2021年10月13日 星期三

斷層漫談IV:看了斷層潛勢圖,先別急著搬家?你可做的選擇其實更多

文/潘昌志(阿樹)

日前,經濟部中央地質調查所公布了「水平速度場與斷層活動潛勢圖」,這是一張用來理解斷層與地震風險關係的地圖,對於國土規畫與防災整備有莫大幫助,但是對一般大眾來說,這張圖可以幹嘛呢?

來源:經濟部中央地質調查所


先從地震的風險與潛勢關係談起

講潛勢圖前,應該先讓大家理解「地震的風險」是什麼與其重要性,但這很難很難很難說清楚,所以本文盡力的簡化說明,也希望大家可以正確的理解並應用科學的資料來做好地震的防災準備!

由於風險是機率問題,一開始先用大家容易理解的博弈,來思考兩種不同的刮刮樂:

第一種:一張花費100元,獎金十萬元,中獎機率10%
第二種:一張花費100元,獎金十萬元,中獎機率0.1%

如果預算只有100元,你會買哪一種呢?
「廢話,當然是第一種啊!傻子才買第二種。」

那如果兩個人分別買兩張都剛好中獎了,誰得到比較多錢呢?
「想騙我?當然是一樣多嘛!」

 

機率越高的彩券,就保證買了一定中嗎?(來源:維基百科)
By Tianmu peter, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51751005

此時,我們把機率問題改成斷層發生地震的情境,假如有兩個斷層經過科學研究後得到的結果是:

斷層甲:未來30年發生規模6.5以上地震的機率達30%以上

斷層乙:未來30年發生規模6.5以上地震的機率小於5%

如果有人說:「跟斷層乙比起來,住在斷層甲旁邊的人,災害會比較嚴重嗎?」
那就是「錯」的,兩邊比較災害時是以同樣的基準點,就如同前面刮刮樂獎金一般。這也是蠻常見的迷思。

實際上,上述的結果就是要告訴大家:「住在斷層甲旁邊的人,比住斷層乙旁邊還容易遇上規模6.5以上的地震。」

換句話說,如果今天政府想分配有限的防災資源或是提出建築補強的計畫,著重斷層甲附近可能會比較迫切。雖然這不算地震預測、我們也不知道下一個大地震一定會先發生在斷層甲上,但決策上,總是需要發生的機率這類科學的數據,來分配有限的資源。

不過,真實災害發生的情況仍為未知,如果僅止著眼於「不同斷層的潛勢高低比較」,覺得住在潛勢低的地方就心安了,那可就不妙了,畢竟風險仍在,不代表不會發生。所以在談這樣的潛勢圖時,一定要謹記上面提供的災害程度發生機率。只是,目前地調所公告的圖資先將災害程度均一化,本文確實也僅能從機率問題來著手,暫時無法考慮極端情況。

此外,對一般大眾來說,解讀就不是像政府端一般是放在資源分配上,而是個人投入防災的效益之上。看到發生地震的機率,很自然的人們會去思考「我應該離地震發生機率高的斷層遠一點」這種想法來解決問題。但是,在大家選擇居住地時,斷層潛勢不會是大家最主要的考量因子,很多時候反而是工作、家庭等因素是最主要的選擇原因。因此更實務的解讀斷層的地震機率潛勢圖,應該是就目前居住地的風險程度,決定要投入多少防震防災的資源。

先重新分類防災做為再來思考
將防災作為分成短期、中期、長期逐一說明,是一般防災專家常跟大家說明的脈絡,但這次我們改採防災資源的運用觀點,將一般民眾可以做的防震防災措施,依付出成本(時間或金錢)分成不同層級。簡言之就是:如果我要做防災準備,要花多少錢和時間?這應該很「務實吧?」我們先將簡單的區分成三個層級來看看:
層級一(成本較低)
學習並熟悉災害的知識,準備防災避難包、定期進行防災演練、養成注意逃生動線的習慣,將屋內的櫃等家具以簡單的方式固定在牆上

層級二(成本中等)
針對家中的家具,用更加穩固的方式固定(比如選擇系統櫃),裝設相關自動化設備(地震自動斷電、斷瓦斯),老舊房屋請人做耐評估、新購房屋增加地震保險

層級三(成本最高)
選擇更耐震的建築、將所居住的老舊建築補強或砍掉重練、想辦法搬到相對地震風險最低的地方

上述的方法是很粗略的,比如層級三的選擇耐震建築或補強,可能從幾十萬到上千萬都有,但確實可以讓我們很快的理解個人對防災的花費該如何計算。

或許有人會說:啊可是我就沒有錢買什麼超級耐震的住宅啊!窮人的命就比較不值錢嗎?

從解讀地震機率潛勢到運用
這時,「地震機率潛勢」就派上用場了,比如說我們如果居住在潛勢機率較高的地方時,可能會有兩種思考方向:

把家變的更耐震(對已經買房子的人而言)
「附近」有沒有更適宜居的地方(租屋族或可以換屋的人)

把家變得更耐震,對一般大眾來說似乎是金錢成本太高的做法,因此大部分的人應該會想說「那有沒有辦法搬到安全一點的地方?」或許可能考慮搬家到經濟上能負擔、對生活影響不會太大、且相對較安全的地方。可是,真的要落實又不太容易,因為像是工作地點、家庭等因素說不定在選擇居住地的評估時占了更高權重,使得自己不得不屈居於高地震風險的環境之中。

可是,即使無法買貴三三的房子或是搬家,積極的進行進層級二和層級一的應對仍有一定幫助。當大地震發生時,穩固的家居至少能減少傾倒的機會、事先準備的避難包和防震演練,也應該能發揮第一時間不慌張的應對,達到減災的效果。

當然,我們還可以用另一個角度思考,那就是將風險納入長期規畫,比如現在雖然搬不了家換不了房也沒錢補強建築,但可以設定長期目標,有計畫的儲蓄或慢慢尋找適當的住宅,以逐步降低或分散風險作為折衷方案。

企業在進行防災準備時,一定會考量「發生的機會」和「造成的損失」。當發生的機會越大時,理所當然會去思考有沒有「一勞永逸」的方式針對常發生的事件進行防災或減災,用比較貼近大眾的例子,或是老師想避免學生忘記帶作業(應該蠻常發生的吧?),一定會讓學生寫在聯絡簿上提醒,而一般對發生機會高的防災措施,要嘛成本不高、要嘛就是做了之後效果會很顯著。實際上比較難以應對的應該是「發生機會雖低但損失無法負荷」的災害,常會因為損失無法負荷,所以會有錯誤設想或不切實際的設想,比如「因為無法負荷屋毀人亡」而將一般住宅做到達震度7級也不會損毀的程度,反而會變成沒有幾個人買得起的房子;還是地震工程界常說的「大震不倒、中震可修、小震不壞」的程度,搭配著不同地震潛勢,才是更加務實的手段。

雖然地震災害是發生在一瞬間的事情,但也是「準備期」特別長的一種災害型式,但比起這兩年肆虐全球造成民生重災的Covid-19肺炎疫情,我們對地震災害的了解更加明確,至少知道地震對人們的危害多發生在建物上,也希望藉由此文的引導,有助於大眾理解斷層地震潛勢並活用防災知識。

2021年9月28日 星期二

斷層漫淡III:地震無法預測,但卻可以給你機率讓你好猜一點?甘按捏?

文/潘昌志(阿樹)
 
「百分之 70 是 7,百分之 30 是 jack,不是 7,就是 jack…」
這是句老電影台詞(賭俠),電影中利用攝影機偷拍所有玩家手牌中露出的部分,評估各自玩家手上的牌組的概念,其實和「評估斷層的活動性」的概念接近!雖然地震發生的時間難預測,但透過對斷層的研究分析,仍可以評估未來斷層錯動發生地震的機會。

透過前一篇「斷層漫淡II:蝦咪!斷層有分死的和活的?」一文也提到的各式調查、研究與分析活動斷層的方式,這些都有助於評估未來斷層錯動發生地震的機會,本文也將會再進一步說明相關的方式。

話說阿樹查不到對應台詞的畫面…(來源:電影《賭俠》)

要展望未來,就要先了解過去
地質學的名句「現在是通往過去的鑰匙」就是這門研究的寫照,地質方法中的野外露頭探溝調查鑽井資料都可以幫助我們釐清過去所發生的地震事件。如果夠幸運,我們可以從地質調查中找到適合的材料來定年,像是化石、或是含碳的有機物,就可以用碳-14定年的方式求出地層的年代,再利用斷層與地層之間的相關關係,估算出過去地震發生的次數以及大致的時間點。

除此之外,「歷史」也是科學家常用的資料,近代的地震會有一些地震波形或是震度觀測的結果,如1906梅山地震、1935新竹-臺中地震,比較容易推估出地震規模等科學參數。更為早期、沒有儀器紀錄的時代,就只能仰賴史冊古籍或廟誌石碑的記載。雖然這樣的記載方式多少會有些誤差,但至少可以將範圍縮少至兩至三條斷層之內、地震規模也有一個大致範圍。


「現在是什麼情況」也很重要
照理說地表看得到的斷層應該容易被人們發現,但因為臺灣又處颱風很常侵蝕的地方,地表地質作用太過旺盛,斷層常會因為地表風化、沉積物掩蓋及茂密的植生而看不清模樣。另一方面,如果斷層動的速率太過緩慢,也不太容易留下痕跡,但「會動就是會動」,現在人們可以利用先進的科技,找到斷層「有在動」的證據,那就是GPS全球衛星定位系統和精密水準測量。

或許大家對於「GPS」已經很熟悉了,無論車用導航、手機定位都會用上GPS的資料,但原理或許少有深究。GPS乃是利用天上的衛星,透過精密的原子鐘校時,送出位置的資訊,地面上的裝置可利用接收數個衛星的位置與時間資訊,解算裝置的所在位置。雖然一般導航用的GPS定位結果會有幾公尺的誤差,但是用來分析斷層活動的GPS測站,則會透過長時間連續觀測、設定固定基椿以及聯合多站解算等方式來削減誤差,可以讓誤差小到數毫米(mm)的等級,這樣一來每年幾公分板塊的運動、斷層造成的變形特徵都可以一覽無遺,也因為有這樣的科技,便能掌握短期的斷層活動狀況。

而GPS衛星定位在高程的精度上會有較大的誤差,偏偏正斷層與逆斷層又會有很大的變形量是貢獻在垂直方向上,所以除了GPS監測斷層之外,還會利用「精密水準測量」作為輔助。和先進科技的GPS不太一樣,水準測量是利用傳統的光學方式,搭配「一步一腳印」來達到縮減誤差的效果。

只要有固定、已知的高程,搭配上水準測量的儀器,就可以對未知高程的點進行水準測量,利用重覆測量、閉合差等方式就能將誤差縮小到最小。而閉合差的概念,可以想像一個情境:我們從校門口開始量測並透過觀測來計算高程,基本上下一個點的資訊是來自於前一個點,所以如果我們繞著學校一圈回到原點時,基於測量一定會有誤差的假設下,最後一定還是會有誤差,而這個差值即為閉合差。如果閉合差很小、測量中也沒出現失誤,就代這條測線上的水準測量的結果是可信的。水準測量還有其他消除誤差的方式,但大致上都是以和原始基準比對為主,而在不同時間點去測量特定點位的高程差異,對於斷層的精密水準測量,常會要求誤差最少要小到mm等級,才能精確的量測到每年幾公分的地表變形。總之,GPS和精密水準測量,都可以讓我們更了解斷層的滑移速率。

一樣都是科學,但不同證據力有不同的考量
不管是GPS、水準測量,再結合地震統計、古地震分析,或是先前一篇文章提到的地質與地形等證據,都可以直接或是間接告訴我們斷層的活動性,但因為這些事證的證據力與使用限制會有差異,所以統合時就得一一考量,一般會用「邏輯樹」的方式作為原則。

在說明邏輯樹之前,先簡單說明一下各項斷層研究方法的證據力差異和限制

GPS、水準測量可以提供最即時的觀察與分析、地震資料更是能直接告訴我們地下活動的狀況,這些都可以用來評估斷層的「現在狀況」,而且精確度高。
地質鑽探、槽構開挖等方式如果能有搭配地質定年的技術,可以推估過去斷層的滑移速率,藉此就可以評估斷層錯動的再現週期。

先不論精確度,GPS、水準測量與鑽探槽溝皆屬「事實、直接」的資訊,在科學上會有較明確的使用方式。相對於直接的資訊,還有所謂的「間接」證據,其中一項常用的間接證據,就是利用地表地形特徵推估過去的活動:有些是來自航空照片,有些則是野外實地調查,因為斷層假如有在活動,長時間的作用下,就會在地表上留下錯動痕跡,像是平地會因抬升而隆起,如果有河流通過則會隨著抬升而產生河階。這些證據可求出抬升速率,進而作為斷層滑移速率的推估依據。不過,這些推估結果常會有些假設前提:就像是我們知道某人花了30秒鐘從甲地到乙地,但我們不能知道他是直的跑還是S形的跑、跑的過程有沒有統一速度,所以如果沒有其他佐證,可能就要做出不同的假設,比如需要假設斷層累積滑移應變是線性穩定的,或是有加速、減速的可能性。如果我們有的地質資料越少,需要作的假設就得越多,那這樣一來結果的精確度就會下降了。

整合不同精度與證據力的資料並不易,邏輯樹即是用來處理此問題。以加州聖安德列斯斷層長期的潛勢評估方法為例,依序以四大主題來進行:斷層幾何形貌、斷層變形模式、地震發生率模型及總體機率模型。這套方法的精神在於,雖然測量上具有不確定,但透過不同科學切入角度從學理進行辯證,並用「權重」的方式解決大家看法上的歧異。面對同一斷層,證據力越高的資訊,就能有越高的權重。

專家討論的流程與邏輯樹的概念示意圖,修改自WG07, 2008

可是,這樣子的討論「科學」嗎?
確實,我們常常會覺得科學就應該實事求是,所以會理所當然的認為,科學應該要有明確的量測數值或是觀測證據,對於以人為方式討論或是不確定性高的證據,心中的懷疑也會越多,覺得「好像沒那麼科學」?然而,地球科學所運作的尺度之大,常有混雜的尺度需要解決,像是以GPS或水準資料只有數年的資料,但鑽探定年的誤差也正好是以年為單位,兩者的時間尺度就有不小的差異。再加上有些評估斷層活動性的資料,即使目前就只有證據力偏低的資料(如地形特徵或是模型推估)時,我們仍要努去評估斷層錯動的機會,畢竟斷層上發生大地震是件關乎人命安全的大事,也不能因為資料缺乏而不去評估,此時也只能仰賴受過不同科學訓練的專家來討論並評估其證據力及其影響風險程度。

在許多自然與社會科學領域的研究中,本來也就有類似這樣以專家討論意見、或是以權重分配、平均意見等各種統計的方式,凝聚共識以解決不確定性高的議題。有些學者認為斷層該有100公里長、但有些學者則會認為那是個70公里+30公里的分段斷層,有可能一次全部錯動、也有可能一次只動一半,因此透過前面的分析方式與樹狀圖的權重分配,將不同情況的可能性統合評估,找出斷層可能會錯動的地震規模情境、不同地震規模情境下的發生機率等等,將這些不確定性變成量化的機率後,對於後續的運用才更有所依據。地震難以預測,但風險可以管理,地震的危害程度與風險層級,或許是現階段對於中長期地震防災中,較為明確的指標。即使科學確實有極限,但仍然可以從中找到可以幫助人類與災害共存的脈絡。

參考資料與延伸閱讀:

WG07, 2008(州地區地震潛勢評估)
活動斷層與孕震構造之地震災害潛勢評估(中興社防災科技研究中心)
李易叡、鄭錦桐、林柏伸、邵國士、胡植慶、盧詩丁(2012)活動斷層之活動機率評估,中興工程季刊,第114期,第45-53頁