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大地震:偶然與必然

規模大於8.3的地震發生的時間點接近於隨機分布

國際期刊《科學》的網頁上,在2012年8月2日的一則科學新聞,題為:<大地震之間的關聯?>(Are Major Earthquakes Linked)主要內容翻譯如下:1900年以來規模排名前六的其中兩起地震:2010年2月,發生於智利規模8.8地震,以及2011年3月,規模9.0、憾動全日本的大地震,兩起地震相距不到13個月。在1960年代前後約57個月的時間內,在環太平洋地區,也曾接連的發生四次重大的地震。

是巧合嗎?或許是吧!學者分析了從1900年到2011年之間規模大於8.3的地震,彼此之間發生的間距時間,統計結果顯示,在1年之內發生兩起這樣重大的地震機會約有9.8%,這個結果發表在期刊《美國地震學會通報》(Bulletin of the Seismological Society of America, BSSA)上。即使發生的模式和分散的程度並非十分顯著,但仍可推定每次發生大地震隔年再次的機率為9.8%。在比較過111年內數百次的地震的時間分布模式後,研究團隊認為並沒有令人信服的證據能證明大地震之間具有關聯。所以下次在世界上任何一個角落發生大地震,別太過驚慌,因為那並不是你附近的斷層要錯動的徵兆。

這項研究基本上是以數學統計為出發點,利用數學裡的卜松過程(Poisson process)來證明大地震的時間分布是「隨機」的,至於有時會感覺到大地震頻繁的叢集性,多半科學家認為這是偶然的現象,畢竟由地震發生的機制,與對板塊構造學說的認識,兩個相距甚遠的板塊邊界或斷層系統(以上面那則報導說的日本與智利這樣遠的距離,甚至日本與臺灣附近這樣的距離),目前還沒有證據證明,彼此間會互相影響。這是在數學統計上的結果,如果從地震研究學者的角度來看呢?

圖一:1900年~2011年全世界規模大於8.3的地震時間普布。左方為規模,下方為發生年分的分布(a)所有的地震。(b)去除可能為大地震產生的餘震結果。本圖引用Tom Parsons and Eric L. Geist., 2012.

 

大地震的機制

雖然大地震的時間分布是隨機的,但是在地球上,地震的空間分布並不是隨機的,多半的地震都發生在板塊邊界之上,而板塊的邊界有三種:第一種是張裂型板塊邊界,物質由地函往地表形成新的岩石處,板塊也因而向兩旁分開;第二種是聚合型板塊邊界,板塊間是互相碰撞的,有可能性質接近而隆起成山脈,也有可能其中一個板塊隱沒下去成為隱沒帶;第三種則是沒有伸張也沒有聚合,互相擦身而過,就是轉型斷層邊界。板塊間的互相作用如果對於岩石累積了很大的力量,便會發生快速破裂滑動而形成地震(圖二)。規模大於9的巨大地震,幾乎發生在隱沒帶上,而破壞性極大,在海床底下發生的破裂會伴隨海嘯發生,使沿岸地區災情慘重。

去年3月11日日本東北大地震、2004年12月造成南亞海嘯的蘇門答臘,都是破裂範圍極長極廣的地震,一般而言,只要破裂長度大於800公里以上,就可能會造成規模9以上的強震,從圖三可以看出來,大地震分布在環太平洋的隱沒帶以及印尼附近的隱沒帶帶上,至於哪些地方發生機率大,哪些地方機率小呢?答案是「難以判定」!

圖二:隱沒帶中容易發生地震的地方。隱沒帶或斷層上面總是存在著一些凹凸不平的地方,而圖中灰色的地方就是代表板塊之間平常受到擠壓但還是固著的地方,某些固著的地方在能量累積到一定的程度,突然間快速地滑動,便伴隨著發生地震,固著的區塊越大,發生的地震規模也就越大,而地震發生過後,這些地方便重新累積能量。

 

圖三:全世界主要隱沒帶及規模7.5大地震分布(1700~2007,1900年以後是實心圓,1900以前則是空心圓)。有些地方過去100年沒發生過大地震,但在更早的200年內曾發生過規模9的地震。

 

下一個大地震,在哪?

舉例來說,北美的卡斯卡迪亞(Cascadia)地區,由歷史與地質資料得知此地地震復發的時間為600年,但其時間範圍卻從「200~1500」年,差距甚大。除了不易在固定地區計算再現周期,甚至要知道哪邊發生大地震比較高,也十分困難。在過去的研究發現,大地震總是發生在板塊聚合速度快、隱沒的板塊較為年輕的地區,例如北美的阿拉斯加、南美的智利。然而2004年蘇門答臘地震,發生在過去聚合速度較慢、板塊構造極老的印尼-安達曼地區。這起地震提醒了學者們,大地震不僅僅只發生於特定的隱沒帶,而南亞海嘯更教導了人們,「災害無國界」的道理。

2011年日本311地震,再次的告訴科學家與政府防災單位,還有什麼不足的地方。在311地震之前,多半的日本學者與政府單位認為,相對於東北地區,東京外海與東南海、南海地區存在了一個相當長的隱沒帶,整個隱沒帶長達1000多公里(圖四),過去也曾有連動紀錄(1707年寶永地震),萬一同時錯動,也可能發生規模9以上的地震,日本將主要的海底電纜式地震儀布於南海、東南海與首都圈的外海一帶,對於該區城可以說是呈「備戰狀態」。但地震發生的地區卻是過去沒有發生過如此大型錯動的日本東北,幸好,平時著重於防災教育與的日本民眾,在如此重大災難中仍沉著應對,除了福島核災之外,少有過度恐慌與混亂等等的二次傷害。

筆者最近去在日本旅遊時甚至在日常用品的百貨中,看到了專門販售地震相關用品的專櫃,裡面防災用品應有盡有,從地震包、存放糧食、臨時馬桶與固定家具的產品等,顯示對地震防災的高度重視。這也再再告訴我們,地震學的觀測史還有很長一段路要走,也還有許多未知的領域,而對於民眾的防災宣導以提升防災觀念、政府的的防災體系的完整度,更是面對地震這種未知天災時,更重要的環節。切勿把「預測」災害當作是防災主力,「防範未然」才是正確的防災觀念,與其探討下一次大地震在哪,不如問問自己,下一秒若發生地震,自己該怎麼做。

圖四:摘自牛頓雜誌2008年1月號,超巨大地震—日本西半部將成為震源區。

圖五:日本的地震防災用品專櫃,潘昌志攝。

 

延伸閱讀:

  • Tom Parsons and Eric L. Geist., 2012, Were Global M ≥8:3 Earthquake Time Intervals Random between 1900 and 2011? BSSA, Vol. 102, No. 4, pp. 1583–1592
  • Robert McCaffrey, 2007, The Next Great Earthquake., Science 315, 1675
  • 北一女地球科學網站:板塊英雄傳。
  • 中央氣象局  地震百問
  • 從311日本東北地震談起:大地震不可預測,要防範於未然。作者:陳卉瑄。科學月刊,2012年1月。
  • 牛頓雜誌2008年1月號,超巨大地震—日本西半部將成為震源區
  • Geller, R. J., 2011, Shake-up time for Japanese seismology, Nature vol.472:407-409.

作者部落格:地球故事書

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關於作者

「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。