地球科學：從做中學
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第六章、921集集大地震深入探討

黃德源

2002/06/19

集集大地震紀實

集集大地震的起因

921集集大地震的原因為菲律賓板塊與歐亞大陸板塊聚合碰撞所致。最近幾年的GPS全球衛星定位系統的觀測結果顯示，屬於菲律賓板塊的蘭嶼以每年68-72公厘的速率向西北移動，而在歐亞板塊邊緣的中國大陸以每年11-12公厘的速率向東南移動，因此兩板塊的聚合速率高達每年80公厘，此種碰撞擠壓的結果造成本島不斷抬升，岩層由東向西產生一系列的摺皺與斷層，本次地震的起因就是車籠埔斷層與雙冬—大茅埔斷層再次活動所引起。

此次車籠埔斷層的活動除了造成強烈地震外，在地表也造成長達105公里以上的地表斷裂與錯移，一次地震活動，造成如此長的斷層線也是舉世罕見，可能也是世界第一。此斷層沿台中盆地東緣呈南北方延伸，南起雲林縣桶頭，向北跨過濁水溪，經竹山、名間、南投、中興新村、草屯、霧峰、車籠埔、太平、大坑到豐原長約83公里，至豐原及神岡一帶轉折呈東北東—西南西走向，跨過大安溪至卓蘭鎮內的內灣里與上新里，本段長約15.5公里，由卓蘭向東，以一系列呈西北—東南走向與南北走向的正斷層，長約6.5公里，向東與雙冬—大茅埔斷層相接(圖三)。

資料來源：國科會921地震堪災報告

圖三車籠埔斷層位置圖

集集大地震的基本資料

編號：第88043號

日期：88年9月21日

時間：1時47分12.6秒

位置：北緯23.85º

東經120.78º

日月潭西偏南12.5公里

震源深度：7.5公里

地震規模：7.3，釋放的能量是去年瑞里大地震的40倍，相當於三十顆廣島原子彈的威力。

前震與主震：根據氣象局地震測報中心的資料顯示，這次集集大地震是由大茅埔—雙冬斷層先觸動，大地震的初動點就在雙冬斷層上，引發規模六至六點二的前震，當雙冬斷層錯動的能量向西傳遞，觸動到車籠埔斷層後，因為車籠埔斷層的活動性較強，產生地震規模7.3的主震，釋放主要的能量，造成長達100公里以上的地表破裂。從前震到主震間隔不到五秒，因此在地震測報上看不到兩個地震。雙冬斷層的初動能量也就被涵蓋在車籠埔斷層釋放的能量中。

餘震：自9月21日凌晨1時47分至27日10時止，一星期內共有8197次餘震，有感餘震達83次，其中規模六以上的強烈餘震有六次，其三次最強烈的餘震皆為規模6.8，分別發生在：

1、9月21日凌晨2時16分16秒，震央在台中地區。

2、9月22日上午8時14分40秒，震央在日月潭東方。

3、9月26日上午7時52分50秒，震央在日月潭東方。

921地震誘發其他的強震：根據中央氣象局地震測報中心分析的資料發現，在集集大震發生後的21秒左右時間，先是在草嶺地區誘發一起規模6.5左右的地震；稍晚的卅秒左右，在嘉義觸口斷層的東邊發生一起規模六以上的地震；到了48秒左右，在新竹接近苗栗地區，又再誘發一起規模六左右地震。集集大地震加上上述誘發的三次強震使921凌晨全台各地都感受到長達三十秒以上的震動。

震度分布特色

中央氣象局於1990年起執行「強地動觀測計畫」(TSMIP)先後於台灣地區設置了631個強地動觀測站，裝置各型紀錄地震振動的強震儀，蒐集高品質的強震紀錄。使台灣有全球最密集的地表觀測網站，不但在地震發生後一分多鐘之內就可以計算出地震震央、規模及各地震度，並可向相關救災單位及媒體發布訊息，經由這些地震觀測站的資料，集集大地震各地最大的震度如表二：

表二、集集大地震各地最大的震度

地點	震度
南投縣名間	6級
日月潭	6級
台中市	6級
新竹縣竹北	5級
台南縣永康	5級
嘉義市	5級
宜蘭市	5級
屏東縣九如	4級
台東縣成功鎮	4級
台北市	4級
高雄市	4級
台東市	4級
花蓮市	3級

這些觀測站的強震儀可以同時接收東西向、南北向和垂直向的震動程度，進而繪製各方向等震度線圖，由於車籠埔斷層為南北走向的逆衝斷層，斷層東邊的陸地受菲律賓板塊的擠壓，逆衝到西邊之上(圖四)，因此由等震度線圖可看出東西向的震度顯著比南北向大，斷層東邊(上盤)的震度也較西邊大。

資料來源：台大地質系

圖四：車籠埔與雙冬斷層剖面圖

在這些測站所紀錄的最大水平地表加速度值(gal)顯示，集集大地震在名間(新街國小)即日月潭兩站東西向振動的值分別達到982gal與985gal(表三)，超過一個重力加速度單位G(1G=980gal)會使人瞬時失重，且為日本阪神地震0.8G之1.2倍，已創下了世界紀錄。

表三 921集集大地震TSMIP各主要城市及最大加速度值資料

編號	測站編號	地點	測站名稱	緯度		經度		最大加速度值(gal)
編號	測站編號	地點	測站名稱	緯度		經度		垂直	東西	南北
1	TAP	台北市	中央氣象局	25	02.32N	121	30.40E	14.13	59.31	41.9
2	TAP005	士林	文林國小	25	06.46N	121	30.36E	23.73	126.96	81.49
3	TAP010	三重	二重國小	25	04.07N	121	28.17E	27.13	114.96	85.93
4	TAP017	新莊	昌隆國小	25	03.18N	121	26.90E	33.91	110.74	97.17
5	TAP032	中和	積穗國小	25	00.05N	121	28.51E	57.36	108.24	112.27
6	TAP047	北縣	鶯歌國小	24	57.23N	121	20.25E	38.71	50.46	52.96
7	TCU007	桃園市	青溪國小	25	00.08N	121	18.58E	27.73	57.71	72.33
8	TCU009	中壢市	新街國小	24	57.93N	121	13.20E	22.56	69.92	63.28
9	TCU017	新竹市	新竹園區高中	24	46.88N	121	00.43E	48.47	82.17	123.23
10	TCU026	新竹縣	芎林國小	24	46.55N	121	04.51E	56.3	116.05	89.45
11	TCU033	新竹縣	竹南國小	24	41.16N	120	51.77E	73.01	154.46	181.5
12	TCU039	苗栗縣	銅鑼國小	24	29.53N	120	47.03E	121.91	193.34	136.03
13	TCU045	苗栗	獅潭國小	24	32.50N	120	54.83E	353.15	463.3	511.66
14	TCU048	台中縣	東海大學	24	10.84N	120	35.57E	97.35	116.96	175.56
15	TCU050	台中市	西屯國小	24	10.92N	120	37.97E	86.7	142.7	128.15
16	TCU059	台中縣	清水國小	24	16.13N	120	33.82E	64.47	156.65	161.9
17	TCU063	台中縣	烏日國小	24	06.51N	120	36.93E	133	179.47	129.98
18	TCU065	南投縣	霧峰國小	24	03.54N	120	41.46E	257.76	773.82	563.38
19	TCU068	台中縣	石岡國小	24	16.68N	120	45.94E	519.34	500.78	363.28
20	TCU072	南投縣	國姓國小	24	02.35N	120	51.46E	274.7	465.91	370.76
21	TCU075	南投縣	草屯國小	23	59.01N	120	40.67E	223.87	325.43	257.32
22	TCU078	南投縣	水里國小	23	48.74N	120	50.73E	170.98	439.57	302.47
23	TCU078	南投縣	頭社國小	23	50.38N	120	53.65E	383.81	578.61	416.38
24	TCU084	南投縣	日月潭	23	52.98N	120	53.99E	312.15	984.55	424.29
25	TCU106	南投縣	彰化師大	24	05.13N	120	32.94E	115.86	157.37	122.3
26	TCU110	彰化縣	員林國小	23	57.70N	120	34.19E	116.3	177.12	187.85
27	TCU129	名間	新街國小	23	52.70N	120	41.06E	334.94	982.42	610.22
28	CHY006	嘉義縣	梅山國小	23	34.93N	120	33.13E	210.97	348.06	351.53
29	CHY046	嘉義市	蘭潭國小	23	28.61N	120	27.79E	79.81	142.69	186.28
30	ALS	嘉義縣	阿里山	23	30.62N	120	48.31E	86.04	213.05	145.72
31	PNG	澎湖縣	澎湖	23	34.03N	119	33.31E	14.74	29.55	33.2
32	TAI1	台南縣	永康	23	02.41N	120	13.70E	121.37	87.96	44.28
33	CHY081	高雄縣	新營	23	15.99N	120	29.28E	25.57	53.18	43.73
34	HEN	屏東縣	恒春	22	00.33N	120	44.28E	121.52	22.17	23.98
35	ILA004	宜蘭縣	壯圍國小	24	44.73N	121	46.97E	25.38	71.87	62.82
36	ILA049	宜蘭縣	宜蘭	24	45.93N	121	44.88E	25.23	81.59	60.69
37	HWA	花蓮縣	花蓮	23	58.62N	121	36.30E	52.62	122.07	166.21
38	HWA036	花蓮縣	瑞穗國小	23	29.96N	121	21.94E	30.60	72.17	59.30
39	CHK	台東縣	成功	23	05.95N	121	21.92E	120.28	43.37	42.14
40	TTN	台東縣	台東	22	45.24N	121	08.79E	14.53	29.67	28.69

資料來源：國科會921大地震堪災報告，第三章地震紀錄與分析

集集大地震的地表及地物破壞

集集大地震釋放出來的巨大能量除了造成105公里長的斷層線外，沿著斷層線及震度大的地區均產生嚴重的地表及地物破壞，最顯著者有下列數項：

一、地表破裂與變形

沿著車籠埔斷層均產生顯著的地表破裂斷裂，由斷裂現顯示車籠埔斷層並不是平滑的線狀而是呈現鋸齒狀凹進凸出的，霧峰光復國中操場的露顯即可以為代表。

霧峰鄉光復國中操場，因逆斷層形成高約2.5公尺的落差。

加上車籠埔斷層為一逆衝斷層，其斷面各地以25~60度不等的角度向東傾斜，產生上盤較下盤高的垂直錯動，筆者於地震後沿斷層線實測地表斷層的垂直錯動量如下表：

表四車籠埔斷層沿線的垂直錯動量

地點		錯動量(m)
桶頭	桶頭橋頭	1-2
竹山	往大坑產業道路	2
竹山	台3線旁加油站	2-3
名間	濁水溪河床	2
	濁水溪南岸堤防及稻田	2-4
	台3線及旁稻田	3-4
	集集線鐵路濁水橋	3-4
	光復國中操場	2
霧峰	台影文化城	2
霧峰	中興大學葡萄園	1.5-2
草屯	草屯商工前馬路	2-3
大里	車籠埔	3
大里	銀聯橋(草湖溪)	2
豐原	中正公園	3-4
	中等教師研習中心	3-4
	豐勢路二段	6-8
	埤豐橋	6
	豐勢路	2-3
石岡	石岡水埧	6-7
卓蘭	內灣里	3-7

資料來源：作者實測

除了垂直錯移外，許多地表斷層的露頭還可見到水平的錯移，大部份以左移為主，如表三中竹山往大坑產業道路、名間濁水溪堤防、霧峰中興大學葡萄園、豐原中正公園等處均可見到2-3公尺的左移分量，因此車籠埔斷層除了是逆斷層外，也可說是斜滑移斷層。

車籠埔斷層經過竹山鎮內坑橋東橋頭，使路面隆起1.5公尺。

除了沿斷層線的地表錯移外，斷層線以東的上盤受擠壓，經常可看到地表向上拱起變形，形成一道壓力脊，壓力脊上方的地表也會產生許多明顯的長條狀破裂，尤其以名間台3線旁的稻田、霧峰明台家商籃球場、台影文化城、車籠埔一江橋旁河床等地最為典型，有些裂隙甚至長深達2-3公尺，寬20-40公分，令人觸目驚心。

車籠埔斷層通過名間鄉台三線省道旁，使稻田隆起2-4公尺，成梯田。

車籠埔斷層通過霧峰明台家商，使籃球場及跑道拱起，教室傾倒。

這種壓力脊也出現在不同地表物質的交界處，例如橋樑兩端混凝土與柏油路面的交界處，地震坡通過時柏油路較有可塑性，而混凝土為剛性，因此常可見橋頭兩端的柏油路面向上拱起，甚至掩覆在橋面上，造成車輛通行的困難。

二、河床變位

斷層通過河道，使河床產生高低錯移(落差)，造成急流與瀑布，其中以名間、竹山間的濁水溪河床、卓蘭上新里附近的大安溪河床、豐原埤豐橋附近的大甲溪河床、豐原中正公園中正橋下的河床、大里市銀聯橋附近的草湖溪河床等地最為明顯。落差的大小又與河床的底質有關，一般而言，若河床的底質為卵石層，較具可塑性，地震坡通過時，能量較易消釋，落差就較小，若底質為岩層，較具剛性，落差較大，而與一般斷層通過地表的落差一樣，其中以上述埤豐橋旁河床最為典型，造成一落差4-5公尺，寬約20公尺的罕見斷層瀑布，水勢澎湃，與其旁邊因地殼隆升而致橋面斷裂的殘破斷橋相襯，造成奇特的斷層地景，吸引了川流不息的民眾觀賞，無不讚嘆大自然的神力，可做為活生生的地球科學戶外教材。

車籠埔斷層通過名間附近的濁水溪河床，使河床產生1.2公尺高差並形成急流。

三、地殼變形

車籠埔斷層在霧峰附近露頭，斷層通過使地層拱起、破裂，其上圍籬也隨之變形。

豐原市台灣省中等教師研習會大樓下方稻田因斷層通過產生約4公尺高落差。

集集大地震後，車籠埔及雙冬大茅埔斷層間即斷層週遭的地殼受到強烈擠壓而變形。根據成功大學衛星資訊研究中心的計算、分析，以及內政部土地測量局的檢測，中央地質調查所及中研院地球科學研究所的聯合觀測，發現車籠埔斷層以東的陸塊向西北位移，十五公里內上升，十五公里外下陷(圖五)。水平位移最大位移點為東勢的8-5公尺，埔里地理中心的虎子山2-3公尺。最大隆起點為大虎山達3.2公尺，下陷量最大為南投縣鹿角山的0.77公尺，虎子山的0.5公尺。

車籠埔以西位都向東南方向位移並普遍下降，豐原地政事務所位移0.95公尺，嘉義大光山下陷0.68公尺。

資料來源：余水倍(1999)

圖五集集大地震後中部地殼變形圖

四、地層土壤液化、噴沙、及地層下陷

在平常狀態下，地下的土壤、沙礫和水分子維持平衡狀態，地震時由於地震波通過時的擠壓、震盪，地下水位也上升，地層中的土壤、沙、泥和水重新攪拌，即刻由固體狀態轉變為液體狀態形成土壤液化現象，伴同地表產生的裂縫，液化的土壤從此裂縫向上噴發成噴沙、噴泥現象。土壤液化使地表的乘載力大為降低，造成地層下陷。

地震使伸港鄉大肚溪畔農田產生土壤液化及噴沙現象，地上有一排形似火山口的噴沙孔。

此次集集大地震在本省西部地下水位偏高地區，若又是砂質壤土的地區均發現土壤液化及噴沙現象。較顯著的地區有彰化縣伸港鄉大肚溪旁高灘，南投貓羅溪南岸的軍功里、振興里，員林鎮的崙雅、林厝、振興、鎮興等里，霧峰的高爾夫球場及台中港一至四號碼頭。這些地點除了有許多形狀類似火山口的噴沙孔外，也產生房屋下陷現象。台中港一至四號碼頭由於建港時屬於抽砂回填土，飽含水份，地震後嚴重液化達9公頃，碼頭面沉陷龜裂，並產生許多蓄水沉陷的水池。

五、橋樑破壞

在中部震災較嚴重地區的五縣市(台中市、台中縣、南投縣、彰化縣、雲林縣)的20%之橋樑受到不同程度的損壞，主要集中在車籠埔斷層通過的地方或附近，如台三線上的石圍橋、烏溪橋、名竹大橋，石岡鄉的埤豐橋，台中縣129縣道的一江橋，南投縣149縣道的桶頭橋等均因斷層通過產生水平或垂直的破裂位移，而致橋柱傾倒或橋面斷落。其中以石岡鄉的埤豐橋因車籠埔斷層通過後橋南側產生六至七公尺的隆起而致橋面掉落最為壯觀。此外，也有許多橋樑橋柱龜裂，連接縫或伸縮縫因地震波通過時二段橋面互相推擠而損壞，許多橋面也發生龜裂甚至崩落的現象。

烏溪橋因強烈地震及斷層經過使橋柱產生剪力斷裂、橋面崩落。

桶頭橋因地震損毀

六、道路損壞

地震後許多道路損壞，車子無法通行，大大的延誤了救災工作，主要的道路損壞為

1. 斷層通過處，公路斷裂、上下盤間產生落差，小至1~2公尺，最大可達7~8公尺，形成陡崖，車輛無法通過，此種現象在車籠埔斷層通過處均可發現。

2. 山區公路靠山谷(或低處)的邊坡路基塌陷。

3. 公路呈波狀起伏或龜裂。

4. 大量山崩、落石使公路中斷，尤其是中部橫貫公路，青山德基段產生大規模坍方，在地震後至今仍未完全修復。

日月潭至水里公路因地震而使路面下陷斷裂。

集集線的鐵軌因地震而扭曲拱起

七、山崩

地震波通過先使土石鬆脫，喪失摩擦力，重力作用加上進一步搖晃，山區土石即會大量崩落，在地震後，中部山區處處可見觸目驚心的山崩，不但使道路中斷，埋沒房屋，也使日後雨季或颱風時水土保持產生嚴重危機，最重要的山崩地點有下列數處：

1. 草嶺：雲林鎮草嶺山區的順向坡產生大規模山崩，根據經濟部水利處估計，崩塌面積約400公頃，崩塌長度約5公里，崩塌土方約2千萬立方公尺，崩塌的土石堆積在清水溪谷上方高約50公尺，因此也阻塞清水溪，形成一堰塞湖 — 新草嶺潭，至民國89年2月止，蓄水量已達四千六百萬立方公尺，湖水向上游綿延達5公里。這已是草嶺地區因為山崩形成的第四次堰塞湖，前三次分別為民國前47年、民國30年及民國68年，每次均因堰塞湖裝滿水後壩體潰決而溢流消失，但也造成水災，沖毀橋樑及人員死亡。為避免湖水積高突然潰決，水利處已在山崩處挖掘一條排洪道，使湖水位不高於海拔五百四十公尺，也避免湖水淹及瑞草公路，保持草嶺對外交通的通暢。

山崩的土石阻塞清水溪流路，形成堰塞湖 — 新草嶺潭。

2. 草屯鎮的九九尖峰：又稱雙冬火炎山，位於烏溪北岸，以密集而尖銳的眾多山峰而出名，由於山峰大部分由固結鬆散的礫石組成，地震後，山頭頂部至少崩落兩公尺，毀去原本覆蓋上方的植被，變成光禿禿的山峰。

集集大地震使烏溪北岸的九九尖峰的植物及表層地層震落，變成禿頭山。

3. 中寮鄉的九份二山：海拔1174公尺，地層由砂岩與泥頁岩組成，由於屬於順向坡，整片山坡發生嚴重的地滑，將下方的木屐蘭溪河谷填平產生小型堰塞湖，據估計至少崩落三千萬立方公尺的土石。垂直厚度達百餘公尺，將原本住在河谷下方的住戶及350隻水鹿悉數掩埋

除了草嶺九份二山山崩產生堰塞湖外，大甲溪及大安溪也均有局部山崩產生的河水堰塞現象。

921大地震使草嶺產生大規模山崩，約崩落2千多立方公尺的土石。

八、建築物破壞

地震導致數以萬計的建築物遭受損壞，大多數罹難者也是因為房屋毀損倒塌而喪失生命，據內政部消防署統計，全倒與半倒房屋多達一萬餘棟，本次地震造成建築物倒塌的主要因素可歸納為：

建築物鄰近斷層帶在斷層穿過，因地表破裂而致基礎裂開或傾斜沉陷。
土壤液化，使承載力消失，建築物下陷或傾斜，如員林鎮百果山麓，大里市內均有大批建築物因土壤液化而損壞。
底層挑高，採開放空間設計，或隔間牆被不當敲除，形成上重下輕軟弱層。
設計不良或施工不佳。
建築物老舊，許多鄉間的老舊磚房或泥土房屋不耐地震搖晃而損毀。

石岡附近車龍埔斷層線上的新建房屋因斷層通過而傾斜。

集集大地震使霧峰鄉二級古蹟林家花園毀去大半。

豐原市台灣省中等教師研習會大樓因地震而傾斜、樑柱斷裂。

峰鄉民宅因斷層經過產生嚴重扭曲破裂。

結論

九二一集集大地震使得原本平靜的台中盆地東緣各鄉鎮以及一向好山好水好家園的南投縣受到重創，地震的搖憾是一時的，但許多創傷如親友的死亡，房屋的倒塌，大地的變形卻永遠無法回復。且後續的影響仍在醞釀之中，如嚴重山崩裸露的地區，豪雨後必會產生嚴重的土石流，造成埋沒房屋、道路的二次災害。草嶺新潭繼續蓄水後如何經營、管理與監測，以發揮水資源最大的效用。又學校建築如何規劃、復建、避免原先不當的設計、脆弱的結構與草率的施工，確保學子就學的安全等，皆為亟待深思解決的問題。

我們更應從此次大地震中學習對大自然的謙卑與崇敬態度，在現代的科技仍無法預測地震的情況下，設法改善人與自然或土地間的關係，與自然和諧共處，中庸裡談到「萬物並育而不相害，道並行而不相悖。」；莊子亦指出：「天地與我並生，萬物與我為一。」，皆說明了人類與天地共存，萬物共生共榮的真理，因此在大地震後，我們更應了解地震現象，開發時避免碰觸地震因素，構築建築物時考慮耐震材料和結構，多一份準備，就少一點恐懼及傷心。

參考文獻

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