均向地震

 
2018/07/30 黃柏壽 | 中央研究院地球科學研究所     594
 
1999年9月21日凌晨1時47分,台灣全島均感受到嚴重搖晃,共持續約百秒,史稱「921大地震」,又稱集集大地震;地震起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模7.3,造成全台五萬多間房屋全倒,兩千多人死亡、失蹤,以及上萬人受傷,這是台灣在戰後最嚴重的地震,在台灣人民心中刻下無可磨滅的傷痕。

 

經過數年的規劃,從2004年起由中央大學地球科學系馬國鳳教授推動及主持的「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」正式開展,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,第一次由國內地震及地質學家主導進行地震源深鑽計畫,在台中大坑深鑽兩口井貫穿車籠埔斷層錯動帶,透過鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制;研究成果最後由馬國鳳教授與跨國團隊於2006年成功發表在《自然》(Nature)期刊上。

 

2006年「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」完成階段任務後,馬國鳳教授對車籠埔斷層的研究並未因此而結束。她想要更深入了解大地震發生之後,斷層是如何恢復原狀,因此選取台中大坑深鑽的其中一口井,分別於跨越921大地震斷層錯動帶的地下950公尺和1300公尺間共安放七處的井下地震儀,目的就是要持續追蹤車籠埔斷層的震後長期發展。由於位於深井的環境,背景雜訊小,可以偵測到很小的地震。馬國鳳教授研究團隊經過對井下地震儀長期追蹤,發現車籠埔斷層帶持續發生各種微小地震,所發生的地震訊號可以歸類成數種型態,研究團隊發現其中一種型態的特殊地震訊號「只有P波,沒有S波」。

 

地震形成的原因有很多種,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化以及地下核爆或其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。這群非常微小的地震(0或-1.5規模)的地震訊號與常見的斷層錯動形成的訊號(具有明顯的S波)特徵不同,經過持續的觀測發現,這些極微小地震的震源,全都來自車籠埔斷層面(921大地震斷層錯動帶)下方,且大部分都位於深度一千三百至一千八百公尺處的桂竹林層,岩層以砂岩與頁岩為主,含有豐富的地下水並具有高滲透性。

 

透過多種科學手段嚴密驗證後,馬國鳳教授研究團隊確認這些極微小地震是由地下水水壓引發爆裂所產生的,而這些微小地震的成因是當年921地震時車籠埔斷層錯動,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上流通,只能繼續累積在斷層滑移面下方,造成水壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」,才引發了微地震,造成大小約只有二至五公分左右的裂縫。

 

地下水水壓引發爆裂產生微地震的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。台灣車籠埔斷層的研究證明了「地震的發生與水的流動有關」,這是全世界第一次找到準確而直接的證據,發現地底下的裂隙(crack)與水壓的變化有很大關連性。研究成果於2012年由馬國鳳教授研究團隊發表在《科學》(Science)雜誌上。而此類型地震則由馬教授命名為「均向地震」(Isotropic Events),再次證明台灣研究團隊的實力,也提供了人類在地震研究上重要進程,作出科學貢獻。因此,台灣地震學界更感謝馬國鳳教授長期堅持專注921大地震車籠埔斷層破裂帶的觀測與探究並獲得重要的科學成果,針對單一實驗場址的研究成果先後發表於《自然》與《科學》期刊上在國內地科界為首例,短期內亦難以被超越,均向地震的發現不僅在地震科學上有所貢獻,更有其重要的科學應用的層面。

 

當前為解決能源需求各國開始大量開發頁岩氣(Shale gas),對地下岩層施加高壓流體。更因全球暖化溫室氣體問題,興起二氣化碳封存,把空氣中太多的二氧化碳注入地底下,降低碳排放,但因應人類對地球展開這些新形勢的地下入侵,安全風險評估一直付之闕如。透過看似不相干的921大地震車籠埔斷層帶“地下水水壓引發爆裂觸發微地震”的研究,經過井下地震儀的偵測,可了解地下流體的活動行為,科學家在此議題的持續深入探尋將可以減少二氣化碳封存及頁岩氣開採的風險,評估經濟開發對於環境的影響,減少對於環境的衝擊與破壞,另有更多的潛在應用等著科學家去發掘。

 

(本文由科技部「主題科學傳播」執行團隊撰稿)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學