2018年3月27日 星期二

挖掘古地震:找尋斷層活動留下的地震痕跡


文/圖:洪瑞駿、姜竣友

(編按:「斷層槽溝」是一種研究斷層在地表特性的方式,人工製造出地層剖面方便直接觀察,本文為兩位作者觀察六甲斷層槽溝後的科普文分享)

從斷層開挖槽溝找尋古代地震的紀錄,對筆者而言也是件新奇體驗!雖然說筆者的研究主軸為地震,但大多時間是跟那些上下抖動的震波圖為伍,很少有到野外親眼一看斷層的機會,尤其是有過地震活動紀錄的斷層。如果知道斷層在很短的時間(所謂很短還是至少有數百年)內曾活動並伴隨地震,這樣的斷層常會被歸類為活動斷層。從地質學角度來說,想要知道某條斷層究竟有沒有活動紀、是否屬於活動斷層,或想了解過去斷層活動的頻率,最直接的方式就是「眼見為憑」:直接開挖,一探究境!


斷層活動與地震
由於板塊運動的緣故,大地承受著相當大的應力作用。以台灣來說,菲律賓海板塊每年大約以8公分的速率擠壓台灣,這樣的速率大概跟手指甲生長速率相當,雖然看似很慢,但放著不管一下就累積了很多移動量。當岩石受到板塊作用的力量擠壓時,一開始會撓曲變形,而外力若持續作用,岩石最終還是會斷裂,形成斷層,而岩石破裂瞬間所釋放的能量即是地震。試想,當我們握著一支尺的兩端並開始擠壓,尺便會開始撓曲; 當擠壓的力量過大時,尺會斷裂並產生震盪,這樣的震盪就如同斷層活動發生地震。

依據斷層活動的特徵可以將斷層分類如下,並如圖一所示。
  1. 正斷層(normal fault)
  2. 逆斷層(reverse fault),不過我更常談這分類之下的「逆衝斷層」(thrust fault)(1)
  3. 平移斷層(strike-slip fault),有時會譯作「走向滑移斷層」
圖一,斷層的主要活動形式。由左至右為地塊相互擠壓形成的逆衝斷層(reverse fault),相互遠離而造成陷落的正斷層(normal fault),以及在水平面上滑動的走向滑移斷層(strike-slip fault)CreditUSGS

我們暫且把以上的分類想成是理想情況、又或者是簡單的三軸分量,因為在真實世界中,斷層經常會有一種以上的活動特徵,例如去年造成重災的美濃地震,它的斷層活動就是以平移為主並帶有逆衝的分量(簡單來說就是上述的2+3,但以3為主),這也是台灣最常見的斷層型式。了解不同類型的斷層活動,搭配斷層長度、活動週期等其他資訊,能幫助地震學者計算斷層活動機率並評估危害程度。

什麼是活動斷層?難道有「不活動」的 斷層?

前面已提到,斷層就是地層破裂並出現相對移動。因此看到斷層,就意味著這邊一定曾有過斷層「活動」!不過,隨著時間演變、地質條件也會慢慢改變,讓斷層活動的外力並不會一直都在。有些原本會活動的斷層,會因為失去大地作用力而不再累積能量,最終不再活動,可以想成斷層「死掉了」。另一方面,有些斷層因為適當的大地作用力條件下,仍可以繼續累積能量,因而可以預期將來的某一天,斷層會再次發生地震、釋放能量,這樣的斷層我們便稱作「活動斷層」。當然,這樣的講法還是有點籠統,因此科學家會給予更精確的定義,以台灣來說,依照中央地質調查所公布的活動斷層定義,這些斷層必須要是十萬年以來有活動證據者。若是有一萬年來的活動紀錄,地質調查所會進一步歸納為第一類活動斷層;若是一萬年~十萬年間活動者,則稱為第二類活動斷層。

十萬年很久嗎?其實一點也不,事實上,地質作用十分緩慢,慢到你常會忘了它有在作用。板塊僅以每年數公分的速率移動,要是沒有現代的測量技術隨時監測,我們也很難發現板塊的運動;而若是要探討顯著的地質變化,往往是用百萬年作為時間單位來計量。所以和整個地質歷史的尺度相較,一萬~十萬年這樣的時間或許只是算是一瞬間、而地震活動甚至短到不可想像。
以下列舉一些可以定義活動斷層的方式(滿足其中一項即可)
  • 有潛移行為者(例如池上斷層)(2)
  • 有歷史地震發生者(例如集集地震的車籠埔斷層)
  • 透過地形監測確定有變形者(例如彰化斷層)
  • 有地質證據證實斷層曾經在上述時間區間內發生過。
除了上述第一、二類活動斷層外,還有一種稱為存疑性活動斷層,也就是說這些斷層的特性還有討論空間,或者是在地表難以確認它的存在,其它諸如「到底是不是斷層?」「是否真的有十萬年內的活動紀錄?」……等等。遇到這些現象,地質學家通常就以虛線表示之,圖二標出了根據這些活動斷層分類評估後,定義出來的活動斷層。
圖二,中央地質調查所公布的台灣活動斷層圖。本文所指槽溝的目標斷層即是17號六甲斷層。

剖析斷層的利器:斷層槽溝
開挖斷層槽溝,顧名思義便是在斷層帶上挖一個深槽(大約數公尺深),以分析斷層過去的活動紀錄了。然而這想來簡單,做起來卻不容易,首先,斷層淺部常被厚厚的沉積物蓋住,要確切定位出斷層帶(通常只有數十公分寬)位置,仍俱有相當的挑戰性。再者,斷層帶在淺部地層經常會散成許多較小的裂隙(3),亦或是…斷層帶根本沒有延伸至淺部的盲斷層(4),這些都使槽溝位置選取的難度增加。因此,通常地質學家在決定開挖之前,都需要進行許多評估,例如震波測勘、地電阻測勘、以及參考地質圖、地形資料等,然而即便如此,淺部幾十公尺~幾百公尺深的地層中,經常充斥各種雜亂的物質(例如土壤、人為回填土等等),加上地下水量不平均的干擾,讓斷層位置判斷增加些許難度。
此次槽溝開挖的緣起為嘉南農田水利會委託學者及顧問公司探勘六甲斷層,欲藉由觀察斷層帶上的紀錄,了解該斷層多久活動一次、最後一次活動的時間為何。斷層本身比鄰近的岩石較為脆弱,因此長期受力的作用下,地震便會在斷層上重覆發生。因此,計算斷層兩邊地層的相對位移量,便可以推估地震活動次數,以及最後一次的活動時間。圖三簡化表示了二次活動在地層紀錄中留下的痕跡:
圖三,從槽溝觀察到斷層,依照地層位移變化判斷古代地震的方法簡圖,詳細描述請見內文。
圖三的右半邊為現今看到槽構中地層剖面的示意圖,從地層的分布我們可以確認一件事:5千年前沉積的地層並未被中央的斷層「切過」,因此它的上方是平整的狀態,而其下方不連續的部分是1萬年前的地層,看起來它是有被斷層切過而造成兩側的高低落差,假若這個落差是由一次的斷層活動造成,那麼它就會是介於在5千年前至1萬年前的地震。接著我們把1萬年前地層中的高低落差(1.8m)拉到1萬年前齊平的狀態後,就會得到左圖,接著再分析下方5萬年前形成的地層,就會發現下方5萬年前的地層「還有1m的高低落差」,當然,如果這是另一次斷層活動所造成的,就代表在介於1萬年前至5萬年前之間,還有一次地震。因此當我們固定測量基準面,計算地層的相對位移量,搭配地層厚度、斷層面角度資訊,可以回推每一次的地震錯動量,以及地震發生的次數。通常學者會將該斷層每一次的錯動量平均,得到大致的地震回歸週期(也就是該斷層隔多久會釋放一次地震)

六甲斷層槽溝
所以說了這麼多,我們在六甲斷層槽溝究竟看到甚麼? 首先,六甲斷層是一條長達21Km逆衝型盲斷層。近日由黎明工程公司於烏山頭水庫庫址開挖槽溝(圖四),而地質學家便會在槽溝中尋找蛛絲馬跡,推理過去發生的地質事件。

在大多數的情況中,越下方的地層,年紀越老(除非有些地質作用讓地層倒轉過來,但這次的例子是沒有的),所以我們的故事會從底層最老的地層說起。整體而言:從老到新的地層傾斜程度逐漸變緩,這告訴我們老地層經歷更多的外力作用而變得更傾斜,可推知抬升作用不斷的進行。地層的成分可提示我們該區域過往沉積環境:底層含較多的泥質成分,代表這地區過去可能是湖泊或是較寧靜的水域等搬運能力較弱的地方;而淺部含沙量較高的成分則表示當時沉積環境為搬運能力較強之環境,如氾濫平原或河流(圖四、五)。將以上故事搭配定年的結果,我們將可建構出地層沉積史,解釋古代環境的變遷。
圖四:黃線以下顏色較深、顆粒較細,為靜水沉積環境;以上顆粒較粗、顏色較淺,為河相沉積環境。紅色圈處透鏡狀的沙層為典型的河道截切面。

圖五:藍色圓框處為古代植物根部生長留下之痕跡。黃色虛線處上方為回填土層。紅框處為代表古河道剖面的透鏡狀沙層。綠色實線代表地層走勢。

至於地震留下的痕跡則要回到構造解釋了,學者觀察到在地層中有廣泛分佈裂隙充填構造,這可能是由於地震或褶皺作用造成地層產生裂縫,進而填入其他物質。而在淺部的地層中有一層泥質薄層有著明顯的扭曲(圖六),可能是其在尚未成岩時遭一次地震事件的擾動。
六:()淺部受擾動之泥層(紅色圈內),可能為地震事件造成。泥層上方紅磚,可約略推估該處地層極為年輕。() 裂隙充填所造成之條紋(箭頭處),可能為地震擾動形成的。
 那造成地震的斷層在哪?先別急,前面提到了六甲斷層是盲斷層,加上許久未錯動產生地震,槽溝並沒有看到斷層本身。不過,地層卻留下了印記,除了前述的資訊,加上在短短六十公尺內,地層傾角由8度陡增至60(圖七),也暗示著這裡曾有過數次斷層活動,這樣驚人的地層變形,連資深教授都嘆為觀止。初步判釋,這樣的變形應該是在過去9000年內由多次的地震等作用造成,當然不排除近代歷史地震的貢獻。而根據歷史文獻紀載:166117361862年台南皆有大地震的紀錄,其中1862清朝台南大地震是台灣19世紀傷亡最慘重的地震,推估規模達6.7,其位置與六甲斷層十分接近(鄭世楠,2014塵封的裂痕-歷史地震第二講ppt 4751),現階段研究仍在進行中,我們期許構造所留下的地層證據有機會提供更完整的解答。
圖七:地層傾斜變化,由西向東地層由平坦的8度陡增至近60(取自嘉南農田水利會六甲斷層報告書)


雖然,由槽溝觀察斷層的分析結果,還需要一段時間的研究才會出爐,但毋庸置疑,六甲斷層是個活躍的活動構造,也是未來台灣的地震威脅之一。像這樣的斷層分析需要有更多的研究投入,而台灣的地震危害潛勢及評估仍亟需各方人力共同努力與推廣。

特別感謝:高嘉謙博士生及黎明工程顧問公司。提供重要的斷層資料與指正,使本文更臻完善。


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