池上斷層地表季節性潛移行為之力學參數研究：斷層摩擦力學參數及淺層岩層（黏）彈性係數探討

Abstract

台灣位於板塊邊界，地震活動頻繁，相對地活動斷層與地震造成許多的工程災害，因此，了解斷層活動時其斷層面上的摩擦特性和斷層上下盤岩層材料的力學行為與斷層活動所造成地表變形之間的關係，可以使得土木工程建設在規劃設計階段，避免因斷層活動所造成的災害，同時對於活斷層的構造力學特性與地表變形行為間的關係，可以提供更進一步的看法。 池上斷層從1951年及2003年分別發生規模6.2及6.5的災害性地震，在兩次地震間沒有發生過規模大於6的重大地震，根據全球衛星定位系統(GPS)測量顯示(Yu and Kuo, 2001)：池上斷層在1992年至1999年間，平均每年有2-3 cm的水平位移量，此位移量在世界上是數一數二的。本研究以有限差分數值分析軟體FLAC 4.0為分析工具，建立錦園村池上斷層之數值模型，來模擬池上斷層地表季節性的潛移行為，藉此對池上斷層的構造力學特性作一定量化的分析與描述。 數值分析主要研究內容分為二部分：第一部分是利用彈塑性模式，建立斷層的數值模型，藉由與現地水準測量資料的比對，反算錦園村池上斷層近地表的摩擦力學參數，同時也配合參數反算分析來討論模型參數設定的合理性；另一部分則是利用黏彈塑性模式，配合反算所得錦園村池上斷層近地表的摩擦力學參數，並藉由與潛變計監測資料的比對，反算錦園村池上斷層淺層岩層的黏彈性材料參數，最後再和降雨量的比對，探討黏彈性材料參數所反應之池上斷層地表潛變行為受到降雨行為的影響。 彈塑性模式分析結果顯示：界面元素的剪力強度愈大時，界面元素產生相對滑移的範圍愈少，當整個界面元素之剪力強度皆大於斷層滑移所造成的剪應力時，界面元素皆不會產生相對滑移，此時所造成地表變形曲線最緩、影響範圍最廣，而高程變化量最小，其均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)最大。而整個界面元素皆需產生相對滑動，也就是斷層抬升所產生的剪應力需大於整個斷層面上所能提供的剪力強度，才有可能造成水準資料中所看到高陡斜率的現象，此現象也間接表示錦園村池上斷層的破裂跡必需發展至接近地表處。當C=15KPa和ψ=10.8°時，其RMSE最小，因此，此參數即代表錦園村池上斷層近地表之摩擦力學參數。反算分析結果顯示，錦園村池上斷層近地表岩層之E值約在0.12~0.22 GPa之間。 黏彈塑性模式分析結果顯示：每一年的反算結果都可得到兩個凱爾文黏滯係數ηk。平均每年在2月至6月期間，可以得到一較高的凱爾文黏滯係數ηk，表示其釋放位移的速率較緩慢；平均在6月至10月期間，則可得到一較低的凱爾文黏滯係數ηk，表示其釋放位移的速率較2月至6月期間為快。將分析結果和降雨量資料作一比對，發現潛變行為與降雨行為有相當一致的趨勢，因此合理推測淺層岩層材料的潛變行為受到降雨量的影響。平均每年在2月至6月期間，因累積降雨量曲線平緩，降雨行為不明顯，淺層岩層材料受雨水弱化的情形不嚴重，因此可以得到一較高的凱爾文黏滯係數ηk；平均在6月至10月期間，因累積降雨量曲線斜率的上升，造成材料受雨水弱化的情形較2月至6月期間嚴重，而產生較高的潛變斜率，進而得到一較低的凱爾文黏滯係數ηk。