地震發生時所產生的地表振動，可以被地震儀記錄下來; 在沒有地震發生的時候，環境中無時無刻不存在的微弱振動，亦能被忠實的保存和分析。在都會區，絕大多數的地表振動都與人類活動有關，如火車、汽車、機車、施工等，人為造成的振動頻繁地發生，這一類地震波的來源振動亦能提供研究地表和地球內部構造及活動的重要訊息，稱作「噪聲地震學」 (ambient noise tomography)。
環境噪聲的特徵因地而異，振動幅度夠大，將影響小地震的判斷和地震目錄的建置，而在人口稠密、交通發達的城市，人為活動造成的地表振動最為顯著。在高密度建築物的都會區，不同的地下結構是否影響噪聲的振動表現？而人為活動造成的振動特徵為何？和地下構造的活動可以分得開嗎？事實上，在地震較不活躍的地區，人類活動造成的振動已成為現代地震學中的一個關鍵信號，利用噪聲來勘測並研究城市地下結構和地震微震分區，成為必要而常見的手段。
人為及自然所產生的地震噪聲具有不同的頻率和時空特徵，主要可以分為兩種類型：(1) 高於 1 Hz的微震，主要由人類活動誘發，可以系統性地表現出每日「白天活動性高、夜晚活動性低」的週期性。(2) 低於 1 Hz的微震，主要由海洋不同波長的重力波所激發，可分為主微震（0.02-0.1 Hz, primary microseism）和次微震（0.1-0.5 Hz, secondary microseism)）訊號。利用中研院地球所林正洪博士團隊自2017年於大台北都會區所佈設的密集寬頻地震網(Formosa Array)，我們針對大台北地區所收集的連續地表振動數據進行分析和探究。本研究首次展示了這座人口稠密的大都市中環境噪聲的特徵。利用Formosa Array 140 個寬頻地震站（共7個分區）的資料，我們針對2-20 Hz、0.25-1 Hz和< 0.2 Hz三種主頻率進行時間空間的特徵分析。下圖左顯示了所以測站位置，而右圖則為其中一分區CT(台北市區)的測站分佈圖。
圖一、(a) 大台北都會區Formosa Array的測站分佈圖 (b) 台北市區的測站以其對應之地形特徵(等高線)。CT10測站具有最大的平均日振幅。
人為成因的噪聲其頻率在2-20 Hz間集中，時頻圖表現著每日和每週的週期性變化，如圖二所示，除了白天和晚上的差別外，亦有週間振動能量大、週末小的趨勢; 距離台北市中心仁愛圓環僅有400公尺的測站 CT08，記錄到最大的振幅，而遠離交通幹道的CT09測站，振動程度則明顯的微弱許多，這些結果顯示了振幅及車流量的高相關性。
圖二、2019年2月12至18日間四個不同測站的時頻表現: (a) CT07 (b) CT08 (c) CT10 (d) CT09。上下圖分別是50 Hz內的時頻特徵和1 Hz內之放大圖。
自然成因的微震則以 < 0.2 Hz和0.25-1 Hz兩個頻率帶呈現，最經典的範例為颱風訊號。在利奇馬颱風侵台期間2019/8/9~8/10，地表振動的頻率特徵集中於0.1 ~ 1 Hz之範圍，最大峰值則發生在0.2 Hz (圖三c-d)，然在2019/8/8的頻譜圖較為複雜，其原因是除了颱風訊號，當日亦包含外海規模6.2的地震事件(圖三a上圖的高峰位置和圖三b中更大範圍的頻譜分佈）。
圖三、CT09測站所記錄到利奇馬颱風期間(2019/8/8~8/10)的波形訊號(a) 及其對應之頻譜圖(b-d)。
若將人為、天然微震的頻率範圍分別濾波，並將個測站的逐日平均振幅進行分區比較如下圖(圖四)，天然成因的振動(<0.2 Hz, 0.25-1 Hz) 其振幅在時間上的變化和人為活動(2-20 Hz)造成的週期性有顯著差異，不同測站(不同顏色對應到不同測站分區)有高度同步性，這說明此訊號振動源的分佈極廣：不管在靠海岸邊或離岸的市中心，皆有非常相似的振動表現。利用中央氣象局的風速紀錄，我們亦發現此頻帶的振幅隨時間的變化趨勢，和瞬間最大風速的高相關性，這說明了和海洋現象常以耦合型態相伴發生的大氣擾動，亦和地表振動的表現相關。本研究最後指出，城市中人類活動所造成的2-40 Hz 訊號其振動的大小，比自然來源的噪聲(< 1 Hz)大了約2到1500倍。
圖四、不同測站每日平均振幅濾至(a) < 0.2 Hz, (b) 0.25–1 Hz, and (c) 2–20 Hz 之時間變化圖。
本內容擷取自2022年發表於Scientific Reports的部分圖文。
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