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我們離「預測地震」還有多遠?

10/31花蓮一起規模6.3強震,震憾全台,至今仍餘震四起,所幸並未造成嚴重傷亡。人們對於地震災害,一直總是處於被動的應對,想必不禁會有個疑問:對於地震的預測,我們仍然無能為力嗎?在花蓮地震過後,有部分媒體報導,在中國大陸湖北宜昌的民間預測單位,在10月29在微博提出警告,正好提及了「在10月30至11月7日間,在花蓮、台東或宜蘭其中一個地區,將會發生5.8級至6.5級的地震。」,真的是很準的令人「訝異」?(註:大陸方面表示的地震規模以「級」為單位,實際上,芮氏規模為一無單位實數,而在台灣,將「級」僅用於震度分級上,也不會有小數點,為免混淆,在此說明)

這個民間單位在微博上的帳號為「預報中心小號」,與一般我們常見的民間預測地震方式不同的地方是,非以人體感應、生物或FM訊號等方式來預測。仔細的看了該中心在微博上的發文,仍經常提到許多地球科學名詞,如板塊邊界、地震帶等等,而在地震的預測發文,也經常提及「群震」、「動物異常」、「電離層異常」,的確現在在進行地震前兆的研究,這些方式經常拿來被探討,此外還包括了地下水、地殼變形等監測,因此看起來該中心的方式「很科學」。

微博帳號:預報中心小號。微博截圖於20130103

微博帳號:預報中心小號。微博截圖於20130103

不過,再多往前回顧一下其在微博發布的文章,也偶有誤報,而其預報的頻率約為每日一則,然而就USGS美國地質調查所統計資料,全世界每週動輒發生20~30甚至更多起規模4.5以上的地震,也就是說,多數的地震都沒被「預報」到,而在地震的震源深度,也並未在任何一次的預報中提及,而震源深度的重要性,在於它的致災程度,若是10/31的地震發生的深度在10公里以內,那麼災害程度與範圍勢必會大幅增加。因此,即使這些有被預報到的地震,不是偶然或巧合,但在實用性上,仍有待時間驗證,而這位朋友看來也在積極的尋求科學驗證。

實際上所謂的「實用地震預測」,應該包括了時間、地點、規模、深度,以及使用理論的可重覆驗證性。以目前的科技與科學發展,要完全做到上述的5點,實在是強人所難。尤其是可重覆驗證的理論,等同於我們要理解,從能量的累積到釋放,地底下斷層面上不同深度位置的岩石性質、摩擦力行為等等,才能夠精準的針對短時間尺度提出預測。以下簡單的介紹一些目前科學家認為可以作為預測的工具與前兆分析的研究:

大地測量地殼變形

根據野外地質調查與大地測量的紀錄,在大地震發生時,地殼會產生變動,而由全球的GPS定位測量結果,知道了世界各地的陸地正不斷的移動著。而台灣正處於我們熟知的歐亞板塊和菲律賓海板塊的邊界上,兩板塊以每年8公分的速率相互靠近,而這些移動累積的地殼變形,就累積在台灣島與鄰近的區域中。然而目前為止,地殼變形僅能作為能量估計。

大地測量地殼變形_維基共享資源_NASA

大地測量地殼變形_維基共享資源_NASA

井水含氡量變化

前蘇聯的科學家,在加爾姆地區發現到水井中的含氡(Radon) 於地震前會增加,亦用以預測地震。而在許多次的大地震前亦有觀察到此種現象,而其理論依據,科學家認為是岩石受到強大壓力時,岩石內部產生許多小裂隙,而使得岩石更容易接觸到地下水,同時吸收了岩石中含有放射性的氡,直到地震發生後,氡的含量才會逐漸下降。

電離層出現異常

近年來科學家也開始注意到,電離層的電子含量會有異常的變化,而要觀測這樣的變化,由GPS地面接收端記錄衛星發射的電波訊號,進一步去反演電離層的電子含量。對於GPS而言,電離層的電子變化會影響定位的精確度,因此必須要先求得電子含量的變化來作修正。以目前的理論來嘗試解釋,可以說是地殼的變形間接影響到了350公里的高空電離層,但實際上的機制仍未明朗,國內主要研究此項的學者為中央大學的劉正彥教授,近年來也持續的進行相關研究。

大地震前的異常地震分布

在2011年的311地震發生後,東京大學地震研究所助理教授加藤愛太郎(Aitaro Kato)等人,主震之前的地震活動,發現了一些蜘絲馬跡,在主震的破裂區域發現了微震(規模2左右的無感地震)的「遷徒」活動,從2月份時緩慢移動了一次,接著在兩天前規模7.9的前震發生之後,又發現了一次遷徒現象,加藤的研究團隊認為這有可能是一種前兆訊息,並發表於2012年1月的《科學》期刊。與上述地下水含氡量的機制變化一樣,微小的地震代很的是岩石慢速、小規模的破裂,科學家認為可能這就是大的斷層破裂之前,累積到極限的變形行為。

日本311地震震前的「慢滑移」事件,分別在2月份與3月9日之後,微震的分布傳播分別以每日5公里與每日20公里的速度向南傳播。修改自Kato, et. al., 2012,此圖原發布於「小地震,大災難」文章。

日本311地震震前的「慢滑移」事件,分別在2月份與3月9日之後,微震的分布傳播分別以每日5公里與每日20公里的速度向南傳播。修改自Kato, et. al., 2012,此圖原發布於「小地震,大災難」文章。

大地震的再現週期

說到地震的「再現週期」,其實有兩種定義研究方式,第一種方式較為直覺,就是用地質的方式,以車籠埔斷層為例,從對車籠埔的斷層開挖研究,地質學家找到了五次的古地震事件記錄。分別為西元1999年、西元1650-1520年、西元1270-1160年、西元1060-1030年、西元570-400年、西元240-50年。這些錯動的規模都不輸921地震產生的錯動量,也就是說,我們可以推演未來車籠埔發生大地震可能約在西元2340±90年。(註:因此只能作為長期預測參考)

二千年以來車籠埔斷層古地震發生的時間,以及推估下次大地震發生的時間可能在西元2340±90年。圖片來源:地震再現週期分析:簡介臺灣的古地震研究案例。

另一種方式則是以數學和物理的模型來解釋,經由上述提到的大地測量、地震隨時間、另空間上的變化,來估算斷層累積了多少能量,甚至可以結合地質上的紀錄來進行估算,然而地下構造的複雜,有如大氣的混沌性,我們僅能推估概率,還未能完美的驗證,以下圖為例,日本在311前並未估算到最大會發生到9.0等級的地震,而在中國大陸的汶川地震亦是如此,最直接的原因,就是我們目前累積的地震資料與對地底下的認知還是太少。

本未來30年內震度概率分布,請注意等值圖非線性分布,概率大於30%的部分皆為紅色(修改自地震調查推進本部網頁公開資料)。原圖發布於「小地震,大災難」

本未來30年內震度概率分布,請注意等值圖非線性分布,概率大於30%的部分皆為紅色(修改自地震調查推進本部網頁公開資料)。原圖發布於「小地震,大災難」

今天我們該如何看待「地震預報?」

雖然以科學的角度來看,地震預報目前還尚未有突破性的發展,甚至有科學家認為目前「地震預測是不可行的」。由於地震的分布隨機、地下的構造又渾沌 未知,加上各項地震預測的理論幾乎都是從虛無創造出來的,使得批判者很容易利用科學論證破除各種理論的缺陷。不過我們也毋需太過悲觀,即使地震預測相關的 研究進展緩慢,但上述的各項發現,也是科學家競競業業的努力成果。

坊間有許多努力預測地震的民眾,以防災的觀點,這是個立意良善的態度,但實際上即使真的有任何可以預測的方式,我們將會面臨到與氣象預報一模一樣,甚至更棘手的問題。

首先是預報與防災應該怎麼結合。即使數值氣象預報已應用了數十年,現今的防災或地方單位還是難以直接利用氣象預報的結果,來進行決策;經常聽到:「颱風放假(不放假)是根據中央氣象局提到的資料決定。」但有時天氣狀況出現誤差時,氣象局就會受到責難。而就目前能預測地震的手段,誤差往往比颱風登陸路徑或侵襲時間還要大許多;當然我們一定也沒辦法接受,連續好幾天撒離家園附近,結果地震沒來的情況,萬一發布地區在旅遊名勝附近,要是出現誤差,當地的商家也會氣的跳腳。

另一個例子,就是在2009年L’Aquila附近發生大地震前,當時有一位科學家Giampaolo Giuliani發現地下水氡氣含量變化異常的現象(非直接測量氡,而是氡釋放出的放射線),提出了大地震的警告。而後,當地也發生了前震,然而官員與國家委託研究的科學家並不認為這是個前兆,並召開了記者會告訴大家不要驚慌,不過在記者會中,官員隨著媒體起舞的輕浮的態度,讓民眾忽視了地震威脅。也因而在2012年底被處6的徒刑(原求刑4年),雖然地震無法預測,但這個判決其實並非針對無法預測的地震的缺失,而是輕忽災害威脅的官員,加上與大眾和媒體粗劣的發言讓民眾更加誤解導致。

義大利L'Aquila市政廳,在2009年震災之後。維基共享資源,用戶Insilvis創用 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0授權

義大利L’Aquila市政廳,在2009年震災之後。維基共享資源,用戶Insilvis創用 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0授權

所以,在離預測地震還很遠的現今,或許我們該思考的,是對這些我們視為「天然災害」的「自然現象」,該用什麼態度與災共生才更加實在吧!

本篇文章同時發布在作者部落格「地球故事書」。 歡迎大家來看看各種關於地球的故事。

延伸閱讀:

 

文中提及311地震前兆研究文獻:

A. Kato, K. Obara, T. Igarashi, H. Tsuruoka, S. Nakagawa, N. Hirata, Propagation of Slow Slip Leading Up to the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki Earthquake, Science, vol335, 705(2012)

關於作者

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。