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集集地震帶來的功課及學習
1999年的9月21日的集集大地震,當年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。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。
 
 
每到九月,總是讓我們想起1999年的9月21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。
 
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。
▲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。

 
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。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,約為奈米等級的粘土礦物斷層泥,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。
 
臺灣車籠埔斷層鑽探計劃研究資料(圖片來源:馬國鳳)
▲臺灣車籠埔斷層鑽探計劃研究資料(圖片來源:馬國鳳)
 
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WCSD及2011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。
 
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。
 
責任編輯:郭啟東/國立中山大學
 
延伸閱讀:
「震識」部落格
來源 來源:
本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行
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