带与非断层带区域可能产生何种灾害类型来思考。邻近断层区域主要还是受到地表强烈变形造成结构物的损毁。集集地震当中全倒建筑物大都集中在断层带沿线以及震中区，但经常可见距离断层仅数米的建筑物还维持完整状态。由于断层活动特性以及建筑物基础岩性的差异，导致地表变形带的宽度有所不同。根据集集地震产生的逆冲断层变形带宽度的实例来看，位于上盘区域断层剪切带可以宽达百米以上（经多次地震产生的剪切带，但大部分区域在集集地震时产生的破裂带仅沿着其中之一的剪切带产生错动）。下盘（以冲积层为主）的变形带通常限于百米之内。所以，活动断层敏感区范围的划设，将上盘定为宽200米，下盘宽100米（国际上首次针对逆断层敏感区范围的划设）。另外，平移断层的变形带通常较逆冲断层带还窄，所以敏感区范围定为断层两侧各100米；正断层的变形带通常也较窄，但台湾尚未有划设的实例。

对于如何确定活动断层两侧地质敏感区宽度的划设原则，除了因断层性质不同的因素之外，还应该客观考虑该地区（国家）的法令限制及土地使用形态的运用，如社经环境背景、地区发展需求及人口密度等因素。台湾因地狭人稠，几乎半数以上的活动断层都通过都会区，因此位于地质敏感区之内的私有土地面积非常大，若实施禁限建（地质法中规定，地质敏感区内的现有土地若受到禁建、限建管制时，可依现有法令进行补偿），必会造成很大的纷争；目前唯有公有土地才有禁限建的考虑。由于未来都会区土地都采取大面积开发，因此必须通过其他法令进行审查。此时即可以按照地质调查与安全评估的要求，来确定土地开发行为的适当性。要求远离灾害风险较高区域或因风险大小调整土地利用强度与密度，以提升土地利用的合理性与安全性，避免未来断层活动时造成重大灾害与损失。

另外，远离断层带之外的土地，因不受断层带变形影响，亦无须划设敏感区。但这些区域可能因某种地质条件因素，地震时受到地表加速度或其他地质特性，以及建筑物耐震强度的影响，造成不同程度的灾损。以台湾集集地震为例，震后提高各地区的耐震系数是其中之一必要的措施。但此项措施只是针对地震之后新建的建筑物，而地震前的建筑物以及超过三十年屋龄的老旧建筑物的耐震强度都非常低，极可能在下次发生6～7级地震时造成严重的损毁。以大台北都会区为例，此类型的建筑物超过50万栋，唯有尽快改建才是避免重大地震灾害的有效办法。

图8 开挖探槽

思考与建议

台湾位于地壳板块活跃之地且地狭人稠，地震、台风、山崩与泥石流等大自然灾害频繁，属于天然灾害的高潜势区域。2015年英国剑桥大学风险研究中心的评估认为，台北市是全球城市危险度指数第一名；台湾约有90%人口居住在两种以上灾害（地震与台风）可能冲击的地区。

地震是台湾岛形成过程中必然发生且无可避免的自然灾害。通常地震影响范围非常大，且可能引发海啸、大规模山崩滑坡与泥石流等其他类型灾害，形成复合型灾害，增加了防灾与救灾上的难度。唯有落实避灾、防灾、减灾的相关措施，才可以减轻灾害的冲击与风险。地震灾害中90%以上的人员伤亡是因为建筑物倒塌所造成，唯有避开断层带才能够避免灾害。所以“避灾”是首要的措施与对策，可以将灾损降至较低。地震防灾对策需由政府与民众共同配合执行。政府必须事前制定防灾相关法规及配套措施，如重新评估区域的建筑物耐震系数或采取耐震补强措施、公告活动断层敏感区与土壤液化潜势区、建立社区防灾救灾组织、重视地震防灾教育与演练及设立地震海啸的预警系统等。这些预先的防灾准备与措施都可以降低地震可能带来的灾损。减灾是通过政策管理与各种应对措施来降低灾害的风险，因此灾害敏感区限制开发是其中一种应对措施，但台湾的地质法中并没有明确实施禁限建的规范。

目前台湾防灾减灾的政策与各项应对措施仅止于政策制定与政令倡导阶段，至于如何推动与提升民众防灾减灾意识与能力，并达到民众自发性参与的目标，还须一段漫长的路程。