首頁【專欄】地震觀測儀器進展：從類比時代到光纖地震儀
作者 ／ 林欽仁（本院地球科學研究所研究副技師）、古進上（本院地球科學研究所研究助技師）
前言
地震學是以實驗及觀測為基礎的科學，地震儀器之良窳對科學研究有決定性影響，同時地震儀器的演進也帶動地震科學的發展。本文將介紹地震觀測儀器的演進，從早期類比時代到數位時代，再從高精度演變為高空間密度的觀測，最後是最新的光纖地震儀器，這些觀測將有助於科學家更瞭解地震過程，以及地震波所帶來豐富地下構造的信息。
地震儀器進展—從類比到數位
歷史上地震儀器的發展最早可追溯至西元 132 年（漢朝）中國張衡發明候風地動儀，然而此儀器僅能偵測地震發生，無法記錄地震波動，因此只能稱為地震偵測器（seismoscope）。現代化的地震儀器開展於 1875 年，從早期機械式地震儀（mechanical seismographs）開始（參考圖 1），利用彈簧懸吊一重物質體，當地震發生時，重物因慣性原理不隨地面振動，因而與固定於地面之記錄裝置（如煙燻記錄紙）產生相對運動並留下記錄（參考圖 1），由於機械式彈簧與阻尼元件的放大倍率效能不佳，科學家將質體的機械單擺運動形式進行改良（1914 年），轉變成由磁鐵與線圈相對運動的電壓輸出（法拉第定律的應用），稱為電磁式地震儀（electromagnetic seismometer），並巧妙地搭配檢流器（galvanometer）上的鏡子，藉此達成光學放大手段而將靈敏度提升，同時利用光學縮微膠片來儲存資料，縮微膠片可複製亦可打印出圖，此方式相當程度提高資料分享便利性，基於此技術的地震儀器也在 1960 年開始廣泛使用於美國建立之世界標準地震觀測網 WWSSN （World Wide Standardized Seismic Network），此觀測網除了觀測地震外，亦有監測核爆之功能，屬於冷戰時期之產物。
▲圖 1（上左）大森式強震儀 Omori strong motion seismograph；（上右）威赫式水平向地震儀（Wiechert horizontal seismograph），以上兩機械式地震儀早期使用於宜蘭與新港觀測所，現存放於中央研究院地球科學研究所；（下左）地震儀記錄地震的原理，利用彈簧吊掛質體，當地震發生時，質體因慣性作用保持不動，而與滾筒紙產生相對運動並留下紀錄，為了能夠完整地描述三度空間中地震波動行為，實務上地震儀有獨立三分量來觀測東西、南北及垂直三個地震動方向（圖節錄自美國地震學研究機構聯合會網站）；（下右）美國 Teledyne Geotech 公司的 S-13 電磁式地震儀，圖中的感應線圈透過彈簧懸吊並置於磁鐵內，整體設計可靠耐用，本所曾使用於臺灣遙記式地震觀測網（1973－1990 年），氣象局亦用來進行地震定位
1970 年代初期，隨電子元件與電腦科技的進步，地震儀器逐漸開始從類比時代過渡到數位時代，資料儲存方式從煙燻記錄紙或光學微膠底片（參考圖 2）進化到數位磁帶盤，同時，基於力迴授技術（force-feedback）的寬頻地震儀也逐漸成熟，其原理在於利用電磁力來控制地震儀質體之位置，使其與地面震動無相對位移，此時控制的電磁力量即與地面震動加速度成正比，此技術可增加地震儀的頻寬，卻不需增加質體的重量，又可避免單擺擺動過大時的非線性現象，已成為現代化地震儀之基石。
▲圖 2（左）MEQ-800 便攜式煙燻紀錄器，搭配地震儀可成為便攜式野外地震觀測系統；
（右）SMA-1 光學式強震儀，可將地震動之加速度記錄於照相底片上，上述兩儀器地球所曾使用於 1970~1990 年
儀器的演進展推地球科學研究進步
19 世紀機械式地震儀的出現，讓科學家得以準確地記錄和分析地震事件，20 世紀寬頻地震儀器的進步，由於其儀器雜訊已低於地球背景震動雜訊，人類開始觀測到除了地震以外，各種大自然訊號引起細微的地震動，例如海浪、火山、降雨、山崩、河流、風吹等，都能被鉅細靡遺的觀測。
不同空間尺度的地震觀測網造就研究區域的解析度。中研院地球所維護之臺灣寬頻地震觀測網 BATS，為了進行臺灣地區大規模地體構造研究之需要，測站位置在地理空間上充分包覆臺灣本島，相鄰測站距離約 30 公里，儀器品質需求最高但價格最貴，單站儀器費用約 100-230 萬（參考圖 3）；而特定區域的地震觀測網，如臺灣陣列 Formosa Array，有助了解大屯火山地區之岩漿庫的生成原因與幾何形貌，相鄰測站距離約 5 公里，儀器雜訊需求略為降低，單站儀器費用約 50-100 萬。若想要瞭解更細微的地下構造，相鄰測站距離就需要進一步縮短，這也意謂需要更多數量的儀器，導致研究經費大幅上升，所幸近 10 年發展的密集地震儀器（dense array），儀器單價約 3~6 萬，整合地震儀、記錄器、GNSS 校時裝置與電池於單一機身，便於攜帶的特性讓大規模佈放儀器變得容易，高空間密度資料就像提高地震波解析度（pixel），可讓地震定位更精確，也讓微觀的構造更清楚，就像戴上老花眼鏡般，過往不清楚的細節都漸漸清晰
▲圖 3（上）BATS 臺灣寬頻地震網的德基水庫站（TDCB），測站位於堅固的岩盤，能有效避免人文與環境雜訊，達成最佳的觀測品質，圖中呈現約 1 天半的垂直地動觀測資料，取樣率 10 秒，全世界規模 5 以上的地震都能清楚觀測，波形中也呈現地潮（Earth tide）訊號作為與地震相對震幅之比對。（下）臺灣陣列 Formosa Array 的測站分佈與地震震央位置，由密集的地震站波形可以看出北臺灣地涵存在一個與板塊引隱沒方向相反且強烈的低速物體存在，P2 是異常體的反射波，P1 是地震的直達波［擷取自 Cheng-Horng Lin, etal., 2020］。
光纖地震儀的出現
近年來，新的技術將通訊用的光纖線纜，轉變為可觀測地震動的地震儀，正在多個領域掀起關注且前景看好。光纖地震儀技術始於 80 年代，技術成熟則是在近 10 年，因油井與碳封存產業需求趨使下而被大量應用。光纖地震儀能夠以公尺級空間解析度觀測光纖沿線的動態形變，頻段可達千赫茲（kHz）的人類聽覺頻段，故稱作分散式聲波感測技術（Distributed Acoustic Sensing, DAS）（圖 4），其原理為儀器對光纖線纜發射雷射脈衝參考訊號，雷射能量傳輸過程碰觸到光纖內部因製造過程中之固有雜質而產生散射（backscattering），並回返至儀器發射端，假設雷射訊號在光纖線纜的傳輸速度恆定，則散射訊號回到儀器發射端的時間便與散射發生的位置成正比，因此儀器在高速運算下藉著分析發射雷射訊號與接收散射能量的時間差，就能得知光纖線纜沿線某段空間的資訊，也因此儀器有了空間辨識的能力，同時，光纖線纜在散射處的伸張與壓縮會造成散射訊號相位與頻率之變化，透過訊號處理技術即時分析參考與散射訊號，能夠計算出光纖纜線沿線上的動態形變（dynamic strain）。此新興技術的出現，徹底改變過往地震觀測站在空間分佈的概念，將點的觀測拉長到線的觀測，而地震學家也開始學習光纖線纜如熔接等技術。
▲圖 4（上）光纖地震儀的原理；（下左）傳統地震站的安裝過程；（下右）光纖線纜熔接
光纖地震儀與傳統地震儀所觀測的物理量並不相同，前者為應變（strain）而後者為速度（velocity），為了驗證新儀器的特性，我們在中研院環境變遷大樓的地下室進行實驗，將光纖線纜平整舖放在地面上，並使用膠布加以固定，避免地震時光纖線纜與地面因打滑而無法確實地觀測地面震動，由於應變是空間的微分，學理上將空間上不同位置的速度資料進行差分計算便能得到此空間的平均應變，我們在地下室不同位置安裝三組寬頻地震儀，地震儀的資料時間皆對時到毫秒至微秒等級，實驗期間觀測到臺灣周遭地震，三組地震儀的速度資料經由空間差分計算，可得到地震儀陣列計算之平均應變率，與光纖地震儀的直接應變率相比較，發現兩波形的相位幾乎相同，然而光纖地震儀的震幅較小，這是因為光纖線纜與地面並非完整貼合所導致（圖 5），此外，兩波形在地震波到達前的背景雜訊有相當高程度的一致性，說明光纖地震儀的解析度已足夠用來觀測非地震之事件。
▲圖 5（上）中央研究院環境變遷大樓地下室的光纖地震儀實驗，利用膠布將光纖線纜固定於地面上；
（下）黑線為光纖地震儀沿線上數個節點的資料疊加，紅線為三台空間分佈地震儀的空間差分波形資料，波形單位為應變率（strain-rate）
光纖地震儀相對於傳統地震儀的優點在於高空間解析度，單一儀器進行觀測無須擔心各別觀測節點時間差的問題，光纖線纜使用於井下環境監測可固定於套管外側而不妨礙井管內空間的使用，光纖線纜可深入環境惡劣地區進行觀測，例如火山地區、山崩、斷層、高溫深井、湖泊、油井、冰川、海床、地下管線等，僅需要將光纖儀器安置在環境穩定之處即可。然而新觀測技術也帶來許多挑戰如大數據資料分析與儲存，光纖地震儀僅能進行線纜沿線方向單分量之觀測，且目前技術能觀測的光纖線纜長度僅數十至百來公里，離科學家使用海底電纜來監測大範圍海床的理想還有很大差距，儘管如此，隨著今日各種井下探勘能源研究的盛行，可以想見此技術正值方興未艾時，而科學家探索地震的熱情永不停止。
參考文獻
- 地震學的光世代與花蓮米崙斷層深鑽計畫，黃信樺、馬國鳳，物理雙月刊 物理專文 2022-02-16。
https://pb.ps-taiwan.org/modules/news/article.php?storyid=662 - 台灣地震觀測，王乾盈／中央大學地球科學系，https://web.fg.tp.edu.tw/~earth/learn/esf/magazine/970303.htm
- 臺灣地區地震儀沿革（1897-1972），鄭世楠 辛在勤 何美儀 劉玉龍 張建興 許麗文 江嘉豪，https://scweb.cwb.gov.tw/HisEq/new_page_5.htm
- 臺灣陣列地震觀測網， https://fmarray.earth.sinica.edu.tw/network/
- 臺灣寬頻地震寬測網， https://bats.earth.sinica.edu.tw/
- Cheng‐Horng Lin, Min‐Hung Shih, Ya‐Chuan Lai; A Strong Seismic Reflector within the Mantle Wedge above the Ryukyu Subduction of Northern Taiwan. Seismological Research Letters 2019;; 91(1):310–316. doi: https://doi.org/10.1785/0220190174
- EGU blogs, From light to waveform: how fiber-optic cables can be repurposed as seismic arrays,
https://blogs.egu.eu/divisions/sm/2020/09/01/from-light-to-waveform-how-fiber-optic-cables-can-be-repurposed-as-seismic-arrays/
