由小看大，長微震中找尋大地震前兆

文／阿樹  《震識：那些你想知道的震事》副總編輯

(編按：本文參考自此新聞進行編修，由於研究者為臺灣科學家，提供了較詳細的說明)

地震真的無從預測嗎？目前純就科學的角度，的確還做不到。然而相關領域的科學家卻未曾放棄對地震前兆的研究。一份由美國西北大學為首的地震團隊最新公布的長微震研究結果，讓未來的地震預報(forecast)見到一線曙光，最特別的是，這項由跨越多國學者、 八個研究機構合作作出的研究，採用的地震資料來自於臺灣。

什麼是長微震？

在細談本篇研究之前，我們必須先認識一種特別的地震現象：長微震 (tremor)，如果用google 搜尋”tremor”，你會看到這個名詞在醫學上所指的是一種顫抖症，換句話說長微震和我們一般感受到的地震不同，它多半只會產生極微弱且連續的地震波，不至於造成地面搖晃。這種微震在火山區一般被認為和岩漿或熱水活動有關，稱之為火山長微震 (volcanic tremor)；而如果是在非火山地區，則多見於板塊隱沒帶的邊界深處，一般稱為非火山長微震 (non-volcanic tremor) 。長微震屬於慢地震的一種(註1)，慢地震的震源一般位於快速破裂的普通地震和持續移動的無震滑移 (註2)間的斷層帶上。 

非火山長微震首次被偵測到，是在2002年日本西南部的南海(Nankai)地區，之後在全球主要板塊交界處都被陸續偵測到這種現象。而台灣最早則是在2008年才在中央山脈南段發現到觸發型長微震(triggered tremor)，其後學者才開始展開對台灣自發型長微震(ambient tremor)的研究(註3)。

近十年來地震學家開始對長微震產生高度興趣，主要原因是長微震對微小的應力變化極為敏感。例如長微震可以被地球潮汐或數千公里之遙的地震產生的極小應力變化所誘發，此力道遠小於一個大氣壓力或約等同用手掌互相推擠的力量。科學家研判透過觀察長微震，有機會能推測鄰近斷層發生地震的可能性。

所以這個研究到底有什麼值得關注的地方？

這篇發表在美國地球物理研究期刊( Journal of Geophysical Research: SolidEarth)上的研究，主要在分析2010年3月高雄規模6.4的甲仙地震前後，能否偵測到長微震的異常變化(圖1)。該研究的第一作者趙子凱(Kevin Chao)為美國西北大學的數據科學家(Data Scientist)，他與多名國內外著名的研究團隊(註4)合作發現，該次地震前約2個月和3週前，長微震的模式產生了變化(圖2a綠色部分長微震累加率cumulative tremor rate及圖2b藍色部分長微震現象的再現週期tremor recurrence；垂直虛線與紅線之間)，GPS(全球衛星定位系統) 的位移觀測資料也同時出現了巧合的關聯性(圖2a黑色空心圈的觀測值)。

圖1，此研究所鎖定的區域與該地區的長微震，星號為較大的地震，其中黃色星號(圖例中以藍色文字標記)是此研究發現與長微震活動有關聯的地震，而黃色圓圈是自發型長微震。圖片來自此研究發表在期刊上的文章(Chao, et al., 2017)。

圖2，此研究的長微震變化行為。(a)為長微震累加率和GPS位移關係。(b)為長微震再現週期的變化。圖片由研究第一作者趙子凱提供。

過去幾年早有科學家觀察到大地震前長微震會產生異常的現象，但大多僅從分布上探討，而這篇研究則成功地連結了地表GPS的觀測資料，利用第二種資料的佐證，讓我們得以進一步分析這些長微震和大地震的的關聯。研究中除了選擇2010年甲仙地震的主震(圖3a)，也選了其它幾個較大的餘震分析，發現在隔年一月底規模4.2的甲仙餘震發生之前，也可觀察到長微震異常的現象，GPS訊號中同時也看到位移方向的變化(圖3d)。不過，在另一個2010年7月規模5.7的餘震前後卻沒有發現微地動異常的情況，研究團隊傾向認為這次地震距離主震時間較近，長微震的分布可能還是受到先前甲仙主震的影響(仍較活躍)，而到了隔年其影響較低，而使得規模5.7地震震前產生的應力變化無法影響到長微震的活動度。

圖3，此研究所觀測的五次地震與長微震活動/GPS資料的關係。圖例與圖2(a)類似，綠色線段為長微震累加率，長條圖為長微震的活動程度(持續時間)，白色空心圓圈為GPS的位移資料。圖片來自此研究發表在期刊上的文章(Chao, et al., 2017)。

有些研究慢地震的科學家希望把長微震及慢滑移事件(slow slip event, 亦為慢地震的一種)作為偵測地下應力狀態的應力儀(stress meters)，只要找到方式量化此種現象，並找出與大地震有規律且具統計意義的關聯性，某程度上就能作短期預測及預報，但事實上統計處理並不容易，就算是這篇研究也還沒辦法完全解決這問題。不過這項研究至少找到兩者之間的關聯，並成功從物理上解釋結果，仍然在某種程度上提高短期地震危害評估的精確度，舉例來說：

• 已知某斷層在未來數年(中期預報範疇)有高機率發生規模6.0以上的的地震，如果其鄰近斷層開始觀察到長微震出現異常，GPS資料也出現異常變化 (甲仙地震當年情況即是如此)，則可推論該區域短期(大約數個月內)發生地震的機率高 (當然，類似的地震預報僅在科學研究而非實用階段)。

雖然前述必要條件使得此推論模型無法試用在多數的地震帶，但對於具有許多長微震與強震高風險的區域，例如北美的卡斯卡迪亞(Cascadia)、日本的南海(Nankai)地區，則提供了短期地震預測評估的珍貴參考指標。

參與此研究的學者專長領域包括數據科學、地震學、大地測量學、地球物理等等，我們也可想見未來研究地震預測的議題會需要更多跨領域的專家攜手合作。雖然這項研究還稱不上已找到解決地震預報的最佳方法，但卻是一項結合力學理論和觀測統計的新嘗試。

註1：一般地震持續的時間長度約數十秒到數十分鐘，而慢地震(slow earthquake)的長度則可長達數小時到數個月不等，也就是能量的釋放方式較為和緩，但儀器仍可觀測到訊號。慢地震可簡單區分為兩種類別：一是能被地震儀記錄到的長微震、低頻地震(low-frequency earthquake)及超低頻地震(very low-frequency earthquake)；另一類是僅能被GPS或其它大地測量儀器觀測到的慢滑移事件(slow slip event) 。

註2：簡單來說就是斷層穩定滑移 (stable sliding) 且不會有地震，參見本站對潛移斷層的介紹

註3：臺灣的長微震的研究以國立臺灣師範大學的研究團隊為主。

註 4：共同合作單位包含了我國的中央研究院、中央氣象局、成功大學，日本東京大學、美國喬治亞理工學院、曼菲斯大學及美國地質調查局。

註 5：關於地震危害(earthquake hazard)與風險(earthquake risk)，可參考這篇科學月刊的文章。

參考文獻：

Chao, K., Z. Peng, Y.-J. Hsu, K. Obara, C. Wu, K.-E. Ching, S. van der Lee, H.-C. Pu, P.-L. Leu, and A. Wech (2017), Temporal Variation of Tectonic Tremor Activity in Southern Taiwan Around the 2010 ML6.4 Jiashian Earthquake, J. Geophys. Res. Solid Earth, 122, 5417-5434, DOI:10.1002/2016JB013925.

有關「地震」，學校該教什麼？從校園地震防災演講經驗談起

文／單信瑜      國立交通大學土木工程學系副教授

首先我先簡單聲明，我只是經常在各級政府機關和學校進行防災演講的講師，並非研究地震科學或地震工程的專家學者，同時，我對於目前國民中、小學的教育內容並不熟悉。我僅是利用自己對地震的基本認識、歷年蒐集的地震災害文獻與照片和科學和工程研究成果，做出演講的材料對政府機關人員和學校師長進行地震防災的風險溝通講師。

而這些年來我在全國各國中小校園的防災演講，總數應該有一百多場了，其中大概有一半的場次是以地震災害防救為主題，讓我有充分的機會透過和在場學員的互動，了解在國中小裡面老師們對於地震的基本認識和對防災的態度。而從上述經驗，我進一步整理了自己過去的防災教育策略，並以此文分享對防災教育的看法。

從防災教育研習經驗談起

一直以來，我在各級學校對教師進行地震災害防救的相關研習，都會問學員幾個問題，例如：「台灣歷史上死亡人數最多的地震是哪一場地震？發生在哪一年？有多少人死亡？」、「台灣有多少活動斷層？」、「距離本校最近的活動斷層是哪一條？」、「本校所在縣市或區域過去曾經發生造成重大災害的地震是哪一場地震？發生在哪一年？災情有多嚴重？」、「九二一地震有多少人死亡？」等問題，幾乎都沒有在場的學員答對過。

對於「台灣歷史上死亡人數最多的地震是哪一場地震？」我聽過的答案大多數是九二一地震，也有人提到過梅山地震、白河地震，但是三、四年以來只有一位現場的學員說過「關刀山地震」。

甚至於在新竹縣獅潭鄉、台中市后里區、台中市神岡區這些1935年新竹-台中地震重災區的學校，更是沒有任何一位老師知道這重要的地震。而我自己也是在今年初造訪獅潭國小時，校長告知有來自日本的師生到公墓亂草中找到紀念碑，拓下上面的文字，並帶領著我去看這個慰靈碑才知道。至於在后里、神岡的紀念碑則是其他場合偶然才得知的。

回顧我自己的教育過程，即使自認為是一個土木工程的專業人士，但在九二一地震之前的我，即使已經在大學任教，我也像是前述的演講對象一樣，對於台灣的地震災害歷史一無所知。前述的問題，我一個也回答不出來。

對我來說，這些年在演講現場的互動所累積的經驗，讓我對照到這些年在推動校園防災和縣市政府與鄉鎮市區公所防災工作面臨的困難。其中，最關鍵的就是在風險溝通上的困難，而呈現出來的就是學校師長與家長和各級政府災害防救相關業務人員對災害風險認知極度偏低。

多年前，當我剛開始接觸校園防災推動的相關工作和基層地方政府防災工作的時候，我有極強烈的感受，就是學校教職員和基層公務員都不重視防災。我可以想出很多形容詞來描述他們，例如：「沒有風險意識、不懂災害的可怕、不重視學生或民眾的安全、不願意負起應負的責任........」甚至於更難聽的描述，像是「不見棺材不掉淚」，而我認識的許多人還繼續在用這樣的話語來形容他們所接觸過的學校教職員和基層政府公務人員。

不是不重視，而是沒人教我們正視

可是最近以來，當我和一些伙伴們深入校園去演講，到各級政府去講習，不斷地經過訪視、訪談和他們接觸，並且聽其言、觀其行之後，讓我對很多自己過去的印象改觀。實際上，有許多人已經在他們的能力範圍之內，為防災工作付出了許多。上至縣市首長、局處長，一直到鄉鎮市區長，下至公所災防辦約聘僱的職員，或是學校的校長、主任、組長一直到代課老師。

那麼問題在哪？我可以明確地說，過去我們和基層的教職員和公務員的「溝通方法」不對，「溝通內容」也不對。當彼此間沒有很快地有效建立起基本的共同價值來延續之後的溝通（包括態度、知識、技能的傳達或訓練），那麼無論是研習、演講、座談、訪視，不僅都將是無效的，甚至於有可能造成負面的效果。

問題也不在態度是嚴肅還是輕鬆，我們可以詼諧、也可以不苟言笑，這些需因地、因人制宜，交互運用。關鍵在於需秉持一個信念：所有在場的人，都可能因為這一場演講或訪視而改變態度；進而影響更多人，更願意投入防救災的工作，透過有效的減災、整備、應變、復原，讓很多人可以保護生命財產的安全或者快速恢復安和樂利的生活。

沒有哪個人是我們無法改變或影響的，只有我們努力不夠、方法不對。要改變別人之前，我們要先改變自己。當我們要他人「易位思考」之前，我們自己必須先「易位思考」。就像是看到某些自詡為防災專家的人且曾經為高權重的人，不斷指責社會不重視防救災，開始批判起社會大眾和政府體系時，我也只能說他們看不到自己的盲點。當我們掌握話語權時，如果不能以足夠的、充分的科學證據和災害歷史數據來佐證自己的態度和理論與指導，光是拼湊堆砌出看似宏觀的空中樓閣，終究無法從根本打動人心，甚至於指出他們可以立即著手從自己可以做起的行動；其結果必然是落入怨天尤人的惡性循環。

帶入情境思考的防災教育

反省個人過去經驗，我發現，要進行防救災工作的教育訓練，首先必須進行風險溝通，強化風險覺察和提升風險認知。因此，當我在各級政府單位和學校的防災研習中，不再是以講授「災害防救法令與體系」、「地區災害防救計畫檢討與編撰」、「校園災害防救計畫編撰」、「校園災害管理」等為主要內容，而是以台灣的歷史災害和災害情勢切入，包括：九二一地震、新竹-台中地震以及其他的歷史地震，或者是莫拉克風災、納莉風災、八七水災或其他歷次颱風對於當地造成的災情，或是再加上以日本在東日本大震災、阪神淡路大震災的災情和處置來作為演講主題時，我發現以歷史災害來讓聽眾進入災害情境，進行風險溝通，然後再談災害防救工作，則是相對較能達到效果的。

因此，我的做法會是在這些演講中採用了許多鄭世楠教授整理的歷史地震資料，並引用馬國鳳教授團隊做的台灣未來地震危害度的預估。穿插了九二一地震、0206美濃地震的災害照片；設法從地震歷史、帶到地震工程、地震科學，再帶入地震災害管理、防救災作為，是較容易讓聽眾了解地震災害全貌和防救災工作的內涵與重要性的。不過這樣的內容往往需要兩、三個小時以上，才能夠稍具完整性。

圖片來源：臺灣新聞社編輯（昭和10年(1935)）。[昭和十年台湾大震災記念画報 臺灣大震災記念畫報]。《數位典藏與數位學習聯合目錄》。http://catalog.digitalarchives.tw/item/00/10/74/a3.html（2017/10/09瀏覽）。

鑑古知今是防災教育的良好素材

就個人經驗來說，地震災害的教育需要先針對學校的師長著手。拋開在基礎教育中已經有的科學內容，用大量的歷史資料，甚至於納入包括日治時期「昭和十年台湾大震災記念画報」的照片，以及「昭和十年新竹州震災誌」、「昭和十年台中州震災誌」的數據等，以及鄭世楠、葉永田教授等分析與彙整的相關資料，才可以讓現場的聽眾進入當時地震的情境，並了解台灣地震的頻率與規模和不確定性超乎他們的想像。

回過頭來思考，這些老師們和防救災業務人員們，一樣都是從我們的教育體制下完成國民教育，但是他們對於台灣的災害歷史卻幾乎一無所知。對於災害風險的認知僅及於個人或家人經歷的，因為缺乏災害歷史知識，所以媒體上報導的國外災害也並不會讓他們產生內在連結。所以，我個人認為要提升台灣民眾的防災素養，最重要的不只是各種防救災的避難疏散程序，最重要的是災害歷史。

非常感謝馬國鳳教授邀約撰稿，讓我有機會整理一下個人在近年進行演講的經驗。希望這些淺薄的經驗能夠達到拋磚引玉的效果，讓更多真正的地震科學與工程專家，以及在社會科學方面研究災害的學者專家，能夠一起蒐集並精鍊出更好的資料作為國民教育的教材；同時也能夠一起來參與學校師資培育或研習的課程，也參與對政府官員或一般民眾的演講。希望透過更多人的努力，更能夠深化全國民眾的台灣災害風險意涵，願意付出更多的努力和資源在個人或社會的災害風險降低(Disaster risk reduction)工作上。

地震如何致災？科學家如何知災？我們又該如何防災？

文／馬國鳳、潘昌志(阿樹)

地震可以說是「一瞬間的事」，那一陣強烈的搖晃不過數十秒，卻總帶來令人措手不及的恐慌。位於菲律賓海板塊與歐亞板塊邊界上的臺灣島，板塊運動在你我的腳下地殼不斷累積「能量」，當累積到承受不住時，就會尋找機會釋放出來，於是就發生了地震。

上述概念是地震學者或工作者常用來對大眾說明「地震是什麼」的說法，然而許多人遇到地震學家時，反而更常會問：「那麼何時能預報地震？」只是現在問這個問題似乎還太早了點，雖然預測地震是地震學家的終極目標，但能回答這個問題科學還在發展中，尚未問世。所以我們只能再退回一步的思考：地震是怎麼發生的？又是如何造成災害？

集集地震造成光復國中的校舍倒塌

從研究九二一集集地震談起

民國八十八年的九月二十一日，在接近臺灣島的正中間處，發生了規模7.6的強震。對多數的臺灣人來說，這天是近代地震對人們最深刻烙印，是災民們難以抹滅的傷通，而對一般大眾而言，那一瞬間雖已逐漸塵封到回憶深處，但地震當下的驚恐和對災情的震憾並不會比較少，而對地震研究者而言，地震儀留下的紀錄更成為份外沉重的研究課題。

逝者已矣，重點是活著的人還能做些什麼？以科學角度來看九二一，稍微令人感念的是，臺灣的地震學前輩們的真知灼見，在1990年代推動各種地震觀測站的建設(參見台灣發展地震預警的過往雲煙一文)，全臺各地設置了多達九百多部的地震儀，因而留下非常大量又完整的科學資料，這在當時的世界上也是罕見的珍貴資料。

 氣象局地震測報中心強震地震觀測網記下集集地震時的沿斷層的地震波形紀錄，數字代表地表振動加速最大值，單位為cm/s²，這些測站中有多數已超過七級(400 cm/s²)，而TCU129站更是超過1g(重力加速度)

接著，在後續的研究中，也讓科學家見識到超凡的大自然力量：地震造成車籠埔斷層地表破裂，短短四秒之間，斷層北段滑移了十五公尺之多，也就是說幾乎在一瞬間，地表就抬升了相當於五層樓的高度，可見地震的「力量」之大。再試想一下「摩擦生熱」的基本道理：這樣快速的滑動，斷層面上的摩擦作用將讓溫度瞬間上升到上百至千度，如此的瞬間高溫，讓斷層帶的物質產生物理及化學變化，進而「潤滑」了斷層面，更加大了滑移量和滑移範圍，斷層在地表破裂的長度也長達85公里。這些研究除了來自於地震波紀錄，還包括了地質與鑽井，在震後數年間我們從這世紀末的地震更進一步推進了地震科學。

還不能預測地震，不代表科學家對地震完全無能為力，我們還有些事能做，像是前述我們對車籠埔斷層破裂過程的了解，就結合了地震科學、地質科學、地球物理學的基礎資料收集與研究，科學家才能了解斷層的力學機制、發震機制進一步推估斷層錯動的模式(詳見斷層上的短暫瞬間：動與不動之處)，並以瞭解地下速度構造、場址效應的特質，了解地震波傳遞時的行為；我們也才會知道地震波至地表後的振動情況。

九二一集集地震在光復國中被斷層在地表抬升切過的操場，如今已成為九二一地震教育園區的展示區。

防震並不是只有預測這條主線，其它支線現在更重要

如果只有研究預測地震這條路，那我們就太「浪費」大自然給我們的訊息了。光是從地震波的資訊，我們就足以發展出地震「預警」的系統(詳見這篇和這篇)，不過，這只能用在地震發生當下的爭取逃生，我們還有更多的事情可做，譬如「地震情境模擬」。

所謂的模擬，當然也需基於科學的根據，現今的研究已知斷層面積、滑移量與地震的規模，有一定的尺度關係(這篇關於「潛移斷層」的介紹，有稍稍提及)。所以，以斷層的幾何資訊，就能估算其可能產生的地震規模，接著再代入許多科學數據與假設(包括從力學條件得到斷層在不同區段的錯動量差異，還有用來模擬地震波傳遞過程的地下速度構造等等)，便可得到地震發生時可能搖晃情形與情境。

「地震預警」目的在於提前告警爭取數秒，而「地震情境模擬」並不是在探討地震會在「何時何地」來襲，而是在地震必然發生的前提下，模擬地震情境以判斷不同地點的危險程度。而知道「地震來的最糟情況」去預先做好準備，對一般大眾而言，其實與平常會做的各種保險機制無異，像是遠離風險較高的斷層帶、選擇耐震建物、準備地震包和逃生計畫等等，在日常即有此思維並做好評估補強做起；多了幾秒預警時間的準備，減少大地震帶來衝擊。

如果把預防準備的層級向上提高，就是企業和政府層級。政府可根據情境模擬的結果推估受損和災防搶救方針，也可協助大眾檢視與提升建物的耐震強度。一般企業也可以分析了解其未來面臨地震時，可能蒙受的損失成本（包含因工廠產能停擺而需承擔的經濟損失），使地震危害及風險得以量化，納入其企業決策之中。

台灣未來五十年，最大地表加速度值達到0.23g （相對於氣象局震度五級）及0.33g （相對於氣象局震度六級）以上的發生機率。以機率表示等於代表各地遇到該震度搖晃的「風險。」

百年來的變化、十餘載的啟示

臺灣近百年傷亡最慘重的地震是1935年的新竹—台中強震，其次就是九二一集集地震，所幸九二一地震的發生時間在凌晨，倒塌最為慘重的中小學校舍並未釀成更重大的傷亡。而我們可以發現，雖然隨著科技和建築技術改進，倒塌的情況會逐漸改善，但隨著社會經濟的發展，人口的密度已與百年前不可同日而語，暴露於地震危害中的生命與財產成倍數般成長。當人們開始淡忘大地震的威脅時，風險正不斷提高中，至此不禁想提問：下一個大地震，我們準備到哪了？

要精準預測地震發生的時間位置，目前還不可能，然而由前段所述的地震預警與情境預估，已有些突破發展和技術整合，接下來我們再談深入一點。臺灣地震模型組織利用地震及地質資料，以機率式地震危害度分析技術，量化未來強地動發生之可能性，提供政府主管機關對重要場址（如：核電廠及學校校舍等）之安全評估。此外，藉由震源參數拆解分析，科學家可標定造成地震危害的主要震源。根據該震源特性，利用前項所說的地震波模擬技術，考量地震波傳遞過程的物理特性，估算該震源可能造成鄰近或目標地區的震度。政府機關則可根據該地建築物以及人口分布，擬定出因應此地震危害情境之措施，評估各地區之防災設施是否完善（如避難地點、醫院等）。

我們期許當地震來臨時，我們有更完善的準備，正視面對地震可能造成的危害及風險。地震防災工作需要各領域專家共同努力及合作，在科學上挑戰世界性的問題、提出新的理論，同時和世界上其他優秀的地震學家對話，以各國的經驗及資料，一起貢獻人類的地震知識。九二一地震後的十餘載至今，台灣地震學界與世界持續對話，分享經驗及一起面臨挑戰。科研成果與大眾的距離看似遙遠，然而地震災害本身並無差別待遇，地震研究需要紮實的基礎科學發展，以成就理論知識，有了知識才有更好的防災科技，譬如前述的「情境分析」。後續將與工程及資通科技專業合作，使其能有更有效的防災運用，得以服務人群。地震離我們很近、地震科學當然也離我們不遠，我們期許發揮這些知識，將其帶入科技、走入產業、也走入公部門及企業部門的政策，讓知識發揮更為入世的價值。