2017年7月26日 星期三

斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(下)

文/阿樹   《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

在上篇層上的暫瞬間:動與不動之處()談到斷層上的「地栓」(asperity)時,阿樹賣了個關子,原因是因為來不及寫拖稿太難一次把事情講清楚,所以再多花點篇幅來聊聊這件事。

斯斯有兩種,主震也有兩種
像台灣這種位於板塊邊界附近地震頻繁的區域,多數無感地震是「看似隨機」分布。通常在發生較大的地震時,才會出現時間、空間上相關性極高的地震分布。而我們會將這樣一群接近的地震稱為「地震序列」,序列中最大的那個地震自然而然就是「主震」,而在它之前的小地震就是前震,之後則為餘震。當然這也是有例外,像是有時會突然發生一大群規模2~4之間的群震,而沒有較為明顯的主震,但這種狀況並不是今天要談的,所以也先跳過

還有一種特別的情況,那就是「雙主震」,顧名思義,當地震序列中有兩個發生時間相近(數秒到數分鐘,頂多幾個小時之內),且震源位置、地震規模相近時,我們會稱它叫「雙主震」。由於地震規模的計算本來就有些容許誤差,計算上差個0.10.2的情況並不能真正分出哪個才是最主要釋放能量的地震,所以最簡單的處理方式就是讓它並列為主震

可是案情並不單純…斷層只有一個怎麼會有「雙主震」?
是的,沒代沒誌不會隨便就發生雙主震,如果一次大規模的斷層錯動會產生一次較大的主震,也就代表雙主震等於有「兩次大規模錯動」,問題來了,這兩次到底是發生在同一個斷層上?還是在不同的斷層上呢?

實際上,雙主震發生在同一斷層或不同斷層上皆有機會,或許先以「發生在不同斷層上」來切入理解會簡單一些:可以想成這個地方的地下可能有幾個潛在的斷層,兩個都面臨著能量累積快要到極限發生地震的情況下,當一個地震發生後,極有可能誘發第二個地震。


至於在同一斷層面上發生雙主震的情況,就得回溯到前上一篇文章介紹的「地栓」(asperity)概念,斷層面上往往並不均勻光滑的滑動,也不是整塊一起「鎖住不動」,外力(如板塊作用力)多半集中在數個地栓區塊上,而這些區塊有大有小、或許都有各自累積能量的極限。譬如有些較小的地栓可能隔段時間就會滑動發生小地震,而較大的地栓則會累積得久一點才釋放能量。
不同的地栓大小與地震關係示意圖

斷層面上可能有好幾個大小不同的地栓,如果正好有兩個差不多同樣大小的地栓差不多同時累積到臨界點時,有可能會一同發生地震,或是其中一個開始滑動時進一步誘發了另一處發生地震,因為兩地栓的大小、累積能量相近,地震規模也會大致相當。但如果兩者相去甚遠,我們可能就會把較小的那個事件當作前震或餘震來看待了(端看發生的先後順序)

要怎麼辨認出雙主震?
我們不可能看得到斷層上的地栓,所以唯一的資訊就是「地震波」,但要怎麼藉由地震波了解的細節,可能一言難盡,在此也僅簡述基本的概念。首先,儀器收到的地震波,其實裡面隱含了震源破裂時的特性、震源到測站間的地質條件等等,而現在的地震波分析的方式已經可以逐一分析這些參數,而前些日子在本站談矩與震矩規模時,也提到了「地震矩」是從斷層面的位態、斷層特性與斷層面破裂情形所綜合出來的參數,所以「斷層是怎麼破裂的」其實也與地震矩規模的發展幾乎是同時開始的(約莫1970年代末、80年代初期)

Thorne Lay和金森博雄[1]1980年針對索羅門群島的兩個雙主震地震序列分析後,提出了兩種不同的地栓分布(asperity distribution)的模型,其中索羅門型式(Solomon type)的地栓分布圖顯示,其隱沒帶的地栓為許多規模相近的地栓所組成,所以發生的雙主震多是獨立的地栓,會產生規模相當的地震,但其它地區多半是非均勻分布的(heterogeneous)情況。
兩種地栓分布模型,圖片摘自Lay, T. and Kanamori, H., 1980.[1]

而這非均勻分布的地栓,其實也幫助我們合理的詮釋多數地震的發生情況,在有前震的情況,多半是較小的地栓發生破裂後,接著才發生大規模的錯動(較大的主震)。此外,當較大的地震發生後,也會連帶的影響到斷層面上其它的地栓,發生「藕斷絲連」的情況,這時也可以從餘震分布推測斷層的延伸位置。如果套用在大型地震(規模大於8以上)時,甚至會發現斷層面上數個地栓連動的現象,譬如2011年東日本大地震的斷層面上就至少有4個地栓區域,而921集集地震也可看出兩個地栓分布區(下圖)
集集地震的震源模型,虛線為斷層的主要錯動區(地栓所在)

這些研究對我們有什麼重要的?
這兩篇文章說明了近代斷層與地震間關係的研究進展,讓我們至少從抽象的彈性回跳理論慢進展到「具像化地震發生的瞬間」,阿樹也要特別提醒,畢竟這些資訊都是來自於科學家對於地震波的解析,加上為數不算多的地質資料而的理論結果,這些研究也有一些極限:譬如2016生在南的地震,也在地震發生了好些天後,學者才從地震波的分析推論「雙主震」的可能性,像這樣兩起超近的雙主震事件,仍無法在地震當下就釐清,因此這類針對斷層與地震的研究,最大目的其實是在追尋地震好發處。

試想一下,如果我們有機會了解斷層面上易發生地震的地方有哪些、它的能量累積釋放情形與地表觀測資料的連結,這樣我們多少就有機會評估它未來發生地震的可能性,還記得我們站中的首篇文章嗎?文章中提到的「未來發生的地震機率」,有一部分的發展就是利用本文提到的地栓研究,提出震模型,加上再現時間與震度分布等相關研究計算求得,像這樣看似純學術的基礎研究,也是能進一步運用到民生之上的。
未來50年內,機率10%以上的振動強度的分布圖。可用於長期的防災規畫評估參考。資料來源:灣地震科學中

隨著科技進步,這些理論可能會有更好的應用,也可能會修改或發現新資訊,抽空了解這樣的地震新知,或許可以給我們的防災願景增添正向力量!

參考資料與延伸閱讀:
MB

2017年7月11日 星期二

斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)

文/阿樹   《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

兩個多月前寫的這篇震是怎麼來的一文,與大家簡單介紹了關於「彈性回跳理論」,而這是地震主要的發生機制。由此可知,地震的成因與斷層其實脫不了關係,而在《斷層「動靜之間」的學問—關於「潛移斷層」》一文中卻又告大家,有些斷層可能因為只有緩慢的潛移,雖然岩層會因此斷開錯移,但卻不會發生劇烈的地震,而文中還進一步說到,有時有的斷層會是「一部分潛移,一部分鎖定」,有些地方會緩緩的錯移,有些地方卻又會累積能量發生地震

或許你會說,怎麼這麼複雜?所以我這樣到底是該要擔心斷層還是不要擔心啊?

那些斷層面上的複雜之事
老話一句,複雜的事情沒有簡單的答案,所以我們還是要先細說背後的科學。首先,「彈性回跳理論」是種「概念化的模型」,它並不是代表所有的斷層都是以這麼「單純」的方式在動。理想情況下,斷層受外力作用時會先累積形變,就像橡皮筋和彈簧一般,直到超越最大靜摩擦力時才會滑動,但實際上有些斷層面是很「平滑」的,就是外力不會累積形變,而是推多少它就動多少,它就是我們前面的潛移斷層。

即使是這樣分成兩類,還是非常粗略,因為真實世界的情境遠遠複雜許多!
Welcome to the real world….
真實世界常見的情況是,很多斷層都會分段或是斷層面上會有分區的現象,斷層面上的某些地方是較「粗糙」的,會以彈性回跳理論的概念,反覆累積形變後錯動,而有些地方相對較平滑,並不會累積形變的位能。

所以我們如果要用個簡單模型來想像真實世界中的斷層樣貌的話,就會是這個樣子:斷層面上會是有一些地方長期被「鎖住」(locked)的地方,而地震往往就是當這些被鎖住的地方突然間滑動的時候發生的事情。
斷層面或板塊交界面並不是處處都會發生地震,主要就是因為只有某些地方會固著鎖住,而這個地方我們稱之為地栓(asperity),此一詞在後文中會說明


至於這些鎖住的地方突然滑動是什麼概念,我們先用一個影片來解釋:


雖然影片中的彈性行為是在手握的那條彈力帶上,但實際上它在詮釋的就是岩石的「彈性行為」。套用在自然界中時,地震的作用確實也是以這樣的模式在發生,每一段時間一定會發生一次滑動,但滑動發生的時間間隔並不十分固定,而時間不固定也代表著累積的形變也不會每次一樣,所以滑動量也並非完全固定的,這代表地震之間的週期不太固定、大小也不太固定啊!

如果我們把影片看得再仔細一點,可以發現前方的紅色塊體會是直接的受手拉彈立繩的應變影響,但藍色的塊體受力和運動的情形就複雜得多。當紅色塊體突然滑動時,藍色塊體並不一定會隨著滑動,而這兩塊之間的落差也是以形變的方式儲存起來,等到累積到一定程度的時候才會發生地震,而且這種類型的儲存釋放能量方式可怕得多,往往會有更大的錯動,產生更大的地震。
 
上圖中的形變與時間關係表中呈現了形變隨時間會累積並釋放能量發生地震,雖然和彈性回跳理論的概念一樣,但變成兩個塊體就複雜許多

所以,即使我們理解了地震發生的「模型」,但要藉此「精準預測」地震,也會因為斷層的行為過於複雜而變得不可行。但話說回來,正好就是有這樣的規律性,比較明顯躺在地上又會不斷累積形變而孕育地震的斷層,某程度上是可以估算地震發生的長期潛勢的。不過這個概念談到此要先暫時打住,往後我們會接著談長期地震潛勢評估的事,今天的主題我們先聚焦在斷層上的事情。

一個不易詮釋的概念性名詞
剛才說斷層上較為粗糙、容易鎖住的地方,它有個專有名詞”asperity”,它似乎很難用個中文譯名(本文中暫以其中一種譯法「地栓」稱之),因為它不僅止代表上述的意義,還用來解釋地震發生時的現象:在斷層錯動發生地震時,它會被用來指「斷層上地震矩最大的地方」(斷層面上錯動最集中的地方)

雖然從名詞定義上看起來很複雜,但其實在談論的概念是橫跨地震發生的過程與機制。當在談斷層面上的物理特性時,地栓所描述的就是那些突起粗糙的孕震區,而當地震發生時,斷層面上的這些點自然也是其中的一個或數個地栓。此時我們若要談論地震時錯動最集中的地方,用地栓正好也可以說明,畢竟依照彈性回跳理論和asperity model來看,錯動最集中的區域在地震前當然也是那個粗糙、摩擦力大而累積形變最多的點。所以它用來指涉的現象會因地震的時空而有些差異,但不變的是,它是專指斷層內性質差異和地震的關係的概念。

所以,實際上一個斷層或隱沒帶上,其實擁有許多複雜的物理現象需要考量,從上個世紀初到世紀末之間,我們也只從「確認斷層和地震的關係」發展到「發現並找到斷層面上不均勻之處和地震的關係」而已。而這項科學最難之處是它必需先從天然地震的觀測得到一些假說,還得從天然地震來驗證。理所當然的,要了解大地震,勢必也只能從大地震來著手,然而大地震除了給學者更多研究資料,卻又常帶來慘重災禍,因此阿樹也覺得研究地震之人確實是「苦其心志」啊!

最後,如果有興趣去google ”asperity”一詞的話,會發現在材料科學上,asperity也是用來描述表面或是界面上的「粗糙度」的名詞。而最初將此概念運用在斷層、地震上的學者,其中一位在前幾週的文章也曾提過的金森博雄教授(提出地震矩規模計算方式的學者),金森教授與Thorne Lay(文章第一作者)1980年針對索羅門群島地震發表研究論文時,便以此模型解釋地震的特性。但Thorne和金森教授是如何用模型解決問題,以及aspeirty model在地震研究上的貢獻,阿樹在此先賣個關子,我們下篇再談。 


但是阿樹可先給個小小提示,提示一:上述論文中的索羅門群島地震是個雙主震;提示二:這和金森教授的地震矩計算也有些關聯哦!

參考資料:
IRIS的地震模型說明與影片連結

2017年7月4日 星期二

台灣發展地震預警的過往雲煙

文/吳逸民    教授    (國立台灣大學地質科學系)

吳逸民教授(投影片中也是),阿樹於2013年拍攝(低照度解析不佳)
(編按)「強震警報簡訊」為我們爭取了數秒鐘的預警時間,能在地震發生時震波來襲前搶先知道地震即將來臨,或許大家可能多少知道這樣的簡訊服務逐漸普遍,但你知道這項技術的發展史和背後默默努力的科學家嗎?今天震識邀請了在國內地震預警技術發展扮演重要角色的吳逸民教授,跟我們談談過去的內幕秘辛點滴!

當年的時空背景
台灣、日本及墨西哥是最早投入地震預警系統(1)的國家,地震頻繁的日本同時擁有先進的高速鐵路,而地震預警的發展也因應而生。至於墨西哥,則是因為墨西哥市就建在乾枯的湖泊上,即使是遠在三百公里外的隱沒帶發生大地震,因為盆地及場址效應,也會放大地震波而造成墨西哥市高樓的損壞,1985的墨西哥地震就是ㄧ個典型的案例。地震災害總是會提醒著人們,不要輕忽地震威脅,而台灣投入地震預警系統開發的科學動機,自然也是一起顯著的地震。1986年的花蓮地震發生在外海,對花蓮的住家並沒有造成太大損害,這次地震反而最嚴重的災害卻是在120公里外的台北。根據震波的速度推估,具破壞力剪力波(S)從這次地震的發震位置傳遞到台北的時間,至少要30秒,因此,若在花蓮建立預警系統,就可以對台北提供預警時間。

投入研究的緣起
有了科學動機,還要有資源投入,到底是什麼樣的契機,讓台灣在二十幾年前就開始發展地震預警系統?1990年代,台灣正值經濟繁榮,國家建設開始蓬勃發展,中央氣象局便打鐵趁熱成立地震測報中心,當時的局長是蔡清彥教授,地震測報中心的主任是辛在勤博士。地震測報中心初期在思考該如何推動地震觀測的發展時,那時延聘了鄧大量院士、吳大銘教授、蔡義本教授及李泓鑑博士為顧問。蔡義本教授就建議應該建立強地動的觀測網(2),因為,當時有許多國家的強地動觀測網都在大地震發生後才建置,大多未能留下大地震的強震紀錄(3)。蔡局長接受了建議,開啟了台灣大規模的強震觀測史,密集設置強地動觀測站。因此,1999921集集大地震發生後,台灣便因而得到前所未有的近斷層強震紀錄,這些紀錄對於往後地震科學發展有莫大助益。這些寶貴的科學資源,也是拜當年睿智的決定所賜。

參與開發的點滴
此外,服務於美國地質調查所的李泓鑑博士,當時也建議台灣應該要發展地震預警系統,基於1986年的花蓮地震案例,加上當時國際間地震預警處於剛發展的初期,李泓鑑博士認為這領域是台灣有潛力可領先世界的研究項目,於是便開始發展地震預警系統。
當年的地震預警系統主要由加拿大的地震儀器公司負責開發,系統主要接收在花蓮地區十個地震站進行解算,而預警系統的主機分別設在花蓮及台北,這是當年的主(A)計畫。鄧大量院士回來台灣時發現,當年傳輸地震訊號的數據線路(可以想成像網路訊號的概念)仍有一半的頻寬可以使用,建議將共站的強震儀訊號即時傳回,以發展地震預警系統的備案(B)計畫。
        服完兵役的我,於1993年進入氣象局工作,不久就被指派接手B計畫,當時有些資深前輩認為,地震預警不會成功,所以B計畫就由我這菜鳥接手。我一直認為戰士是不能選戰場的,所以接手後便孜孜不倦的進行這計畫,與在遠地球另一端李泓鑑博士一起工作、分頭進行。李泓鑑博士心跳是一般人的兩倍速率,是個急躁的人,自稱是Slave driver,為了解決難題,三天兩頭總有超過一兩小時的國際電話。當年我也曾兩度飛到美國地質調查所與他共事,而他來台灣時,便是由我接待,我還曾帶他到基隆配眼鏡喝啤酒……李泓鑑博士近年來健康狀況不佳,而我現在也不喝啤酒了,如今回想起往事,不勝唏噓。

取代主案的備案
當年公務人員出國多少也有酬庸性質,第一年我出國去與李泓鑑博士工作,第二年要換其他人去時,李泓鑑博士就說,如果要換其他人,那也不用來了!所以第二次還是我出國工作。因為李泓鑑博士的專業指導,原先是備案的B計畫反而成功了,由於當年的A計畫因為是商業的系統,使用者無法進行修改,儀器業者的地震專業仍有些不足,最後終究被B計畫淘汰,然而A計畫的細節畢竟已是塵封的往事,如今也毋需多談了。
B計畫是如何成功的呢?首先,利用即時強地動訊號進行有感地震測報,因為是來自強震儀器的訊號,除了可以利用地震波形資訊進行地震定位及計算規模,亦能同時將地動加速度轉成震度。1995年之前,光是發布一個有感地震就要花上約30分鐘的時間,運用B計畫的技術後,便可縮短在10分鐘之內,而在九二一地震發生後,地震報告的訊息約兩分鐘就可以送出,也是B計畫的成效,當時也是領先世界的效率。
B計畫的基礎技術由李泓鑑博士提供,當年的的計算時效最終仍遇到一個難以突破的瓶頸:為了追求時效,需要用地震初始振動定出規模,但這是一個難以突破的關鍵技術。直到1998年提出新的規模計算法,才開始有辦法在30秒提供地震解算結果,初探地震預警的先機,藉由預警子網及虛擬子網(4)到了2002年,已經可以在地震發生後22秒提供初步的地震訊息,為當時最佳的地震預警系統,這也是有心插柳的結果,也讓地震預警可進入下一步的應用階段。
 
虛擬子網示意圖,圖中三角形指的是即時強震測站,虛線為在不同地方發生地震事件時,系統自動搜尋圓半徑約60公里的子網範圍,計算範圍中的測站可以增加地震資訊處理的效率。圖中星星為1999集集地震的震央位置。圖截自Yih-Min Wu, T.-l. T. (2002), A Virtual Subnetwork Approach to Earthquake Early Warning, Bull. Seism. Soc. Am, 92(5), 11

相關註解:
1:本文所提到的「地震預警」並非預測地震的方法,而是在地震發生時搶快在震波來襲前提供警報的技術,氣象局官方名稱為「強震即時警報」。然在技術發展過程中皆以「預警」來描述,故本文仍使用地震預警一詞。
2:「強地動觀測網」指的是以強震儀(提供紀錄為「加速度值」)所組成的地震觀測網,而加速度值可以直接換算並對應震度的資訊。
3:本文中所有「強震儀」、「強震資料」都是指記錄地震動加速度值的儀器與紀錄,都是因應工程與震度等需求而生的。

4:「子網」的概念是將全台的即時強震站再細分為數個較小的網路,如將北部畫成一區、花蓮畫成一區以此類推。當子網的儀器偵測到地震時先行分析處理資料,比起處理全台的資料,較少測站的子網可有效縮短時間。其中預警子網是事先用人工方式分區,而虛擬子網則是在地震訊號進來時,電腦依收到設號的測站位置自動畫分子網範圍,可再進一步加速預警時效,得到更多預警時間。