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在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(上)--《震識》

  • 文/潘昌志|「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。

之前寫的這篇《地震是怎麼來的》一文,與大家簡單介紹了關於「彈性回跳理論」,而這是地震主要的發生機制。由此可知,地震的成因與斷層其實脫不了關係,而在《斷層「動靜之間」的學問—關於「潛移斷層」》一文中卻又告大家,有些斷層可能因為只有緩慢的潛移,雖然岩層會因此斷開錯移,但卻不會發生劇烈的地震,而文中還進一步說到,有時有的斷層會是「一部分潛移,一部分鎖定」,有些地方會緩緩的錯移,有些地方卻又會累積能量發生地震……。

或許你會說,怎麼這麼複雜?所以我這樣到底是該要擔心斷層還是不要擔心啊?

那些斷層面上的複雜之事

老話一句,複雜的事情沒有簡單的答案,所以我們還是要先細說背後的科學。首先,「彈性回跳理論」是種「概念化的模型」,它並不是代表所有的斷層都是以這麼「單純」的方式在動。理想情況下,斷層受外力作用時會先累積形變,就像橡皮筋和彈簧一般,直到超越最大靜摩擦力時才會滑動,但實際上有些斷層面是很「平滑」的,就是外力不會累積形變,而是推多少它就動多少,它就是我們前面的潛移斷層。

即使是這樣分成兩類,還是非常粗略,因為真實世界的情境遠遠複雜許多!

Welcome to the real world…!真實世界常見的情況是,很多斷層都會分段或是斷層面上會有分區的現象,斷層面上的某些地方是較「粗糙」的,會以彈性回跳理論的概念,反覆累積形變後錯動,而有些地方相對較平滑,並不會累積形變的位能。

所以我們如果要用個簡單模型來想像真實世界中的斷層樣貌的話,就會是這個樣子:斷層面上會有一些地方長期被「鎖住」(locked)的地方,而地震往往就是當這些被鎖住的地方突然間滑動的時候發生的事情。

至於這些鎖住的地方突然滑動是什麼概念,我們先用一個影片來解釋:

雖然影片中的彈性行為是在手握的那條彈力帶上,但實際上它在詮釋的就是岩石的「彈性行為」。套用在自然界中時,地震的作用確實也是以這樣的模式在發生,每一段時間一定會發生一次滑動,但滑動發生的時間間隔並不十分固定,而時間不固定也代表著累積的形變也不會每次都一樣,所以滑動量也並非完全固定的,這代表地震之間的週期不太固定、大小也不太固定啊!

如果我們把影片看得再仔細一點,可以發現前方的紅色塊體會是直接的受手拉彈立繩的應變影響,但藍色的塊體受力和運動的情形就複雜得多。當紅色塊體突然滑動時,藍色塊體並不一定會隨著滑動,而這兩塊之間的落差也是以形變的方式儲存起來,等到累積到一定程度的時候才會發生地震,而且這種類型的儲存釋放能量方式可怕得多,往往會有更大的錯動,產生更大的地震。

上圖中的形變與時間關係表中呈現了形變隨時間會累積並釋放能量發生地震,雖然和彈性回跳理論的概念一樣,但變成兩個塊體就複雜許多。

所以,即使我們理解了地震發生的「模型」,但要藉此「精準預測」地震,也會因為斷層的行為過於複雜而變得不可行。但話說回來,正好就是有這樣的規律性,比較明顯躺在地上又會不斷累積形變而孕育地震的斷層,某程度上是可以估算地震發生的長期潛勢的。不過這個概念談到此要先暫時打住,往後我們會接著談長期地震潛勢評估的事,今天的主題我們先聚焦在斷層上的事情。

一個不易詮釋的概念性名詞

剛才說斷層上較為粗糙、容易鎖住的地方,它有個專有名詞 ”asperity”,它似乎很難用個中文譯名(本文中暫以其中一種譯法「地栓」稱之),因為它不僅止代表上述的意義,還用來解釋地震發生時的現象:在斷層錯動發生地震時,它會被用來指「斷層上地震矩最大的地方」(斷層面上錯動最集中的地方)。

雖然從名詞定義上看起來很複雜,但其實在談論的概念是橫跨地震發生的過程與機制。當在談斷層面上的物理特性時,地栓所描述的就是那些突起粗糙的孕震區,而當地震發生時,斷層面上的這些點自然也是其中的一個或數個地栓。此時我們若要談論地震時錯動最集中的地方,用地栓正好也可以說明,畢竟依照彈性回跳理論和 asperity model 來看,錯動最集中的區域在地震前當然也是那個粗糙、摩擦力大而累積形變最多的點。所以它用來指涉的現象會因地震的時空而有些差異,但不變的是,它是專指斷層內性質差異和地震的關係的概念。

所以,實際上一個斷層或隱沒帶上,其實擁有許多複雜的物理現象需要考量,從上個世紀初到世紀末之間,我們也只從「確認斷層和地震的關係」發展到「發現並找到斷層面上不均勻之處和地震的關係」而已。而這項科學最難之處是它必需先從天然地震的觀測得到一些假說,還得從天然地震來驗證。理所當然的,要了解大地震,勢必也只能從大地震來著手,然而大地震除了給學者更多研究資料,卻又常帶來慘重災禍,因此阿樹也覺得研究地震之人確實是「苦其心志」啊!

要瞭解大地震,就必須先有大地震,地震研究是一件矛盾而辛苦的事。圖/鵬智 賴 @ Flickr

最後,如果有興趣去 google ”asperity” 一詞的話,會發現在材料科學上,asperity 也是用來描述表面或是界面上的「粗糙度」的名詞。而最初將此概念運用在斷層、地震上的學者,其中一位在前幾週的文章也曾提過的金森博雄教授(提出地震矩規模計算方式的學者),金森教授與 Thorne Lay(文章第一作者)在 1980 年針對索羅門群島地震發表研究論文時,便以此模型解釋地震的特性。但 Thorne 和金森教授是如何用模型解決問題,以及 aspeirty model 在地震研究上的貢獻,阿樹在此先賣個關子,我們下篇再談。

但是阿樹可先給個小小提示,提示一:上述論文中的索羅門群島地震是個雙主震;提示二:這和金森教授的地震矩計算也有些關聯哦!

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。


參考資料:

關於作者

震 識:那些你想知道的震事

《震識》專門跟大家「聊地震的事」,由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的分享方式,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。部落格、粉絲專頁將於每星期二刊登新文章,歡迎各方好友來聽故事、學知識!