今天地球心情如何？觀察「地殼變形」的地球情緒量測師

用 GPS 觀測地殼變形

因斷層活動而無時無刻都在變化的地殼狀態，與地震、海嘯、山崩等現象的發生息息相關，因此「地殼變形」便成為了地震學家無法忽視的觀察標的，換句話說，地殼變動就像是地球在表露情緒一樣，不注意它可是會出大事的。那麼「地球的情緒測量師」又是在做哪些事？肩負了哪些任務呢？讓我們一起來看看吧！

地球情緒量測師──許雅儒

中研院地球科學所許雅儒研究員主要的研究項目，是利用全球衛星定位觀測系統 （GPS）、地震及井下應變儀觀測資料，綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。簡言之，她是一位「地球情緒量測師」。

中研院地球科學所的許雅儒研究員。攝影／張語辰

談起踏入這一行的由來，許雅儒表示從碩士畢業後，起初其實沒有繼續進修打算；但在中研院地球科學所擔任研究助理期間，恰巧碰上了台灣地震史上的重大事件： 921 地震。親眼目睹了斷垣殘壁和慘重傷亡，許雅儒決定步上探索地球科學之路，深入探討那些災害背後的真正成因。於是，接下來的故事我們都知道了：她成為了地科研究員，成為了能看懂地球情緒起落的人。

今天地球心情如何？觀察「地殼變形」就知道

位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩是為了避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。　圖片來源／許雅儒提供

發生地震時，避難是當務之急，但地科所的研究員們最先想到的卻是：

全臺超過 400 個 GPS 固定觀測會往哪個方向位移？

GPS 觀測是經由衞星量測地表測站的座標位置，並加入時間變化數據計算位移速度，藉以推測地底斷層的活動情形。也因為它由衛星量測的特性，GPS 固定觀測站的設立位置需具備良好透空度（仰角 10° 以上無遮蔽物）、地質穩定、遠離電磁波干擾源等，臺灣目前設置有 400 多座GPS 固定觀測站，大抵沿著主要斷層帶擺放，與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。

日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」，而 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。

地球的板塊移動十分緩慢，一年僅移動幾毫米至幾十毫米，必須透過長時間的連續觀測以換取精度。研究員收集的資料，藉由觀測測站的位置隨時間之變化，取得測站的位移速度，反推出地下斷層的滑動情形（如下圖）。

分析全臺各地 GPS 測站的座標變化，得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。　圖片來源／臺灣地震科學中心

以地殼變形最顯著的「地震」為例，平常測站會呈現長期、穩定的線性運動；而一旦發生地震時，時間序列上就會出現不連續的狀態（如下圖）。藉由計算地震震央附近測站的「位移量」，便可得知地殼何處出現變形，並推測斷層如何活動、滑移。

GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。　資料來源／許雅儒提供

臺灣位處隱沒帶、地震頻繁，地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間展露無遺。所以，地震正是觀測「地殼變形」的重要時機啊！研究員們當然第一個先想到的是「觀測」！

斷層滑移 ≠ 地震

講解「斷層滑移」之前，許雅儒表示我們應先建立一個觀念，才能正確的看到斷層活動的全貌：

了解斷層活動不能只看當下，因為斷層滑移歷史很長，可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。

我們對於「斷層滑移」的認知通常只想到地震；但其實斷層隨時都在累積、釋放能量，而其中伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

隨著板塊運動，地殼會不斷變形，而「地殼變形」分為兩種：「脆性」變形與「塑性」變形。上部地殼一般為脆性變形；下部地殼則因為有地球內部的溫壓，所以是塑性變形。上下部地殼也因為各自的變形特性，有不一樣的能量承接方式：上部地殼可以積聚能量，並承受下部地殼的推擠，當上部地殼承受不住便引發地震。舉例來說，若下層每年推進 5 公分，假設 100 年後地震能量才一次釋放，便會產生位移 5 公尺的地震。另一方面，下部地殼因為其質地宛如年糕，通常不會造成大地震。

知道地殼形變的種類與對能量的因應方式後，許雅儒說，接下來要注意的就是斷層滑移的「歷程」了。斷層滑移有三個階段──間震期、孕震期與震後期，如下圖：

同震滑移、震後滑移、間震期滑移，可描述斷層累積及釋放能量的歷程。　資料來源／Scholz, 1998

而這三個階段滑移事件如下：

間震期滑移：上部地殼沒有大地震發生，主要能量由深處斷層緩慢釋放的斷層滑移。

同震滑移：伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

震後滑移：若在同震滑移後，地殼能量未釋放完全，而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量，稱為「震後滑移」。許雅儒說，通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式，時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。

為了更了解地震滑移的特性，許雅儒近期也進行了「山崩」的研究。她說，研究斷層難度較高，因為斷層所在的位置很深層，訊號傳到地表已經很微弱了，反之，滑動特性和斷層活動有部分類似的山崩事件，卻因山坡滑動面淺，在地表就可以接收足夠的訊號以了解滑動行為隨時空如何演變，因此，研究山崩也許就能推測地震孕震的過程。

（編按：關於山崩的相關研究成果，讓許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。）

陸地之外，藏在海底的地球脾氣

除了陸地觀測，隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。

海底監測同樣透過 GPS 定位系統，不過因為衛星訊號無法穿透海水，所以必須同時使用聲波定位。觀測時，陸地的 GPS 站會先跟船的位置做一般 GPS 相對定位，船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位，由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。

海床聲波回應器，將之放入海中。　圖片來源／許雅儒提供

許雅儒說，近年的研究成果顯示，隱沒帶的地震規模相當驚人，如較為人所知的 2004 年蘇門答臘地震與 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果（註一），首次收集到了近海溝的 GPS 觀測資料，並且驗證了隱沒帶淺層有「速度強化」此一摩擦性質；亦即隨著斷層的滑動速度增加，其摩擦強度也隨之增加，並有顯著的「震後滑移」。

此外，臺灣的鄰近海域還有許多大型的隱沒帶海溝值得進行觀測，包括琉球海溝（長約 2200 公里）與馬尼拉海溝（長約 1100 公里）。她說，雖然自 16 世紀至今馬尼拉海溝未曾記錄到大規模的地震，但因為無法排除未來發生的可能，仍需持續監測；如同在 2004 年發生大地震之前，蘇門答臘也沒有相關紀錄，地震發生後斷層破裂卻超過 1000 公里。

臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝：琉球海溝、馬尼拉海溝。　圖片來源／許雅儒提供　圖說重製／張語辰

海床監測面對的障礙較多，相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站；海床監測受限於臺灣研究船少，有時只能租用漁船出海。海床監測工作不僅要搶船期，還得避開海象洶湧的冬天與颱風季；這項工作一年出海二次，一次一星期，期間研究人員需要 24 小時輪班。而且海床監測的定位誤差比陸地監測大，所以監測海床更需要長時間的觀察，平均需要五、六年才能累積出研究成果。

海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。　圖片來源／許雅儒提供

GPS 測站守護者的野外挑戰

各地的 GPS 測站肩負感測地球一舉一動的任務，而研究者的野外工作就是守護這些測站。許雅儒表示，海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯、難以回收，除非派機器手臂下潛維護。而陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀，在非常嚴重的情況下，一年會有三座測站遭損毀。

許雅儒的野外研究，始於中央大學應用地質研究所時期於南橫測站的工作經驗。她說，觀測站大多位於人煙稀少的地區，分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料，野外站則靠研究者平均每年一到二次野外工作收集資料。觀測工作的主要內容乍看單純，不外乎設置腳架、量測、紀錄等，但在野外進行研究就是一場場的冒險，許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能，才能找到測站點完成工作。

許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站，進行研究工作。　圖片來源／許雅儒提供

野外工作充滿各種出乎意外的時刻。許雅儒分享，有次劈草開路，不小心與草堆中的墳墓照片四目相交，瞬間背脊發涼。也曾發生野外測站所在處山路險峻，車子踩滿油門居然還是因為太陡峭往後滑。更甚者還包括，設置好的測站因學校整地而被掩埋，必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招，許雅儒曾於菲律賓野外研究，但因站點偏遠，僅有零星住家燈火，因此必須架燈擺站；殊不知燈一架，蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來，一張口吸進不少隻，還外帶了幾隻回旅店。

許雅儒強調，觀測地殼變形對其實對預警災害有著實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝的狀況，可以告訴我們這條海溝是否可能發生地震、從而引發海嘯；這項資訊對整個南海，包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家都至關重要。而若馬尼拉海溝附近的斷層發生地震引發海嘯，因臺灣西部海岸海底深度較淺，海嘯放大後也機會對臺灣造成嚴重災情。

預測地震很難，但有正確防災概念就可以減少地震損害

地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼，但並不若諸多影視文本可怖。

電影都太誇張了，每次看都覺得導演很有想像力。

許雅儒笑著說，民眾對地震了解不夠深入，而地震電影也時常「誇大」地震形象；例如地表嚴重破裂會讓人直墜地心，根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋：地殼的確會破裂，但隨著深度增加，岩壓就越大。所以不管地震時地殼發生了張裂或聚合，深度增加時岩壓也會變大，因此最終深處裂面都會閉合。人們對地震缺乏透徹了解，因而帶來了諸多錯誤的災難想像。

至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害？她坦言：

地震預測難度很高，因為地震孕震週期長，目前對地震觀測頂多百年以內，但是地震周期可能長達千年，從小窗口看出去，難以窺其全貌。

許雅儒說，各種預測方法不同，目前可感測的程度也不同。目前科學面推測可能可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手，不過要達到有效預測，需要長期研究排除其它非地震因素可能造成的擾動，最終才可能達成目的。最常被謠傳的生物表現其實也還需要嚴謹的測試，才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。

「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示，中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站，後方新建大樓挖地基，在尚未建造連續壁時，頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說，若不曉得測站附近正在施工興建大樓，可能會誤判為其它因素。

預測難度高，主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱，必須排除很多不相關的因素，因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。

然而，面對地震的風險，具備防災觀念可能比追求預測地震更加更重要。許雅儒說，預測或改善現有的預警系統都還在努力中，但要真正減少地震的損害，其實不如從小教育地震防災的正確觀念；如此災害來臨時，才能將傷害減至最低。舉例來說，在地震如此頻繁的地區，臺灣仍然並非家家戶戶都備有最簡單的地震包。

不只是紙上談兵的「地球情緒測量師」

「地球情緒量測師」的研究並不是只限於「紙上談兵」的基礎研究，更深具社會責任、對防災做出貢獻。運用現今的科學技術，善用 GPS 和其她方法覺察地球的情緒起伏，雖仍不足以全面「預測」地震的發生，卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法、研究方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯（註二），藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動，供防災與避難疏散之用等等。

在訪談最末，因為想到正身處傾斜的中研院地球所之中，我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息，許雅儒連忙笑說：「還好啦，已經建造連續壁，不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視，而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定；「地球情緒量測師」慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒，靠的是正是準確定位、細心觀察、再下結論的紮實研究功夫。

延伸閱讀

• 許雅儒的個人網頁
• 【演講影片】隱沒帶大地震與海嘯，講者：許雅儒
• 《科學月刊》在熱誠之中追尋人生理想－許雅儒專訪
• 2017 年臺灣傑出女科學家獎－「新秀獎」得主許雅儒簡介
• （註一） Hsu, Y. J.*, M. Simons, J.-P. Avouac, J. Galetzka, K. Sieh, M, Chlieh, D. Natawidjaja, L. Prawirodirdjo and Y. Bock (2006), Frictional afterslip following the Mw 8.7, 2005 Nias-Simeulue earthquake, Sumatra, Science, 312, 1921-1926.
• （註一） Briggs, R. W., K. Sieh, A. J., Meltzner, D. Natawidjaja, J. Galetzka, B. Suwargadi , Y. J. Hsu, M. Simons, N. Hananto, I. Suprihanto, D. Prayudi, J.-P. Avouac, L. Prawirodirdjo, and Y. Bock (2006), Deformation and slip along the Sunda megathrust in the great 2005 Nias-Simeulue earthquake, Science, 311, 1897-1901.
• （註二） Hsu, Y. J.*, Y. S. Chang, C. C. Liu, H. M. Lee, A. T. Linde, S. I. Sacks, G. Kitagawa, and Y. G. Chen (2015), Revisiting borehole strain, typhoons, and slow earthquakes using quantitative estimates of precipitation induced strain changes, J. Geophys. Res., 120.
• （註二） Hsu, Y. J.*, R. F. Chen, C. W., Lin, H. Y. Chen, and S. B. Yu (2014), Seasonal, long-term, and short-term deformation in the Central Range of Taiwan induced by landslides, Geology, 42, 991-994.
• Chen, Horng-Yue, Ryoya Ikuta, Cheng-Horng Lin, Ya-Ju Hsu, Takeru Kohmi, Chau-Chang Wang, Shui-Beih Yu, Yoko Tu, Toshiaki Tsujii, Masataka Ando (2018), Back-Arc Opening in the Western End of the Okinawa Trough Revealed From GNSS/Acoustic Measurements, Geophysical Research Letters, 45(1), 137-145.
• Wu, W. N., Y. T. Yen, Y. J. Hsu, and W. M. Wu (2017), Spatial variation of seismogenic depths of crustal earthquakes in the Taiwan region: implications for seismic hazard assessment. Tectonophysics, 708, 81-95.
• Hsu, Y. J.*, S. B. Yu, J. Loveless, T. Bacolcol, R. Solidum, A. Luis Jr, A. Pelicano, and J. Woessner. (2016), Interseismic deformation and moment deficit along the Manila subduction zone and the Philippine fault system, J. Geophys. Res., 121, 7639–7665.

本著作由研之有物製作，原文為《地球情緒量測師 許雅儒》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

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