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那些科學家努力破解集集地震的「震識」

斷層破裂看似瞬間的事,但其實斷層上的能量早已累積了幾百年,最終在地栓(asperity)破裂開來。九二一集集大地震二十年後,科學家對於斷層如何慢慢累積能量、釋放能量,以及斷層錯動機制有多少了解了呢?這二十年累積的研究,可以如何幫助我們提供防災效益呢?
 
 
九二一集集大地震二十年後,科學家對地震了解多少?(圖/fatcat11繪)
▲九二一集集大地震二十年後,科學家對地震了解多少?(圖/fatcat11繪)
 
或許你我都還記得九二一當下的震憾,但你可能不清楚,在1999年9月21日1時47分15.9秒,斷層破裂的那瞬間,在震央下方的八公里深處的斷層面上,到底發生了什麼事?本文將帶領大家穿越到那一刻的那個地方。
 
從斷層裂開的那一瞬間談起
 
雖然集集地震始於車籠埔斷層破裂的那一刻,但斷層上的能量卻早在數百年前開始累積。和臺灣島上多數斷層一樣,車籠埔斷層累積的能量來自於菲律賓海板塊和歐亞板塊的持續擠壓,部分的能量便傳遞到斷層上那些特別容易「卡住」的地方累積,這些地方稱為地栓(asperity)。地栓即是斷層破裂的起始點,破裂隨著時間往北往南擴張,並一路從地下撕裂地層到地表,造成了地表高低落差,最大落差可達10公尺。如果斷層正好在你旁邊,另一側的地表瞬間長高三層樓,這是多麼驚人的事!
 
九二一大地震時,光復國中被地震抬升、錯動的操場跑道。(圖/Momom Liu,https://www.flickr.com/photos/momomliu/57900775)
▲九二一大地震時,光復國中被地震抬升、錯動的操場跑道。(圖/Momom Liu,https://www.flickr.com/photos/momomliu/57900775)

斷層活動可以說是裂開,也可以說是滑動,就跟我們在理化實驗室推著木塊克服最大靜摩擦力後的滑動一般,只是在斷層上,滑動的現象是源自岩石和岩石之間的摩擦。當地震斷層滑動時,除了把斷層面上的物質磨碎成「斷層泥」,斷層面上「摩擦生熱」產生極高溫,可達攝氏1,100度,使斷層泥熔化形成「假玄武玻璃」(一種在瞬間高溫才會形成的礦物),再加上滑動的摩擦,使礦物達到奈米等級的細顆粒。
 
礦物的世界中,奈米是很小的尺度;巧的是,斷層的世界中,車籠埔斷層只有幾公分的超薄斷層帶,也算是極小尺度。或許,你會覺得地震波釋放的能量很大,但實際上,轉換成地震波的部分較少,反而大部分的能量都聚集在斷層面的摩擦之上,並以釋放熱能為主,身為人類應該倍感幸運,若斷層累積的能量都變成了地震波,那麼地震將會更可怕。
 
上圖表示隱沒帶和斷層面上常有的地栓分布,而下圖是集集地震後利用震波回推的地栓位置。集集地震的破裂過程大約只有2秒鐘,一開始是南段星星標記的震源附近,隨後則是北側滑移量最大的地方,這也解釋了為什麼北段較南段有更大的地表變形量與震度分布。(圖/潘昌志製圖)
▲上圖表示隱沒帶和斷層面上常有的地栓分布,而下圖是集集地震後利用震波回推的地栓位置。集集地震的破裂過程大約只有2秒鐘,一開始是南段星星標記的震源附近,隨後則是北側滑移量最大的地方,這也解釋了為什麼北段較南段有更大的地表變形量與震度分布。(圖/潘昌志製圖)
 
地震後,科學家開始趕作業
 
其實,集集地震對當時的科學家是「意料之外卻也是意料之內」的地震,意料之外指的是因地震的認識還不足而未料想到這位置會發生地震,意料之內則是地震學領域的前輩在1990年代初期就發現,臺灣強震潛勢高,有必要在全臺設置高密度、高品質的地震儀,尤其是針對大地震的劇烈震度所設計的強震儀,果然在這幾年設置的強地動觀測網,在1999年就派上用場了。因為當時國際上少有這樣的計畫和資料,因此集集地震的寶貴資料,讓國內外科學家又更進一步認識地震。如果說之前我們對規模大、震度大的強地動觀測,像是用肉眼看螞蟻的話,那麼集集地震的資料就是幫助我們用顯微鏡看清螞蟻的腳一般能抓到細節,因此從地震波我們可以解析斷層錯動機制的細節。

另外,臺灣車籠埔斷層鑽探計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP),更是直接把鑽井開挖到數千公尺下的斷層滑移帶,讓我們能看得見前述的「公分級斷層帶」加上「奈米級斷層泥」和裡面的假玄武玻璃顆粒。之後,科學家再利用兩口鑽井進行實驗,首先是在其中一井中注水、另一井監測,觀察斷層帶中的孔隙流體變化,由此發現了斷層帶的孔隙很小,推論出斷層在摩擦升溫時除了改變微觀的礦物成份,巨觀的物理特性也有了極大的變化,這些結果都是用來評估斷層釋放能量的重要依據。最後,科學家在井中擺放了地震儀,想長期監測大地震後的斷層帶如何慢慢累積能量,結果又發現了斷層中的微震和地下水壓力變化有極大關聯性!
 
TCDP鑽井中,可以看到不止一層的斷層泥的,代表斷層經過多次的滑動,每次都會形成一條新的斷層泥帶(右下),而圖中每一個條帶約莫只有1至2公分。在鑽井取樣過後,又在井中安裝了地震儀監測微地震,發現了地下水壓變化造成的特殊微震。(圖/潘昌志製圖)
▲TCDP鑽井中,可以看到不止一層的斷層泥的,代表斷層經過多次的滑動,每次都會形成一條新的斷層泥帶(右下),而圖中每一個條帶約莫只有1至2公分。在鑽井取樣過後,又在井中安裝了地震儀監測微地震,發現了地下水壓變化造成的特殊微震。(圖/潘昌志製圖)
 
地震之所以至今仍難以預測,是因為我們對它的發生細節有太多未知,而這些未知又難以測量,而集集地震大量的地震動觀測、地表破裂帶以及地下鑽探與實驗的資料,可以說科學家極盡所能地蒐集可用資料,不讓地震揮一揮衣袖就走。前述的每項研究、所有地球科學界針對集集地震的探索,都是在盡可能地為未來鋪路,我們不確定將來是否真的能預測地震,但可以確定,若希望預測地震,提出跨時代的理論,並以跨時代的資料量作為依據或佐證,是絕對不可或缺的。

在有極限的科學下極大化防災效益
 
從科學的角度來看,大自然的多變與不確定,使得防災上沒有所謂的「完全準備」,不過這二十年來對斷層與地震的研究,讓我們可以做到兩件事:
 
1.地震發生潛勢和地震動潛勢的評估
 
當我們對斷層累積與釋放能量的過程越了解,加上其他地質學與地球物理這數十年來的研究成果,可以評估出「未來30年斷層的錯動機率」和「未來30年可能的最大震度」,這雖然沒有立即性的防災效益,但若能應用在國土規畫或防災資源分配,就可以更有效率地運用有限的資源。
 
2.對「地震情境」的模擬
 
在本文的第一段所說的「斷層錯動時發生的事」,便是以情境模擬的方式來推敲斷層真實發生地震時的情況,接著,利用「臺灣地震模型」團隊對於臺灣地下構造的分析,科學上已經可以更精確地展示「當地震發生時各地的搖晃情況」,有了這樣的結果,便能針對特定的事件做評估,像是重大工程建設、鄰近都市的震源區等,都能以此為基本提供防災建議。
 
圖中為2016年南臺灣地震後由震源參數模擬的地震動歷程變化,這是藉由電腦由目前已知的臺灣構造模型模擬震源參數得到,以這樣的技術科學家可以改進地下模型,用於防災上則可提供更接近真實的地震情境。(圖/TNEM 台灣數值地震模型,https://youtu.be/eLDovQhJuq0)
▲圖中為2016年南臺灣地震後由震源參數模擬的地震動歷程變化,這是藉由電腦由目前已知的臺灣構造模型模擬震源參數得到,以這樣的技術科學家可以改進地下模型,用於防災上則可提供更接近真實的地震情境。(圖/TNEM 台灣數值地震模型,https://youtu.be/eLDovQhJuq0)
 
科學家們在集集地震二十年後繳交的作業已有大幅進步,雖然這樣的作業沒有寫完的一天,但在科學家們持續投入下,相信未來我們會一天比一天更加遠離地震的災害威脅。
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