2019年3月10日 星期日

斷層漫談I:我達達的馬蹄是美麗的斷層?


文/阿樹  《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

本文標題玩了一個小小文字遊戲,由於「斷層」的英文是fault,便拿來置換了一下鄭愁予的詩句。在地科圈更常見的惡搞梗,則是”It’s not my fault.” 而本文的主題就是在談論斷層的定義、分類以名詞背後的意義。




「斷層」的定義與分類
在討論地震的成因時,常會提到「斷層」一詞,包括過去我們撰寫的幾篇章都有著墨,如:

斷層指的是岩石受外力作用產生相對運動後,而形成的「破裂面」,而這個破裂面如果有從地底下延伸到地表,就會在地表呈現出一條「斷層線」,如果是重要的斷層,通常就會被標示在地質圖當中。而現在我們熟知斷層三大類:正斷層、逆斷層、平移斷層,就是依照斷層兩邊塊體的運動情況來區分的。

而由力學的角度來看,也可以發現,平移斷層的主要作用力是水平方向的剪力為主,造成斷層的運動只有水平向的左移或右移的作用;正斷層則是以向外拉張的力量為主,造成斷層的上盤往下掉;而逆斷層則是擠壓的力量為主,使得斷層的上盤往上抬升。等等,什麼是斷層的上下盤?如果我們有一個傾斜的斷層面,斷層面的上方就是上盤(hanging wall),下方就是下盤(foot wall),而正、逆斷層兩側主要的受力和運動關係大致就會以上下盤運動來描述。而理想上對平移斷層的運動描述,就用不到上盤與下盤的名詞,而是以「斷塊」(fault block,描述跨斷層運動時說明斷層兩側塊體時的名詞)來說明兩側的塊體,如果我們的面向斷層,斷層前方的那個斷塊向右移,就會叫做右移斷層,反之,則叫左移斷層。

因為受力不一定就這麼剛好在三個軸向上,因此有的時候斷層不會只有一種錯動方式,可能會有逆斷層+左移、正斷層+右移…等不同的排列組合,而有些學者會將平移斷層又以「走向滑移」(strike-slip)名之,其實是一樣的意義。
在阿樹求學過程中,便曾有過這樣的疑惑:為什麼正斷層為何是「正」斷層、逆斷層哪裡又大「逆」不道了?難道,這些命名和現象觀有關係?

「正斷層」之所以為「正」斷層的理由
”fault”作為斷層,若從地質的角度來看,或許我們可以想像一個情境:當我們觀察地層時若遇上斷層,就會發現原先完整的地層,被斷層錯開的不連續現象,而且由外營力(風化、侵蝕、搬運、沉積)沒有辦法解釋這樣的現象,但反過來說如果將斷層兩側的塊體移動一下,就能完全的回復原來的樣子,也正代表斷層的作用是一種讓地層分離的現象,或許用有錯誤、瑕疵之意的”fault”,也挺合理的?
追著地層是地質學家的基本功,看到這類追不到的情況,就是遇到斷層(筆者自繪)

正斷層的英文為”normal fault”,可想而知所謂「正斷層」可以理解其翻譯的意義,所以我的問題便是在於為何以”normal”來描述正斷層,關於這個問題我聽到了以下兩種說法:

第一種說法比較有趣,就是關於最初發現並定義斷層的地區,主要都以正斷層的型式為主,因而在發現正斷層以外的斷層型式時,就給了正斷層”normal”一詞,而逆斷層就給了”reverse”。當然,我個人也蠻懷疑這說法的真實性的,因此我們來談另一個既可以幫助記憶,又非常有道理的第二種說法。

第二種說法較有系統性。由於多數純粹的平移斷層面,是相當垂直的,較明顯具有傾斜方向的斷層,多半是正、逆斷層才有,因而有了「將斷層面上方的塊體稱為上盤、斷層面下方則為下盤」的定義,而當斷層為正斷層時,上下盤的關係看起來是上盤沿斷層面「自然滑下」(normal),而逆斷層的上盤,則是反過來由下往上的逆向(reverse)運動。此外,長期在逆斷層作用下的地層看起來也會像倒轉一般,因為一般而言較老的地層在下方,但被斷層影響後,跨越斷層的地震剖面就會局部「老的地層在上方」的現象,這是正斷層所沒有的。因此,我們或許便可以由此理解,正斷層為何「正」,逆斷層為何「逆」了!


正逆斷層如果觀察局部的露頭或是利用鑽井,就會看到地層重覆出現的情況(筆者自繪)
比逆斷層還「逆」的「逆衝斷層」
逆斷層中,如果傾角(也就是斷層面和水平面的夾角)小於45度的話,有時會用「逆衝斷層」(thrust fault)來取代描述逆斷層的方式(也就是逆衝斷層是特指傾角45度以下的逆斷層)。不過,正斷層則沒有這樣的細分類,那到底為什麼會這樣呢?

大部分的逆斷層傾向是低於45度的,而正斷層則多半大於45度,但有些時候如果發生從張裂環境變成擠壓環境時,就可能在某些正斷層上發生逆移的現象(就是逆斷層的作用在老的正斷層上);然而在擠壓轉張裂的環境時,較少會發生沿低角度逆斷層發育正斷層的作用,因此也比較少有低角度的正斷層。
所謂斷層的傾角,指的是斷層面和水平面的θ(筆者自繪)

”fault”為何中文為「斷層」?
1873年的「地學淺釋」為第一本翻譯自英文的地質學中文書,可以發現書中已有「斷層」一詞的中文與其說明,其對斷層一開始的描述「石層之裂而為縫」,以及「兩邊之石層有高低不對之處謂斷層」等文句,雖然用字遣字與現在我們習慣的白話文有點不同,但也不致於難以理解,而且還蠻像我們現在學習的斷層定義,明確的指出岩層間有裂縫,並且同時有錯位的現象,不然就只會是單純的節理了。

而前面提到的正、逆、平移、逆衝斷層等名詞,就可以從英譯中、機制成因等脈絡理解其名稱由來。最後,再來談最後一個與斷層有關的名詞,那就是「活動斷層」。
1873年《地學淺釋》一書中的「斷層」,摘自《地質學》一詞從晚清至今的演變
本文將斷層的名詞、定義是如何來的稍作簡述,本文偏向斷層的地質學科學史的部分,而同系列文的下一篇文章,將會介紹地質學家如何研究會發生錯動引發地震的「活動斷層」。而其它關於本站的斷層知識,可參考下列延伸閱讀與參考文獻。

延伸閱讀與參考文獻


2019年2月25日 星期一

[轉載文章]2018花蓮地震之我見(原刊於國立自然科學博物館館訊365期)

文.圖/鍾令和 博士

編按:此為刊登於國立自然科學博物館館訊365期的文章(刊載時間為2018年4月),經徵求作者同意後轉載至本站分享。

摘要

花蓮地震造成花蓮市17人罹難,291人受傷,與部分房屋倒塌,也引發米崙斷層的再次活動。筆者藉由地震發生的時間、地震規模、米崙斷層與歷史地震的關連性與地震預測四個方面來進行簡要分析。

2 月份發生在花蓮外海的芮氏規模 6.6 地震,造成部分樓房倒塌與人員傷亡(圖 1)。由於這也是集集地震 19年之後,首次有明顯的地表破裂的地震事件(圖2),因此在社群網路上有相當熱烈的討論,筆者身為自然科學博物館的一份子,也試圖從科學角度來提出解釋。
圖 1. 本次花蓮地震造成雲門翠堤大樓的傾斜倒塌

圖 2. 花蓮地震在東華大學創新研究園區操場所產生的水平左移錯動,位移約 6 公分。
第一點是有關時間上的巧合。花蓮地震的主震正好發生在 2016年高雄美濃地震後的兩周年,因這個時間巧合而引發諸多議論。而另一個時間巧合的例子是臺北市在1月17日發生的地震,這天也跟1995年的日本阪神地震同一天,這些巧合究竟有沒有科學關聯性呢? 其實,以臺灣一年大約發生 1000 次地震、平均一天 3 次的有感地震(氣象局1991-2016年的資料)來看,從機率上來說,一年當中的某一天都有重複發生地震的可能性,只能說臺灣地震真的不少。如果將時間拉長,這個周年重覆的個數也會增加。尤其是臺灣只有短短400年的歷史地震紀錄,若將其放到歷史地震紀錄悠久的中國或是日本,同一天發生地震的個數自然會跟著增加。換個角度來想,花蓮地震與美濃地震都發生在農曆新年前,所以如果用農曆來看的話就不是在同一天(花蓮地震是丁酉年12月21日,而美濃地震是乙未年12月28日)。

第二點,本次地震所引發的地表破壞行為與米崙斷層有高度相關性。在地震發生之前,臺灣地震模型就已經預測未來五十年米崙斷層發生錯動的機率高達42%,是已知38條地震斷層發生率的第二名(第一名是後甲里斷層,機率為44%)。
臺灣地震模型於2015年所公布孕震構造發震機率,本圖基準日為2015年1月1日。可能會因科學證據或地震事件而有所改變,而需重新計算機率數值。
為什麼米崙斷層在發生地震前就已受到地震學家的高度關注呢?其主要原因是米崙斷層也是引發民國 40年的花蓮地震的主因。就科學的認知,歷史上曾發生過地震的斷層,未來再次發生地震的可能性也比較高。在中央地質調查所公布的33條活動斷層中,就有7條在1900年之後發生過地震(包含本館車籠埔保存園區所展示的車籠埔斷層)。 

依據初步的地表調查,這次花蓮地震所造成的地表上的破壞,幾乎都在距離米崙斷層位置兩公里之內,這也說明了斷層帶周圍禁限建的必要性。當我們無法知道地震何時會發生時,避開它其實是比較好的防患於未然之道。 關於米崙斷層因地震抬升,在2012年有一篇有趣的科學報導(註1)。在民國40年10 月 22 日當天,花蓮附近其實發生3次大地震事件(5:34規模7.3、11:29規模7.1與13:43規模7.1),科學家本來以為是第一個地震造成米崙斷層的活動。然而藉由當時花蓮港每小時測量的潮位站測量資料得知,港口中的海水下降了25.5公分是在11點之後,反映第二個地震才是主要的兇手(圖3)。
圖 3. 民國 40年花蓮地震時,花蓮港潮汐歷時線圖。


湊巧的是,花蓮港在這次地震也有受到類似的影響,由潮位站的歷時曲線可以看出地震當時明顯的變化(圖4)。 而這兩次花蓮地震所引發的第三個問題是:雖然地震好像都跟米崙斷層有高度相關性,但是兩次地震的規模是有差距的(規模7.1與規模6.6),其所釋放的能量差距也相差了約 5.6 倍。這一點也反應在米崙斷層的地表位移上,民國 40年的最大地表位移紀錄約2公尺;而本次地震大約是數十公分,與已知的活動斷層經驗法則一致。這表示同一條斷層會引發不同規模的地震,這將造成地震預測上的不確定性,同時也挑戰了現今的地震預測模型。
圖4. 花蓮地震發生前後兩天花蓮港潮汐歷時線圖(資料來源:港灣環境資訊網 https://isohe.ihmt.gov.tw/。) 

最後一點,地震之後在網路上有聲量極大的地震預測,其實,地震預測仍屬於科學研究的範疇,並不能百分百預知地震發生的情況。相關科學性的評論可以參考「這場地震達人秀,鬧夠了沒?」(註2) 在實際科學案例上,利用地震前兆而能成功預測的地震,全世界可能只出現一個例子,就是1975年的海城地震(註3)。在海城地震發生之前,鄰近地區突然發生了多次密集的小地震,持續了3個月之後就發生了大地震。但是,相同的方法卻沒能預測到一年後的唐山大地震(歷史上死傷前3名的大地震,死亡人數約24萬人)。

另外,這次媒體報導有關運用電離層變化來預測大地震發生的方法,其實科學界很早以前就知道可能有關連性。日本學者在發生 2011年規模 9 的 311 東日本地震之前,就已經觀察到明顯的電離層變化。但當時的預測是指向曾經在1923年發生關東大地震的東京,而並非在數百公里以外的仙台,這也顯示這個方法的不確定性。 另外,一個地震預測失準的著名例子,是發生在 2002年的中國西昌,當時出現魚群「跳龍門」異象,引發民眾一陣恐慌,造成整個西昌一半人口大舉逃離,但截至目前為止,西昌市並沒有發生大地震。反而是鄰近地區在 2008年發生了汶川地震(傷亡人數87000人),雖然在地震前兩天,成都《華西都市報》刊登在綿竹有數十萬隻蟾蜍上街的異象,但並未有相關的科學研究。

就以上數個例子可以得知,地震預測在今天仍有一段漫漫長路要走,而地震預測所造成的恐慌影響卻是很巨大的,身為科學人更應該以謹慎小心的嚴謹態度來從事相關的科學研究。

 延伸閱讀
註1. Lo,C.L., E.T.Y. Chang, B.F. Chao (2013) Relocating the historical 1951 Hualien earthquake in eastern Taiwan based on tide gauge record.Geophys. J. Int.,192, 854–860.
註2. 黃俊儒 這場地震達人秀,鬧夠了沒? https://opinion.udn.com/opinion/story/6077/2986952
註3. 歷史上的今天 :中國海城大地震 https://read01.com/jnL43d.html

2019年2月2日 星期六

旅行也能去的防災「景點」?池袋防災館


旅行也能去的防災「景點」?池袋防災館
寫文章在前面:本文目的並非鼓勵大家去國外才能學防災,而是想藉由阿樹參訪的遊記分享,從國外的宣導內容,反思我們應該具備哪些防災思維,還有哪些是可以主動參與學習的。甚至,當我們在推動觀光、國際化等政策時,可能會有更多的外國人在臺灣,有些外國人是少遇到地震災害的,如何讓在臺灣的外國人能一同認識臺灣的天然災害,在旅行、公務或是就學時能一同學習與災害共存。

20187月,阿樹來到日本東京都JR池袋站西口附近的「池袋防災館」,對出門旅行常會想「路過」和科學或地科有關的展館來說,這也是一個吸引阿樹的去處。從入口就看到了兩個用來拍照的立牌,加上可愛的吉祥物,就可以發現是這邊適合小朋友到大人一起參訪的場所。為什麼選大象當吉祥物?我猜是可以噴水救火吧,防災館也是隸屬於消防局之下的單位。

防災館的入口處展示(拍照)

而如果是團體(外國人)參觀,池袋防災館之前,可以利用網路預約。只是預約的相關事項僅以日文說明,而說明中也提到,最好是自帶翻譯人員,或是自己能懂一點日語。

池袋防災館:http://www.tfd.metro.tokyo.jp/hp-ikbskan/

 所以,對阿樹來說,網路上最重要的資訊,就是以下的「予約狀況表」,起碼,我們先避開「已經確定很多人的時段」,如果路程中還有一點彈性的人,就可以這樣調整自己參訪的時間。


但是,即使做好準備,還是有「意外」,那就是太多的「外國人散客」!
大廳等候的有很多外國人(圖中已經消化了一兩批人了)

是的,大廳滿出來的觀光客,阿樹猜想應該是和我一樣有先看了這時段蠻空的而選擇此時來朝聖吧?所以,前面的予約狀況表就當作是參考用吧!
看了一下人員排班狀況表,確實今天參觀民眾真的幾乎滿員了,有圖有真相!
只有幾個不是寫滿員的時段,但也是幾乎滿員的情況
進到館內,首先是一段地震防災宣導影片,因為版權關係,無法拍下來跟大家說,只能讓大家看一下預告片:

https://www.facebook.com/TokyoFireDepartment/videos/667200746735485/

這是一部「穿越劇」型式的卡通,帶領人們認識1923關東地震、1995阪神地震以及2011東日本地震剛發生完的災況,用來說明地震可能會造成的災害,進而思考如何應對未來的地震災害。而三個主角也在影片中示範了如何製作防災教育的課堂報告,剛好可以對應到阿樹在防災館中看到的學習手冊:


綠色的是高年級,橘色的是低年級防災手冊


而且,防災學習手冊還分成低年級(1~3)和高年級(4~6),個人覺得這也相當重要,因為一來除了用語上會有難易的差異,加上知識和自主能力的差別,分齡宣導便可讓不同年紀的孩子了解「自己能做什麼事」,這樣的好處就是真正災時,孩子更能有自救的能力,這是相當重要的觀念。


此外,館中還有消防體驗,包括濃煙逃生迷宮、滅火器等等,講解相當詳細,這部分倒是和阿樹在台北市內湖的防災教育館類似。比較特別的是「關門」,就是如果我們正在往濃煙來源的反方向行進時,如果後面沒有人跟著的話,要記得把身後的門關起來,以阻斷濃煙擴散的速度。另外,介紹滅火器的時候,發現了神奇的海報收納方式,覺得蠻好用的呢!

從頂部拉下的海報,或許是種節省空間、減少大家移動位置的好方式

不過重點還是體驗使用滅火器,這是一種利用灌入氣體和水,利用類似水火箭的原理模擬滅火器的使用。之前在內湖體驗時,講解的志工人員較為著重在「使用滅火器的口訣」,但在此處館員則特別著重另一件事:那就是館員要求我們先喊:

 

「火事だ(用中文念像是:咖吉答~~)」!

原因是不管如何,火都燃起來了,我們不確定接下來會怎麼樣,至少要先讓更多附近的人知道有火災,這樣一來即使滅火器無效,也才不會白白浪費了黃金滅火時間。只是小朋友總是會害羞,希望回家後能因為覺得害羞而記得這重要的事。


最後,重頭戲就是「地震體驗」,一般我們在國內會遇到的體驗方式,大約會有三至五分鐘的講解,再簡單的體驗一下地震,一般會將體驗區布置得像家裡一般,但這邊卻單純只放了桌椅和坐墊。館員的說明大致上是先強調坐墊的用意是要保護頭部,如果手邊有這樣的物品便可在躲到桌下前使用,而在此是為了讓大家接著躲桌下時,能稍微墊在膝蓋下以免受傷。由於一共有二十人,館員便將大家分成四組,讓每個人都能體驗到地震,而其中一組小朋友是最早體驗的一組,但館員說因為安全問題,他們只能體驗熊本地震(最大震度6),而且是有強震即時警報的狀況,所以小朋友有相當充裕的時間躲到桌下做好避難措施。





小朋友表示:蛤~~~~~(感覺很想體驗7級震度)


但換到大人,則改以311地震時的東北地區的震度為例,幾乎沒什麼地震預警的時間,所以幾乎是警報響起後就開始有振動,而躲到桌下是剛好較大震波來襲,所以沒有第一時間穩住桌子的話,就穩不住了,會有種要甩出去的感覺。阿樹心想:媽呀也搖太久了(雖然實際上較晃的時間大約40),不過這樣的體驗想傳達的,就是「地震來先躲避」是最重要的事!

https://www.facebook.com/quakeledge/videos/1489752744457580/




而這大概是體驗過各種地震體驗設施中「最有感」的一次,因為設計上就是讓大家知道沒有預警情況下遇到超大地震會是什麼情況,像是晃到要飛出去、幾乎沒時間躲避的臨場感,實際上真的沒什麼時間把墊子放在膝蓋下的。也就是說我們真的遇上大地震,這種第一反應可能真的是當下我們唯一能做的選擇了。

在離開前,回頭看了一樓所展示的家具固定輔助工具,之前在BicCameraTokyu Hands等店中也常看到相關的產品,有些設計是鎖牆,也有利用支撐的原理防止櫃體傾倒的商品。確實,要推動防災意識,相關產業鏈也是十分重要的。



這次參訪最大的感想就是:所謂的防災教育,應該只有更好,沒有最好,永遠都有許多精進的方式。無論是國內、國外,都有許多防災教育的場所是值得一去的。不過日本比較特別一點,意外的有許多觀光客會去參觀防災場所,或許日後大家在日本自助旅行時也可以參考加入參觀防災館這樣的行程。不過由於館員也不是為了觀光而導覽,所以還是最好是有懂日文的朋友陪同(阿樹自己的日文程度約莫N5~N4,尚能略懂一二),應該更能體會到他們所傳達的防災教育內涵。

2019年1月4日 星期五

海嘯預警 台灣準備好了嗎?

圖/不會冷  文/阿樹


這篇文章是人氣地科系插畫家「不會冷」跟震識的合作(其實幾乎都是不會冷大大做的),我們藉由一系列的漫畫插圖來認識一下「關於海嘯預警在臺灣」,請大家在看淺顯易懂的科普漫畫之外,還能進一步認識關於海嘯的科學知識!


 「海嘯侵襲台灣」對於大家來說似乎是很遙遠的事,因為過往海嘯侵襲臺灣的紀錄少…不過,海嘯一來襲可是不得了的事,即使感覺機率不高,我們還是得認識一下海嘯的科學和預警啊!


 「地震後帶來海嘯」可能是近年來大家對於國際上重大海嘯的觀點,然而會造成海嘯的成因有很多,在2018年的1222日印尼發生的海嘯侵襲事件,就與火山和塊體崩落有關。


 和地震造成的海嘯不同,像山崩或是隕石撞擊這種瞬間衝擊力很大而引起的海嘯,它的高度可以到很高很高!


 但海嘯的威脅也不能只光看高度,還有「波長」,大家熟知的大地震海嘯波高了不起就數十公尺,但是波長大就是它的致災關鍵!


更麻煩的是,有些海嘯並不是來自鄰近的沿岸,是跨國性的災害。參考兒海嘯故事演講影片

海嘯=超高海浪?不不不10公尺的瘋狗浪對岸邊的威脅可能不及1公尺高的海嘯。1公尺高的海嘯水量可以淹沒好幾倍的岸邊區域。


所以,建置海嘯預警系統是世界趨勢,太平洋和印度洋更是重點區域,當然,還有經常有海嘯危機的印尼。


 臺灣有海嘯預警系統嗎?不止有,還不止「有一套」,不同的計算觀測方式有助於全面補捉海嘯災害!至於這些系統的緣起和對應用圖,就請參考災防週報


這張圖有點熟悉嗎?如果不熟悉也無妨,總之就是現在科學家已經在嘗試把地震預警的方式用在海嘯預警的可行性。
 而這樣的研究遠比地震預警還難,因為要模擬海嘯還得先了解地震的成因。我們無法擁有上帝之眼「看到」發生的瞬間,只能靠儀器「間接回推」。


尤其是火山活動和山崩產生的震波太複雜,這條路還正在努力的開闢中(歡迎年輕學子投入研究?)


DART是一個利用海上的浮漂來建置的海嘯預警系統,海洋資料或許是目前比較能即時提供海嘯的設備,然而防災是不該只求「有就好」,而是應該盡可能追求更即時、更全面的防護!

2018年9月21日 星期五

九二一地震啟示錄:科學家的課題


文/馬國鳳    《震識:那些你想知道的震》總編輯

副總編按:本文為馬國鳳老師應「科技大觀園主題科學日」團隊邀稿撰文,文刊載於此,在此作微幅的調整與補充。大地震總是難免會帶來傷亡和損失,為此從科學面來看更應盡其所能的將地震所帶來的各種數據觀測徹頭徹尾的研究。因此,雖然九二一集集地震許多台灣人的傷痛,但在地震科學界,也因此地震而有了獨步全球的研究成果;即使我們都不希望再有這樣的強震發生,但卻無法無視自然的法則。從強震中挖掘出更多未知,解決地震危害的問題,便是從事地震科學相關研究的學者畢生職志。接著,讓我們看看集集地震讓學界學習到了什麼?
 
在集集地震後啟動的TCDP鑽井計畫,帶來了重要的科學成果

每到九月,總是讓我們想起1999年的921日的集集大地震,當年地震帶來的災害至今仍讓大家餘悸猶存。在大地震發生後,臺灣不論在地震科學、工程或防災上,都有更深入的推廣及學習,相關的成果也為世界所重視。藉由此機會,本文將介紹近年來由臺灣出發而獲世界重視的斷層動力科學觀測及分析成果。

由於前人睿智的建議,臺灣自1993年開始,由中央氣象局地震測報中心架設了全世界最高品質且密集的強地動觀測網,成為當時全世界唯一在災害性地震發生前擺設完成的強地動觀測網(關請見:台灣發展地震預警的過往雲煙)。因此,在1999年集集地震發生後,此觀測網資料為世界提供了解大規模破壞性地震機制最全面的研究。也透過地震資料分析及其斷層模式反演,以及地表地質的觀測,了解到破裂的車籠埔斷層北段有高達約12公尺的斷層滑移量,及長週期的大滑移速度值。但是在南段雖無太大的滑移量,卻有高頻振動以及高的地震動加速度,這種大的滑移量與滑移速率的整體斷層運動行為也特別受到世界矚目。

由於當時對於地殼應力的理解,是無法造成如此大的斷層位移;因為一直以來,地震工程大多認為係地震動加速度才是造成災害的主因,但此次地震資料也揭露了大地震的滑移速度之週期對大型建物的影響。同時在分析災害行為中,也暗示了地震破裂的複雜動力行為,故集集地震提供了地震科學及工程深切了解斷層大滑移量的物理機制及其災害特性。

由於突破性的科學研究及國科會(現科技部)的支持,2006年開啓了臺灣與美、日、德、義等多國共同參與的世界矚目的國際型臺灣車籠埔斷層鑽探計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP)。成功的鑽探到集集地震的滑移帶,其厚度約為毫米等級,且含有非常細緻,約為奈米等級的黏土礦物斷層泥,此項鑽探結果也增進了對地震能量分區的理解,也了解到地震動力學的行為是需要地質及地震科學相互的配合。

如上述,集集地震時的高品質密集地震記錄及成功的滑移帶鑽探,提供世界研究地震動力的分析基礎。因此,透過理論力學分析地震運動滑移的時間及空間分佈,研究團隊也得到地震斷層面上的動力學參數,顯示剪切應力在斷層面上分佈的不均勻性,且其斷層摩擦力會隨時間及空間變化的複雜性。

在地震總能量的分析上,藉由集集地震鑽探計畫所得到的斷層泥顆粒及厚度,得出產生此斷層泥的破碎能所做的功。在鑽井後的地球物理井測(分析穿透地層地性質的技術)及溫度量測,分析地震中熱能的耗損,以及鑽探所得的斷層帶岩芯、岩石力學分析等,皆為現在斷層力學中的高引用度文章。

熱能為地震力學中最難分析的數值,在測量中所得斷層帶低摩擦係數,也促使往後世界各國在大地震後進行測量摩擦熱的鑽井計畫(例:2008年汶川WCSD2011年日本東北大地震 J-FAST)。隨著TCDP鑽井計畫成功定義出1999集集地震的滑移帶,研究團隊接著在井孔內安裝現地井下地震儀(臺灣車籠埔斷層井下地震儀「Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS」)以監測發生大滑移量後的斷層帶行為。

地震動力學的研究對了解地震物理行為,如起始、傳播和癒合至關重要,斷層滑移的物性關係是地震震源動力描述的關鍵。科學深井鑽探計畫,也提供了難得的機會觀察斷層深處的破裂,因此也了解到1999年集集地震的物理環境:(1)在彈性張量儲存以及釋放之處,也就是巨大的錯動破裂面上取出一段連續的岩心剖面;(2)在高速大滑移量區採樣;(3)確定斷層帶內的物理條件(應力、孔隙壓力、溫度)。之後所設置跨斷層帶的現地井下地震儀,也提供了斷層帶動態變化的近距離觀測資料,以了解大地震後斷層帶的構造及變化。       

雖然1999年集集大地震造成大規模的災害,但由於在地震發生之前,已密集架設的強震站也提供了對集集地震進行廣泛研究的機會。因此,此項寶貴的資料除了促使世界關注高質量的近斷層資料,也提供了機會給地震學和地震工程師能更全面了解破壞性地震的災害特性。近地表最大的滑移量可達約12公尺,緩傾構造為科學鑽探提供了獨特的機會來了解大滑移量的斷層物理特性。

透過此項計畫,研究團隊發現微米級的滑移厚度是集集大地震的重要證據;由現地溫度測量得到的低摩擦係數也是解釋在地殼斷層是強或弱的悖論的重要發現;透過跨斷層現地井下地震儀的多年觀察,研究團隊持續努力透過近距離地震觀測資料揭示斷層帶的動力學。

從最近的研究中發現,透過動態觸發,斷層帶可能被區域或遠距離的地震影響,導致速度與應力異向性的變化,進而在大地震後,與世界上的斷層帶可能有遠程的連結;透過大地震後斷層帶的現地井下地震儀,研究團隊可以近距離觀測斷層帶行為及其隨時間的演變情形,獲得第一手資料,並瞭解地震的誘發行為。

地震科學不只是科學研究,它與民眾、社會及國家經濟都有重要的關聯。隨著對地震科學前瞻研究的投入,研究團隊在幾年前再次結合地質及地震科學,成立臺灣地震模型(Taiwan Earthquake Model, TEM),瞭解臺灣的斷層及孕震特性,尤其斷層震源破裂的物理特性,藉由分析其地震波傳遞特性來了解臺灣各區域的地震危害潛勢。而地震危害潛勢分析以及未來希望獲得推廣的全震源時間及空間的地震景況與情境模擬,除了有助於地震工程及政府相關法規的推展外,亦對產業面對的地震危害有更先進的風險管理,以降低下次災害性地震帶來的風險(地震如何致災?科學家如何知災?我們又該如何防災?)

臺灣位於活躍的板塊活動區,地震的發生是必然的。因此在科學面上,研究團隊希望臺灣可為世界帶來更多先進的觀測及前瞻性的科學研究成果;同時,也希望透過地質及地震科學的研究,整合相關領域,提供政府及民間甚至產業更多的地震防災資訊及知識,並透過科普教育的推廣防災知識。研究團隊已為此建立了 「震識」部落格(https://quakeledge.blogspot.com/),以透過社群網站提供正確的地震地質及防災知識,使地震科學教育更加落實。

(本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行)
責任編輯:郭啟東/國立中山大學