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「潛移斷層」安全嗎?斷層動靜之間的學問

  • 文/陳卉瑄 教授|國立台灣師範大學 地球科學系

家鄉在台東的我,小時候沿著卑南鄉的頂岩灣到市區,沿著彎彎的山路下去時,爸爸就會跟我講這個故事。「山下有個小學,上課的時候,腳下的地層一直在滑動呢!」父親指著遠方的惡地泥岩地形,有聲有色的跟我說。

這一大塊都是抓不住樹根的泥岩,一下雨,整塊地都會「古溜」地滑落。這種滑動或許就是人們熟知的「山崩」,如果真的有機會目擊大規模的山崩,可能會發現在數秒之內,地塊一口氣崩塌的景象。假如這種土石滑動的規模增加數十倍甚至百倍千倍,並且一路延伸到地下的情況會是怎樣呢?

或許看不到,但多少我們都會體驗過:斷層滑動與瞬間發生的地震。

動盪的地球:地震與斷層

如果能將地球剖開一半,我們將會看到「活的」地球。就像我們有體溫心跳一般,地球內部有軟流圈以下的熱對流,和上方緩慢的板塊運動。細細分析可以發現,地表各處「運動」的方向速度不一,即使是剛硬如石頭的板塊,有些地區也會像彈簧受力壓縮一般,長期受力的作用累積「應力」,這些應力累積的地方,就是遲早會破裂的區域。若發生破裂,這個破裂面就是斷層面;斷層錯動時還會伴隨釋放能量,造成地震。

常有小地震的地方會因能量釋放光了,而相對安全嗎?

事實上,小地震釋放的能量、斷層大小和大地震比起來,只是冰山一角,我們用簡單的數學幾何方式來呈現,如圖一所示。

圖一:不同規模地震釋放能量的大小與斷層面積成正比。

如果要用較小的地震填滿一個規模 6.0 地震的斷層面積,你要有約 30 個規模 5.0 的地震,或是約 1000 個規模 4.0 的地震,或是三萬多個規模 3.0 的地震。這樣算起來,如果它原本會發生錯動的斷層面極大,即使小地震發生很多,也無法降低規模 7.0 以上地震發生的可能性哪!

況且,地震的觀測資料有限,過去幾年全世界的大地震,往往發生在令專家跌破眼鏡的地方,例如:應力累積非常緩慢的四川盆地周邊(2008年汶川大地震)、以及從未有同等規模紀錄的日本東北地震。這些例子也告訴我們,大地震難防之處,在於它不常發生,而斷層難研究之處,在於它特性複雜。

不過,不是所有斷層都蠢蠢欲動的在醞釀地震,令人較為擔心的,是一萬年內活動過的,分類中屬於「第一類活動斷層」的斷層。據中央地調所的公告,台灣共有 33 條這樣的斷層。這些斷層活動特性各異,有些總是躁動不安,但多半都以小地震草草了事;有些則是平常看似平靜,但卻蓄勢待發等待驚天一震(這種最可怕);還有一些更為特別的,平常緩慢滑動,但卻沒有地震發生--這樣的斷層,叫做潛移斷層(creeping fault)。假如斷層長期都在緩慢移動(釋放能量),會不會較不易發生大地震、不易致災呢?

惱人的潛移斷層

可以確定的是,就算不發生地震,潛移斷層也是惱人的搗蛋鬼!

我們將鏡頭轉向美國加州,加州大學柏克萊分校旁的足球場,正巧被潛移斷層切穿(圖二紅線)。這個平常一直緩緩移動的斷層,使得足球館的西側以每年 0.47 公分的速率緩緩向北移動。造成台階、牆壁等硬體設施錯位,翻新的總金額高達 32 億!

圖二:潛移中的 Hayward fault。這個斷層切穿了加州大學柏克萊分校足球館 (Berkeley Memorial Stadium)。虛線標示了斷層線,而箭頭指示著斷層兩側相互運動的方向(右移斷層)。圖/ Roland Burgmann

回頭來看台灣,我們也有個因高速滑動和特殊的斷層型態而聞名世界的潛移斷層—池上斷層(圖三)。斷層造成其中一側以每年平均 2.4 公分的速率抬升,有個住在池上的友人,每隔個 5 年,他家就得重新修補台階(超過 10 公分高差),更不用講有條斷層在底下默默經過的房舍了。斷層的作用像強力千斤頂般,逐漸累積的地面錯位,對路面、牆壁、管線甚至建物都造成了顯著的破壞,如圖四之一、四之二所示。

圖三:潛移中的池上斷層。這個向東傾的逆衝斷層,是目前全世界最活躍的逆衝型潛移斷層。圖中紅線指出了池上斷層的位置,紅色三角形的指向為東方,說明這是一個向東邊傾的斷層。圖/ 牟鍾香。

圖四之一:因長期斷層潛移而受到損壞的排水管,地點於圖三所示。圖/朱傚祖。

圖四之二:因長期斷層潛移而受到損壞和磚牆,圖/朱傚祖。

潛移斷層比較安全?

潛移斷層,過去的研究認為,由於斷層帶具有特定的岩石組成成分(像蛇紋石、黏土礦物和鹽等等),大幅降低它在承受變形時的強度,於是在大地應力不停推阿擠的,斷層面上的錯動穩定地、不間斷地發生。這樣的滑動,又稱作穩定滑移(stable sliding)。

和潛移斷層完全相反,甚至相異到極致的另一種類型,就是推不動的鎖定斷層(locked fault)。這種和穩定滑移相反的鎖定區(locked),則有足夠的強度,平常時它「零變形」,但其實正在累積著應力,等待破裂的臨界點到來,這一刻,就是發生「大破壞」之時。而這所謂的大破壞,就是我們熟悉的大地震。

這樣說來,潛移斷層,一推就動,應力無從累積,也就不會有地震了?這一個說法看似正確,但是我們必需強調一點:不能小看斷層面的複雜度!

代誌沒這麼簡單,潛移沒這麼單純

斷層面的性質並不是完全均一的。

在數公里長、寬的斷層面上,有的地方在穩定滑移、有的在鎖定狀態。這就是為什麼潛移斷層仍能發生規模 6.0 以上的地震。

什麼!?要怎麼解析哪裡在鎖定、哪裡會穩定滑移呢?首先需要有很多的地表位移測量,越多點位,越能推測複雜的斷層行為。圖五表現了三種不同行為的斷層分類,分別為:

(a) 整段都在潛移 ;(b) 部分鎖定、部分潛移; (c) 整段完全鎖定。

潛移的區塊,每年以數公釐至數公分的潛移速率 D 緩緩地移動著; 鎖定區雖然目前不動,但是它可是蓄勢待發的!如果我們知道斷層鎖定區過去的活動性,便可以向前追溯前幾次在這個區塊發生的地震。

把地震當時的滑移量和發震時間作圖如 (d),可以先得到一個「階梯狀」的變化圖,每一階的變化可以視為地震當下的錯動量。而下一步,我們可以拉出一條斜率為 L 的斜線(虛線),它代表這個鎖定區長期的滑移速率。如果 L 算出來是每年三公分,那它跟你說的是: 嘿!雖然我不動,但這 100 年我就存了 300 公分的位移量,在哪裡存呢?就說在一個圖四 (c) 的鎖定面積吧! (30 km x 65 km ),那麼,當我「想」動了,可以製造一個規模 8.7 的大地震啊! (算法請參照參考文獻[1])。

圖五:地底下斷層在任兩個觀測時間點的位移(震間變形),可以忠實地被沿著斷層面擺放的 GPS 所記錄下來。(a)整段都在潛移的斷層。潛移的方向如灰色箭頭所示,而地表 GPS 記錄到的位移場方向,則由黑色箭頭所示。(b) 部分潛移、部分鎖定的斷層。當斷層面有某一塊區域被鎖定,則其上方的 GPS 就會紀錄到幾乎不動的地表位移。(c) 整段都被鎖定的斷層,上方的位移場幾乎為 0。(d) 一個鎖定的斷層,幾百年才錯動一次,每次錯動的滑移量和時間作圖,就可以描述這個斷層長期的滑移速率。

但是,如果一個斷層上同時有鎖定區和潛移區,那,潛移區塊扮演甚麼角色呢?當你用 L 代表鎖定區的滑移速率,用 L 減去 D 代表穩定滑移區的滑移速率,這時候估計出來的「可能地震規模」就會變小,這是為什麼過去,專家們一直常把潛移斷層認為是相對安全的。

隨著大地測量、地震儀架設的點位越多,斷層的哪一個部分在穩定滑移 / 鎖定?怎麼滑? 隨時間有沒有變化?這些問題的答案漸漸浮現。對於斷層行為的了解越多,照理說應該越安心,但科學家們卻發現了另一件隱憂……。

潛移斷層 vs.大地震

前文曾提到斷層面積、釋放能量與地震規模的關係,所以地震可以「長」多大似乎受控於斷層破裂面可延伸多遠,那麼,這些斷層面上的穩定滑移區,會控制「大地震發育」嗎?

利用斷層模型進行模擬,科學家們發現,這些多為「穩定滑移區」的潛移斷層,在地震發生時,讓斷層面上的錯動更無障礙的穿越,也就是,潛移斷層可以讓大地震更「大」 ! [2]。而有許多的觀測證據都陸續發現,在鄰近有大地震發生而伴隨著斷層面的高速滑動時,「穩定滑移區」潛移區可能會轉換成「鎖定區」 [3],使得鎖定區域範圍加大、大地震潛勢增加。這樣的發現,是對身處潛移斷層區的居民敲了警鐘,「沒有不危險的斷層」,專家如是說。

身處活動斷層密集區的我們,更需要知道:地底下的變形、斷層面的特性隨時間一直在改變,沒有絕對安全的所在,也沒有「地震周期可以預測」的具體證據。面對這困境,更高密度的監測儀器,將能幫助我們釐清各種不同斷層特性,如何影響著大地震的行為。

事實上,全世界不少地方有潛移斷層的發現:如美國、墨西哥、義大利、土耳其、以色列、阿富汗、巴基斯坦、中國、菲律賓、日本和台灣。可惜的是這些被文獻所紀錄的潛移斷層,絕大多數都是走向滑移斷層,僅有一例為正斷層型態(菲律賓的 Alto Tiberina Fault),一例為逆衝斷層(台灣的池上斷層),不同斷層型態的潛移特性,所知仍然非常有限,「潛移斷層和大地震的關係」 這個重要的課題,尚待更多研究人員的投入和充分探索。全世界潛移斷層的分布和證據請見[4]。

隨著科學和科技進步,或許大家會期許研究能帶領我們了解斷層、預測地震,但新發現同時也告訴我們,探尋越多才知道人類了解的其實很少。所以,加入地震研究領域,現在正是時候!

後記與致謝

感謝震識發起人馬國鳳教授的強力邀稿,和主編潘昌志先生的專業編修。這一篇文章的構想,是由本人與 Roland Burgmann 五月發表在 Review of Geophysics 的評論文章而來[5],本文的圖一和圖二就是源自該處。本文的初始文稿編修,則感謝黃大銘學長、陳耀傑、陳奕尹和陳淑俐幾位的寶貴意見。原稿稍微多一點專業用語,並包含較多個人情感和搞笑口語,有興趣參考的請連結至[6]。

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參考文獻

  • 1. http://katepili.pixnet.net/blog/post/427778105
  • 2. Noda, H., and N. Lapusta (2013), Stable creeping fault segments can become destructive as a result of dynamic weakening, Nature, 493, doi:10.1038/nature11703.
  • 3. Uchida, N., K. Shimamura, T. Matsuzawa, and T. Okada (2015), Postseismic response of repeating earthquakes around the 2011 Tohoku-oki earthquake: Moment increases due to the fast loading rate, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 259–274, doi:10.1002/2013JB010933.
  • 4. Harris, R.A. (2017), Large earthquakes and creeping faults, Rev. Geophys., 55, 169–198, doi:10.1002/2016RG000539.
  • 5. Chen and Burgmann (2017), Creeping faults: Good news, bad news?, Review of Geophysics, 10.1002/2017RG000565.
  • 6. “潛移斷層" ,安全嗎?

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