1. 地震學研究範疇
地震學研究中最核心的三個元素為：震源 (Source)、介質 (Medium) 與 接收器 (Receiver)。我們可以將其視為一個訊號傳輸的過程：
- 震源 (Source) 與原始脈衝：代表能量釋放起點。理想實驗中，原始脈衝通常簡單集中。這裡定義了 Origin time (發震時間)。
- 介質 (Medium) 與傳遞過程：震波進入地球內部時，岩石層位、密度變化及不連續面會像濾鏡一樣改變震波。震波行進花費的時間稱為 Travel time (走時)。
- 接收器 (Receiver) 與地震圖：觀測站的地震儀在 Arrival time (抵達時間) 捕捉到經過地底旅行後的震波。
關鍵觀察：我們透過研究接收器上記錄到「變得複雜且凌亂」的地震圖，反推地底下的介質藏了什麼秘密，以及震源當初是如何破裂的。
2. 地震波傳遞與觀測原理
圖 1.1-1：地震觀測實驗的幾何架構
揭示震源、介質與接收器的關係。原始脈衝非常乾淨，但記錄到的地震圖會因介質過濾影響而變得複雜凌亂。
圖 1.1-2：地球內部的地震波線路徑
壓力隨深度增加致使波速加快。根據司乃耳定律，波進入高速介質會向外偏折，導致波線彎曲重回地表，是我們不需鑽洞就能做深層探測的關鍵。
圖 1.1-3：地震震相與路徑對照
P波與S波直接穿過地函；pP等波去敲了地表一下；ScS撞到地核彈回。末端振幅最大的 Rayleigh 波是表面波，也是破壞主因。這些震相幫助我們精確判斷深度與勾勒地核邊界。
圖 1.1-4：深源地震與多次核幔反射波
ScS 是地核的回聲（在核幔邊界 CMB 彈回）。記錄到了 ScS2, ScS3, ScS4 等多次反彈訊號，直接證實了地球內部存在性質迥異的界面。
延伸應用：經濟與能源探測
圖 1.1-5：震測反射法 (Seismic Reflection)
人工震源發出能量，檢波器捕捉地底岩層（如頁岩進入砂岩的介面）交界的微弱反射。雙向走時(TWT)搭配波速能換算深度，是尋找碳氫化合物(石油)構造的基本工具。
圖 1.1-6：震測剖面與地質解釋對照
美國新墨西哥州聖胡安盆地。下圖密集的黑白條紋代表地層交界反射，上圖為地質學家標示的岩性(如海相頁岩等)與環境變遷。這證明了地震波不開挖也能繪製深層精密地圖。
3. Hazard 與 Risk 的區別
Seismic Hazard (地震危害)
地震強度是我們無法改變的自然現象。地震本身不傷人，地表的劇烈搖晃屬於客觀的物理危害。
Seismic Risk (地震風險)
倒塌的建築物才是主因。透過選擇正確建材與耐震設計，我們可以大幅降低倒塌率，將地震帶來的風險降到最低。
4. 地震波能量衰減原因
地震波能量衰減主要來自兩個因素：幾何擴散 (能量散佈到更大空間) 以及 介質非彈性吸收 (Q-factor)。
互動衰減模擬器
5. 危害分佈與圖解
圖 1.2-3：美國地震危害分布
顯示未來 50 年內 2% 發生機率的最大地表加速度。暖色代表高風險(如加州一帶板塊交界)。內陸地區(如密西西比河流域)亦有局部高值區，顯示遠離邊界仍可能有顯著地震風險。
圖 1.2-5：距離與搖晃的關係
展示了不同規模的地震，其強地動加速度隨著距離增加而衰減的曲線。美國東部的岩石傳導能量效率較西部高，因此同規模地震在東部感受範圍更廣。
圖 1.2-6：倒塌率與震度關係
橫軸為修正麥卡利震度分級 (MMI)，縱軸為建築物倒塌百分比。顯示地震本身不傷人，不同建築材料結構在面對不同地震強度時的「生存能力」有巨大差異。
6. 建築建材抵抗力與共振現象
建材抗震力 (由弱到強)
- 土埆磚與弱磚石 (Adobe)：震度 VII 開始倒塌率急遽攀升，震度 IX 幾乎 100% 倒塌，缺乏韌性。
- 紅磚結構 (Fired brick)：稍好，但強震 (VIII-IX) 下倒塌率迅速突破 50%。
- 木結構 (Timber frame)：具天然彈性與較輕自重，抗震表現優於傳統磚石。
- 鋼筋混凝土 (RC)：鋼筋拉力與混凝土壓力結合，能有效抵抗搖晃。
- 耐震設計鋼筋混凝土：即使在極端狀況下，倒塌率仍能控制在極低範圍內。
互動 建築物共振模擬器
不同高度建築具不同自然頻率。滑動以改變「地震波頻率」，當頻率對應時，建築將產生劇烈搖晃 (共振)。
7. 土壤液化 (Soil Liquefaction) 的原因
當大地震發生造成地表破裂或液化時，會在土壤層留下痕跡。強烈的搖晃破壞了飽和沙土粒子的接觸結構，使得水壓升高，沙土層瞬間失去承載力，轉變成類似液體的懸浮狀態，導致上方的建築物下沉或傾斜。
8. 地震預報 (Forecast) vs. 預測 (Prediction)
圖 1.2-14 呈現美國新馬德里地震帶預期地表加速度(PGA)分佈圖。透過改變最大規模(Mmax)假設與衰減模型(Frankel vs Toro)，危險區範圍顯著不同。這完美解釋了預報與預測在科學上的差異：
地震預報 (Forecast)
長期且機率性的。預測未來一段長時間內（如 50 年），有多大的機率發生多強的搖晃。它是建築法規與都市計畫的重要依據，相對成熟且具備科學參考價值。
地震預測 (Prediction)
短期且明確的。要求精確指出「何時、何地、規模多大」。因為斷層行為的複雜性、叢集性與不規律性，目前地震學在「預測」上仍充滿挑戰。
9. 地震空區 (Seismic Gap) 理論
圖 1.2-15：聖安德列斯斷層古地震序列
加州帕萊特溪的紀錄顯示，地震發生具有「叢集性(Clusters)」與「不規律性」。間隔時間短至 22 年，長至 300 年以上。這種極大的間隔時間差異性讓預測精準日期極其困難。
圖 1.2-16：地震空區的填補 (Loma Prieta)
發現空區：斷層處於鎖定狀態，周圍皆有小地震唯獨此區異常安靜，能量持續累積。
能量釋放：1989 年規模 6.9 地震的破裂精確發生在之前的空區內，證實了空區假說：長期安靜的區段最終會透過大地震補齊位移量。
10. 評估與預測地震的方法
11. 監測核子試爆 (地震學的國際應用)
由於核爆發生在地底下無法直接觀測，地震學家透過分析全球測站記錄的實體波震級 ($m_b$)，利用特定公式轉換反推爆炸能量。同時，地震學也能精準分辨出自然地震與核爆的震源性質差異。
圖 1.2-18：蘇聯核試產量監測
橫軸為年份，縱軸為對數尺度的核爆產量。虛線代表 150-kiloton TTBT 上限。數據證實 1976 年條約生效後，試爆點精確落在虛線下方，為國際條約提供不可抵賴的科學證據。