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地質調查新趨向:幫斷層把脈
從近年的地表變形觀測得知,我們的土地每年持續往大陸方向靠近,島內位移速度差異達每年數公分,活動斷層的能量正隨著時間累積。
 
 
 
地表上的觀測

自發射衛星進入太空以來,我們就廣泛運用衛星資料,從遠距觀察地球表面的現象與行為。透過遙遠的天空之眼,不但可以窺見地表的變化以及精算地表的位移,也利用衛星訊號在太空介質中傳播發生變化的特性,分析地球內部構造的改變而獲得許多進展。

近年來發現,在較大地震來臨前,電離層中的全電子含量(TEC)會大幅降低,可能是地震的前兆。不過,還需進一步知道地震可能發生在何處?有多大?台灣擁有嚴密的GPS 觀測網,隨著資料愈加豐富,加上相關研究的持續努力,或許有機會得到更進一步的訊息。

地表下的觀測

斷層在地表下的觀測方法分為化學性與物理性。化學性的方法是利用當斷層錯動引發地震發生前,由於岩盤受到擠壓產生破裂或壓力變化,所伴隨周遭環境流體、氣體性質、化學成分或同位素組成改變可能出現的異常現象。

這些地球化學變化常可以提供明顯的地震前兆,其中氣體成分的變化較為顯著與迅速,大部分是和熱水作用相關的氣體如氡、氦、氫、氬、氮、甲烷和二氧化碳的異常,以及溶於水體的陰、陽離子濃度的劇烈變化。也就是說,斷層活動在某些地區可能造成地下流體﹙水與氣﹚循環系統的改變而導致流體的混合,如果能偵測到這些異常,就有可能獲得地震前兆的訊息。

為了研判這些訊號可能反應的地震位置與時間,設立了幾個觀測網,累積了一些經驗與法則。經由斷層活動所造成的異常變化而劃分出各觀測站的異常反應範圍,當各測站的反應範圍出現交集,則地震可能會發生在交集區域。許多成功匹配的案例顯示,這些異常變化確實可以做為斷層活動與地震的前兆。

物理性的方法則是利用相當敏感的地殼變形監測儀器—埋設於地底下100~200公尺深度以下的井下應變儀,可以觀測到岩盤極微小的應變量,幫助我們了解斷層在地震前、後或同震期間的活動狀況。透過觀測應變速率在空間上三個維度的變化,推算該處在彈性地殼內的能量累積,估計可能由地震所釋放的能量,以探討其所具有的地震潛能。此外,透過地下水壓或水位的異常升降,也是可能獲得斷層活動前兆的方法。若地下水壓出現超出長期統計穩定的趨勢,便可利用與其他異常相互比對進行研判。

地表上的變形

斷層的活動會從地下推移表現於地表的變形,這些變形量往往各處不同,在地震事件發生的前後也可能產生異於平常的改變,觀測時必須考量各地區的地質條件不同,斷層角度、走向與地層厚度、屬性上的差異。因此,透過活動斷層區域大範圍的地表變形觀測,可以幫助我們了解區域內活動構造的特性與活動程度。

具效益且符合精度需求的大地測量方式是GPS測量及水準測量,這都需要定期且重複的觀測。觀測工作規劃在固定月分施測,用意是減少地下水位變化的干擾造成的季節性誤差,並視各斷層的活動度調整觀測時距。

目前分布在全台活動斷層區域的GPS移動點約八百多點、連續站350站,觀測資料經嚴密平差解算後,用來計算活動斷層區域水平方向與高程方向的滑移速率及應變場資訊。橫跨斷層的水準測線則有41條,總長度約1,100公里,精密的高程變動結果用來分析斷層上、下盤的相對運動。

近年來,持久性散射體合成孔徑雷達(PS─InSAR)差分干涉技術發展迅速,藉由衛星影像上可辨認且與地表相同的穩定標誌相位回波計算,使用短基線技術已可獲得公釐級的干涉精度。這種方法可以獲得2張不同時期影像在觀測期間地表的位移,取得大區域面狀的高程方向變位訊息,對於以往沒有施測的區域顯得相當重要。變形結果在與大地測量資料比對後,一樣可以提供高程方向的變動訊息,有助於釐清可能的孕震構造在不同時期的應變累積與轉移情形。

在整合GPS測量、GPS連續觀測站、精密水準測量及持久性散射體合成孔徑雷達差分干涉資料後,進一步配合地質調查資料,可建立合理的二維及三維斷層模型。其次重複比對斷層模型反算值與觀測資料,可據以對活動斷層地區進行斷層參數反演,以獲得區域內活動斷層的地下形貌及震間滑移速率,探討各發震構造如活動斷層、盲斷層及地震活動密集區的活動特性,以及評估各構造的滑移速率與活動潛勢。

活動斷層潛勢評估

對於活動斷層的潛勢評估,參考日本地震研究推進本部及美國加州的經驗與做法,蒐集調查文獻資料進行分析,借助專家的意見合理分配權重,求取重要的斷層參數如斷層長度及分段(斷層破裂長度會直接反應於地震規模)、斷層幾何形貌(斷層傾角、破裂深度)、斷層機制(斷層移動屬於逆衝、左移或右移型式)、滑移速率(短期、長期)、滑移虧損率(能量可能由斷層所吸收)、單一地震事件位移量、最大可能地震規模、最近一次活動時間等,最後統計及邏輯分析各主要斷層的活動特性以製作活動潛勢圖。

由於斷層活動引發強震的再現周期通常長達數百年至千年不等,間震時期斷層活動反應到地表的變形速率也很緩慢,如何把短期的觀測資料轉化為有用的資訊,已經成為重要的方向。這是屬於長期性的研究工作,若觀測時間不足,評估會損失準確度。不過,隨著調查與觀測資料逐漸累加,可以確定的是,這些連續而精密的觀測時間序列讓建立的模型有機會接近真實世界的現象。

未來仍然需要在已有的基礎上持續努力與研究,不斷修正結果,適時提供給地震防災減災使用,成為擬訂公共安全與疏散計畫的依據。日本311地震的經驗告訴我們,既然地震必然在未來來臨,只有面對並減少損害,才有機會在最短的時間內重建與復原。

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