场址效应

场址效应（英语：site effects）是一种影响地震震度的因素 ，又称盆地效应，当震源的地震波传到地表时，因地表表面的地下介质（地盘）的软硬程度而影响此地的震度大小。原本离震央越近震度就会越大，但地震波传至冲积层地表时，因浅层地底下的介质，导致速度降低，引起地震波放大，不仅震幅加大，持续时间也延长。

原因

图.1 : 场址效应 / 水平层地震波放大效应（SH波）

图1显示出了地震波在水平地质层的放大效应。绿色层是较坚硬的底盘，灰色是较松软的冲积层，厚度为$h$。当振幅为$A_{2}$、入射角为$\theta _{2}$的S波抵达两地层的界面时，会产生振幅$A_{2}^{'}$和反射角为$\theta _{2}$的反射波以及位在地表层振幅$A_{1}$和折射角为$\theta _{1}$的折射波。

当折射波遇到空气层时，产生振幅$A_{1}^{'}$反射角为$\theta _{1}$的反射波。而此地震波会在此地层不断反射与折射，如果此地层较为松软，波速会较慢，折射角会较小，震波会较密集而造成振幅会比$A_{2}$来的大，此现象称为场址效应。

实例

1985年墨西哥城地震

图.2 墨西哥城的场址效应

场址效应的理论在1985年墨西哥城大地震中第一次被证实。此次地震震央在离墨西哥城数百公里的太平洋海岸，却对墨西哥城造成非常严重的损失。

图.2显示了离震央不同距离的地震站测得的加速度大小。

• 坎波斯站：离震央非常近，测得的加速度为$150~cm/s^{2}$
• Teacalco站：离震央200公里，测得的加速度为$18~cm/s^{2}$
• 墨西哥国立自治大学站：离震央300公里，测得的加速度为$35~cm/s^{2}$
• SCT站：离震央400公里，测得的加速度为$170~cm/s^{2}$

由图可知，地震震度随着距离增加先减后增，并在地盘为冲积层的墨西哥城达到最大值。

2016年高雄美浓地震

2016年的南台湾大地震，震央虽然在高雄美浓，台南却损失最严重，因为台南多冲积平原，泥岩风化成黏土层较为松软，因此摇晃程度大、时间久；震央附近县市最大震度多有5级甚至有6级，但因地质较坚硬，故位在震央的高雄旗山只有1.74秒、甲仙0.04秒。而场址效应让台南足足摇晃8.16秒，离震央略远却比美浓更严重。

2016年熊本地震

在2016年熊本地震中，位于震央附近的益城町因多河川迹地和冲积形成的扇状地，摇晃的程度增大，导致许多房屋倒塌，人员死伤多集中在河岸等地。

水平分层理论分析

根据图1，可以进行以下的理论分析：地震波两个介质沉积层($i=1$)与底下底盘($i=2$)间不断反射与折射，假设每个地层是均匀的，弹性系数、密度不变，可以导出两个地层间的幅频关系${\bar {T}}(\omega )$。

${\bar {T}}(\omega )={\frac {2A_{1}}{2A_{2}}}={\frac {1}{\cos k_{z_{1}}h+i{\bar {\chi }}\sin k_{z_{1}}h}}$

其中 $k_{z_{1}}={\frac {\omega \theta _{i}}{V_{S_{i}}}}$  ; ${\bar {\chi }}={\sqrt {\frac {\mu _{1}\rho _{1}}{\mu _{2}\rho _{2}}}}{\frac {\cos \theta _{1}}{\cos \theta _{2}}}$ :

• $\omega$ ，地震波角频率，
• $h$ 地层厚度，
• $\theta _{i}$ 地层$i$的反射角，
• $\rho _{i}$ 地层$i$的密度，
• $\mu _{i}$ 地层$i$的剪切模量，
• $k_{z_{1}}$ 地层1波数的垂直分量，
• $V_{S_{i}}={\sqrt {\frac {\mu _{i}}{\rho _{i}}}}$ s波波速。

图. 3: 沉积层的场址效应: 不同基岩的幅频关系

图3显示了不同基岩的幅频关系${\bar {T}}$，其中沉积层地震波速为$V_{S_{1}}=200~m/s$。其中当频率为$f_{0}={\frac {V_{S_{1}}}{4h}}$的整数倍时会发生极大值，此频率为共振频率。而放大水平则根据速度与${\bar {\chi }}$的对比：

• $|{\bar {T}}_{max}|=2$ ， $V_{S_{2}}=800~m/s$ (蓝色曲线),
• $|{\bar {T}}_{max}|\simeq 3.5$ ， $V_{S_{2}}=2000~m/s$ (绿色曲线),
• $|{\bar {T}}_{max}|\simeq 6$ ， $V_{S_{2}}=5000~m/s$ (黄色曲线).
• 红色曲线的对比度${\bar {\chi }}\gg 1$，因此会产生极大的放大倍率。

当沉积层不是水平时分析较为复杂（例如沉积盆地），因为须考虑到边缘的异质性（例如盆边缘）。此时须把它简化成简单的几何形状进行研究或利用数值模拟。

盆地的场址效应

图.4: 卡拉卡斯的盆地效应

在盆地的地形下，因场址效应，盆地边缘会产生面波，地震的震度会较大，并因几何形状的因素，增加幅度比水平时大5至10倍。此现象称为“盆地效应”。

1980年代，科学家成功地完成场址效应在峡谷与半圆形盆地的理论分析。而根据最新的研究，已经完成椭圆形盆地的数值模拟分析。

图.4显示了委内瑞拉首都卡拉卡斯的盆地效应。利用边界元法求出在指定频率$f_{0}$下，s波的平面波($SH$波)的放大倍数$A_{0}$。

• 最上层的图：$f_{0}=0.3Hz~;~A_{0}=2.53$
• 中间的图：$f_{0}=0.4Hz~;~A_{0}=8.83$

• 最底层的图：$f_{0}=0.6Hz~;~A_{0}=7.11$

参见

• 1986年花莲地震
• 921大地震
• 331大地震