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在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(下)--《震識》

在上篇斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)談到斷層上的「地栓」(Asperity)時,阿樹賣了個關子,原因是因為來不及寫拖稿太難一次把事情講清楚,所以再多花點篇幅來聊聊這件事。

斯斯有兩種,主震也有兩種

像台灣這種位於板塊邊界附近地震頻繁的區域,多數無感地震是「看似隨機」分布。通常在發生較大的地震時,才會出現時間、空間上相關性極高的地震分布。而我們會將這樣一群接近的地震稱為「地震序列」,序列中最大的那個地震自然而然就是「主震」,而在它之前的小地震就是前震,之後則為餘震。當然這也是有例外,像是有時會突然發生一大群規模 2~4 之間的群震,而沒有較為明顯的主震,但這種狀況並不是今天要談的,所以也先跳過…

還有一種特別的情況,那就是「雙主震」,顧名思義,當地震序列中有兩個發生時間相近(數秒到數分鐘,頂多幾個小時之內),且震源位置、地震規模相近時,我們會稱它叫「雙主震」。由於地震規模的計算本來就有些容許誤差,計算上差個 0.1、0.2 的情況並不能真正分出哪個才是最主要釋放能量的地震,所以最簡單的處理方式就是讓它並列為主震。

可是案情並不單純…斷層只有一個怎麼會有「雙主震」?

是的,沒代沒誌不會隨便就發生雙主震,如果一次大規模的斷層錯動會產生一次較大的主震,也就代表雙主震等於有「兩次大規模錯動」,問題來了,這兩次到底是發生在同一個斷層上?還是在不同的斷層上呢?

實際上,雙主震發生在同一斷層或不同斷層上皆有機會,或許先以「發生在不同斷層上」來切入理解會簡單一些:可以想成這個地方的地下可能有幾個潛在的斷層,兩個都面臨著能量累積快要到極限發生地震的情況下,當一個地震發生後,極有可能誘發第二個地震。

至於在同一斷層面上發生雙主震的情況,就得回溯到前上一篇文章介紹的「地栓」(asperity)概念,斷層面上往往並不均勻光滑的滑動,也不是整塊一起「鎖住不動」,外力(如板塊作用力)多半集中在數個地栓區塊上,而這些區塊有大有小、或許都有各自累積能量的極限。譬如有些較小的地栓可能隔段時間就會滑動發生小地震,而較大的地栓則會累積得久一點才釋放能量。

不同的地栓大小與地震關係示意圖。圖/作者提供

斷層面上可能有好幾個大小不同的地栓,如果正好有兩個差不多同樣大小的地栓差不多同時累積到臨界點時,有可能會一同發生地震,或是其中一個開始滑動時進一步誘發了另一處發生地震,因為兩地栓的大小、累積能量相近,地震規模也會大致相當。但如果兩者相去甚遠,我們可能就會把較小的那個事件當作前震或餘震來看待了(端看發生的先後順序)。

要怎麼辨認出雙主震?

我們不可能看得到斷層上的地栓,所以唯一的資訊就是「地震波」,但要怎麼藉由地震波了解的細節,可能一言難盡,在此也僅簡述基本的概念。首先,儀器收到的地震波,其實裡面隱含了震源破裂時的特性、震源到測站間的地質條件等等,而現在的地震波分析的方式已經可以逐一分析這些參數,而前些日子在本站談震矩與震矩規模時,也提到了「地震矩」是從斷層面的位態、斷層特性與斷層面破裂情形所綜合出來的參數,所以「斷層是怎麼破裂的」其實也與地震矩規模的發展幾乎是同時開始的(約莫 1970 年代未、80 年代初期)。

Thorne Lay 和金森博雄[1]在 1980 年針對索羅門群島的兩個雙主震地震序列分析後,提出了兩種不同的地栓分布(asperity distribution)的模型,其中索羅門型式(Solomon type)的地栓分布圖顯示,其隱沒帶的地栓為許多規模相近的地栓所組成,所以發生的雙主震多是獨立的地栓,會產生規模相當的地震,但其它地區多半是非均勻分布的(heterogeneous)情況。

兩種地栓分布模型。圖/Lay, T. and Kanamori, H., 1980. Earthquake doublets in the Solomon Islands. Phys. Earth Planet. Inter., 21:283-304.

而這非均勻分布的地栓,其實也幫助我們合理的詮釋多數地震的發生情況,在有前震的情況,多半是較小的地栓發生破裂後,接著才發生大規模的錯動(較大的主震)。此外,當較大的地震發生後,也會連帶的影響到斷層面上其它的地栓,發生「藕斷絲連」的情況,這時也可以從餘震分布推測斷層的延伸位置。如果套用在大型地震(規模大於 8 以上)時,甚至會發現斷層面上數個地栓連動的現象,譬如 2011 年東日本大地震的斷層面上就至少有 4 個地栓區域,而 921 集集地震也可看出兩個地栓分布區(下圖)。

集集地震的震源模型,虛線為斷層的主要錯動區(地栓所在)。圖/作者提供

這些研究對我們有什麼重要的?

這兩篇文章說明了近代斷層與地震間關係的研究進展,讓我們至少從抽象的彈性回跳理論慢進展到「具像化地震發生的瞬間」,阿樹也要特別提醒,畢竟這些資訊都是來自於科學家對於地震波的解析,加上為數不算多的地質資料而的理論結果,這些研究也有一些極限:譬如 2016 年發生在高雄—台南的地震,也在地震發生了好些天後,學者才從地震波的分析推論「雙主震」的可能性,像這樣兩起超近的雙主震事件,仍無法在地震當下就釐清,因此這類針對斷層與地震的研究,最大目的其實是在追尋地震好發處。

試想一下,如果我們有機會了解斷層面上易發生地震的地方有哪些、它的能量累積釋放情形與地表觀測資料的連結,這樣我們多少就有機會評估它未來發生地震的可能性,還記得我們站中的首篇文章嗎?文章中提到的「未來發生的地震機率」,有一部分的發展就是利用本文提到的地栓研究,提出震模型,加上再現時間與震度分布等相關研究計算求得,像這樣看似純學術的基礎研究,也是能進一步運用到民生之上的。

未來50年內,機率 10%以上的振動強度的分布圖。可用於長期的防災規畫評估參考。資料來源/台灣地震科學中心。

隨著科技進步,這些理論可能會有更好的應用,也可能會修改或發現新資訊,抽空了解這樣的地震新知,或許可以給我們的防災願景增添正向力量!

參考資料

  1. Lay, T. and Kanamori, H., 1980. Earthquake doublets in the Solomon Islands. Phys. Earth Planet. Inter., 21:283-304
  2. アスペリティ
  3. 斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)--《震識》

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(下)》,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。

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震 識:那些你想知道的震事

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