地震–生活中的未知與恐懼
92/12/11
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馬國鳳｜
中央大學地球科學系（演講人）
張志玲｜
《科學發展》特約文字編輯（文字整理）
地球是個活生生的星球，經常因為岩圈板塊的相對運動而發生地震。現今地球表面高聳的山脈，深邃的海溝，其實就是伴隨無數次地震，不斷累積地殼變形而造成。若要了解地震，須從認識板塊運動開始。
板塊運動引起地震
板塊構造學說認為，地球岩石圈裂成十數個有如拼圖般彼此密接嵌合的板塊，板塊與板塊間，持續相對地運動。現階段看到的大陸，在數十億年前曾經聚集在一起，之後又隨板塊運動逐漸分離。
位在北美洲板塊上的美國加州經常發生地震，這是因為，北美洲板塊與太平洋板塊的水平錯動交界線，有一部分恰巧經過洛杉磯與舊金山沿線而形成聖安得列斯大斷層。
在南美洲附近也有兩個板塊，一個往左走、一個往右走，造成很多地震。一九六○年的智利大地震，規模9.9，是二十世紀發生的最大地震，使整個地球持續振動好幾年，每個振動周期連續幾個月，而且，膨脹以後再扭轉回來的時間大約一個月。
臺灣與日本屬於太平洋俯衝帶，地震頻率相當高。臺灣地震是由菲律賓海板塊和歐亞板塊聚合（島弧與大陸碰撞）所引起；日本更精采，因為位在歐亞大陸板塊、菲律賓海板塊和太平洋板塊的三個板塊結合處，地震更為頻繁。
板塊運動造成地表形貌
地表上有很多地震活動都沿著太平洋板塊邊界走，形成一個環太平洋地震帶，如南美洲、加州、阿拉斯加、日本、臺灣、新幾內亞、澳洲、紐西蘭等都位於太平洋板塊與其它板塊碰撞的邊界。
若以板塊類型分，又有海洋地殼與大陸地殼之分。海洋地殼密度較重，發生碰撞時會往下俯衝形成俯衝帶，也會因為摩擦而產生地熱。這些地熱又造成了火山島弧，如日本群島及臺灣大屯火山一帶，這也是為什麼日本和臺灣有很多溫泉的原因。
大陸地殼又不一樣，當它們相互碰撞、擠壓時，會使地形產生不同形貌。以青康藏高原與聖母峰為例，這些高山不是無緣無故長這麼高的，主要因為印度大陸和歐亞大陸碰撞、擠壓，兩邊力量不相上下，最後向上推擠，將青康藏高原往上抬升，一直隆起，不但變成造山運動，還帶來很多地震。如二○○一年崑崙山發生規模7.6大地震，地表破裂四百公里，幸好當地人煙稀少，才未釀成太大災害。
雖然青康藏高原愈來愈高，但在地底下仍有山根，這是大地均衡構造的現象，也是青康藏高原的地質構造與板塊特性，更是當地引起全球地質學家研究興趣的所在。
臺灣地形豐富多變，南北長約四百公里，東西長約兩百公里。在此狹窄的經緯度中間，有兩個板塊常常運動，相互碰撞：一個是花蓮附近，向歐亞大陸板塊俯衝的菲律賓海板塊；一個是臺南附近，向菲律賓海板塊俯衝的歐亞大陸板塊。
這些板塊的俯衝、碰撞，造成許多擠壓；又由於擠壓，形成了高山、斷層。這是臺灣有許多三千公尺以上高山的原因。在這些斷層中，包括一萬年內曾經移動過的第一類斷層，與十萬年內曾移動過的第二類斷層。而且，受到菲律賓海板塊每年碰撞8.5公分的影響，臺灣地形變得愈來愈瘦，愈來愈長。
若要研究臺灣海峽與附近的海底地形，必須從立體面觀察。臺灣附近，南邊的隱沒帶較穩定，沒那麼活躍；北邊的隱沒帶較活躍，常因板塊碰撞引起地震。而附近海域地形有很深的海溝，也有一些島嶼，東北面的蘭陽平原則是沖繩海槽的延伸擴張。此外臺灣地震大都發生在花蓮外海，這是值得慶幸的地方。
一百年有四個大地震
根據古地震資料顯示，四百年來臺灣曾出現七、八次大地震。其中，嘉南地區大約每隔50年就有一次規模6以上地震。花蓮外海及臺中、新竹一帶也常發生地震。基隆外海在一八六七年時曾因地震引起海嘯。
臺灣地震紀錄中，二十世紀曾發生四次大地震，一九○六年、一九三五年、一九四七年各發生一次規模7.1地震，一九九九年九二一大地震，規模7.6，是二十世紀發生的最後一次大地震。
九二一地震中，地表上出現一百公里的斷層破裂點。破裂情形由南往北走，南邊止於一九○六年南投地震的破裂點，北邊與一九三五年新竹、臺中發生地震的破裂點銜接。九二一地震將車籠埔斷層未釋放的能量釋放出來，這是地震學家始料未及的。
當然，難免有人滿腹狐疑地提出疑問，既然知道累積能量，怎麼沒有預先通知會發生地震呢？就目前全球對地震預測的研究來說，要定點、定時地把地震訊息說出來仍有困難。若無把握指出地震發生的時間和規模，這類預測所帶來的傷害，將和發生真實大地震一樣的嚴重。所以說，地震預測不只在科學上有困難，在實際執行上也有困難。更何況，就算預測準確亦無法阻擋，地震還是會來。地震學家因而轉變研究方向，將更多心力放在如何降低地震災害的研究工作上。
地震的Ｐ波與Ｓ波
當第一個地震訊號進來時，如何研判這個震波會繼續形成，還是就此平息呢？這是即時地震學的研究範圍。發生地震時，通常出現兩個重要波相，第一個是初達波Ｐ波，第二個是Ｓ波，Ｓ波震幅較大，較易造成災害。在地震發生時，若以Ｐ波和Ｓ波的相對時間差乘上八倍，可約略推算出地震發生的距離。
臺灣地震大都發生在花蓮外海，如果能有很好的即時地震網，只要花蓮發生地震，且在第一個Ｐ波訊號進來的時候，就可立即做出地震定位，立即將訊息傳到臺北。除可掌握5～10秒的預警時間外，利用這段時間，還可從臺北發布示警訊號，提醒在未來的10秒鐘內會有另一個較強的Ｓ波進來，如此將可達到降低地震災害的示警作用。
只是在這10秒鐘內，人們又能做些什麼事呢？事實上，地震示警設備是針對都會系統的公共防災應變而來。例如，對高速鐵路或交通繁忙的捷運系統提出警告，要求工作人員儘快減速，或停止列車行駛；或是要求瓦斯公司，立刻關掉所有的瓦斯管線，防止伴隨地震而來的爆炸或火災發生等，以降低地震災害。
地震強震站發揮救命功效
九二一地震發生前六年，即一九九三年，我國已開始建置六百多個地震強震站，這是臺灣地震學者提出來的高瞻遠矚建議。他們根據歷史經驗研判，臺灣一定會有大地震，只是還沒有來，於是向交通部提出一定要做地震減災計畫的建議，希望在地震來時快速定出地震位置與規模，以便研判災害地區，快速建立都會防災體系。
目前六百多處地震強震站設置工程，在氣象局地震中心與眾多學者的密切配合下，已達到「一分鐘內地震定位，五分鐘內畫出地震震度圖」程度。九二一地震時，透過呼叫器聯繫，所有單位在一分鐘內收到地震訊息，救災人員手中的地震震度圖，就像災區地圖一樣，讓他們知道該去什麼地方救人。
九二一地震錯動量特大
全臺灣的二千多個寶貴生命在九二一地震中死亡，這個地震留下相當多的經驗與資料。如臺中大甲溪埤豐橋附近，最高垂直錯動九公尺大瀑布，就是一個打破世界紀錄的奇觀。九二一以前，地震引起的地表破裂最長只有三公尺，以全世界地震學家的了解，地殼所能忍受的最大極限應是四公尺。所以，九公尺錯動量的出現震驚全世界，它所造成的能量和速度相當不可思議。到底是什麼樣的力學造成這麼大的滑移量呢？
地震的發生相當複雜。學術上認為，地震在振動過程中會因摩擦而產生熱量，而斷層泥中的液體亦會產生潤滑作用。當斷層滑動時，整個滑動系統應是由裡面的摩擦阻力與熱力主導，再經由不同程度的滑移量，產生不同長度的錯動量。
對於斷層移動的整個過程，地震學家仍在研究中，現在無法很確切地了解細節。如果可以確切了解，就可知道地震破裂的開始和結束。大體說來，地震發生的整個過程是一種非線性且不規則的錯動，而且，是一種物理學上所謂的渾沌現象。
至於造成地震垂直錯動量的滑移量力學研究，也是正在進行中的研究。科學家們除要了解地震破裂的開始和終止以外，也要了解地震的物理特性，如此才有辦法做好真正科學上的地震預測。
錯動量地上9公尺地下15公尺
地震發生以前，會先在地底累積能量，一旦應力無法承受時，才將能量釋放出來。許多衛星測量站均可提供地底能量的累積資料，地震研究者即依據測量出來的相對速度場，計算出地底每年累積的能量。只不過，究竟能量累積到什麼程度才會釋放出來，目前仍無解答。
科學研究人員根據九二一強震資料、衛星測量資料和斷層底下的活動行為加以計算後發現，那次地震的錯動量，全部發生在淺層，除地表上的9公尺以外，地底5公里處另有一個15公尺錯動量。
現在地震學家打算在車籠埔斷層北邊（大坑）鑽一口深井，主要想了解，到底在地底下有怎麼樣的力學原因，會造成15公尺這麼大的錯動量。這也是我國與全世界科學家欲了解大地震原因的一項重要計畫。
在未來，我們可利用強震站資料，評估每一個地震發生的情形，再依地震規模與斷層長度，進入經驗公式推算，計算出的數據，可配合高速電腦運算和細部地下構造與震源特性，完成地表地動預估，以提供各工程單位作為設計防震工程時的參考。
地震有重複性
在九二一地震中，地震波的傳遞情形是：剛發生地震時，地底能量從集集出發，15秒後到達臺中；因在臺中附近累積近10秒，因此在當地造成災害；隨後，再往北傳，於豐原處轉彎，能量又再度累積。
從累積和計算訊息當中，科學家獲得了一些答案。例如，那麼大滑移量的物理機制在哪裡、力學原因在什麼地方，甚至還計算出地震的摩擦力行為，並進一步了解地震發生的原因，它是如何開始、如何終止的。
為什麼車籠埔斷層在豐原處轉彎呢？因為地震破裂是沿著錦水頁岩弱帶錯動。只是，為什麼地震從集集出發呢？這個疑問現在仍無答案。
地震學者根據研究資料大膽推測，如果兩百年後再發生類似九二一大地震，其路徑將和這次一模一樣。因為，臺灣和菲律賓海板塊的碰撞形貌是可預估的，包括從地質學家鑽井的古地震中可看出來，地表地形北邊不斷地提升，代表北邊一直有著很大的滑移量。學者們也發現，地震的發生行為有重複性，它的重複行為與地質形貌和板塊運動有很大關連性。
防災準備比地震預測重要
只要地震波延滯時間愈長，就愈能知道地震有多遠，規模有多大。當我們接到地震訊息時，先觀察Ｐ波的大小。如果愈來愈大，可能是個大地震；如果不太大，可能是個小地震；如果震幅變大，時間延滯較長，可能將有一個大地震發生。由此可知，每一秒鐘的地震訊號都能帶給地震學家一個適當的判斷與參考。
另一項重要的地震防災工作屬於建築物部分。建築物最怕地震時的共振現象。地震一來，震幅愈搖愈大，建築鋼筋有可能無法承受，甚至因為巨大的摩擦熱而軟化，更嚴重時大樓會倒塌。臺灣經常發生地震，所以，請結構工程師為建築物做更堅固的防震設計，或加裝可吸收地震能量的設備等，均可達到降低建築物搖晃的目的。地震學者的重要任務之一，就是提供訊息給工程單位，請他們規劃最適當的防震設計。
只是，這樣的做法仍然不夠，必須加上建築法令適時的修改。因為，結構工程師只能根據建築法規設計施工。萬一出現新的防震需求，建築法規必須跟上腳步，完成法令修改，才能讓工程師合法施工，使建築物保持在安全狀態下。
學習與地震共處
生活在地球上的人們，將無法避免地震帶來的威脅與問題。臺灣地震這麼活躍，似乎沒什麼地方能避免大地震的發生。但大家切勿恐慌，經驗告訴我們，人類在臺灣土地上生活並非最近幾年的事，以前的人可以和地震一起生活，現在科學更進步，應該可以做更多的防震準備，以學習如何與地震共處。
至於如何與地震共處，美國的例子值得借鏡。一九八八年，美國加州發生規模4.8地震，之後，居民紛紛要求地震學家提供訊息，學校更要求小朋友隨身攜帶一個包包，裡面須準備等候救援時果腹充飢的小餅乾、家人照片和一個小娃娃。如果學校發生問題，這些照片和小娃娃可以撫慰心靈。
遇到地震時，臺灣人顯然不致如此緊張，但應了解，美國人民對地震的警覺與求知觀念值得學習，他們的心理準備和認知是正確的。
科學是一種生活的態度，是一種運用邏輯思考的方法和追根究柢的精神，去解決在日常生活上和宇宙探索中所遇見的問題的態度。為了讓社會大眾了解科技發展的趨勢，由國科會主辦，中央大學理學院科學教育中心承辦的「2003展望系列演講」於焉誕生，本篇為春季「生活科技」系列92.05.16第五場講座的演講實錄。
