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地震–生活中的未知與恐懼

人類對大地震的恐懼,主要是因它的強大破壞力,以及難以預測,一旦發生,又令人措手不及,無法逃避或防備。了解地質結構與地震行為,加強預警與建築強度,可減少對地震的恐懼。
 
 
 
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。
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