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以震為鏡(一):聽聽看 地震科學是什麼?

2014/12/15 | | 標籤:

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

中央大學地球科學系馬國鳳教授(圖片來源:作者自攝)

中央大學地球科學系馬國鳳教授(圖片來源:作者自攝)

陳妤寧 | 台灣數位文化協會

講到「地震科學」一詞,好像包山包海所有相關學科無所不包,但對於這些書本上的知識如何化為生活中的科技,我們卻難以想像如何接軌。中央大學地球科學系的馬國鳳教授,從地震學家如何蒐集地質資料、如何以力學條件分析地震波的走勢、最終化為地震評估所仰賴的境況模擬,為科學如何走入科技做出深入淺出的解釋。

地震預測不是地震科學的唯一

大多數人聽到地震科學,反應都會是「那能夠預測地震嗎?」馬國鳳老師說,地震預測固然是科學家持續想挑戰的目標,但是「知其然不能不知其所以然」,在預測地震之前,還需仰賴地震科學、地質科學、地球物理學的基礎資料收集與研究,科學家才能了解斷層的幾何構造、進一步推估斷層錯動的模式,才有邁向「地震預測科學」的機會。

熱衷於追查地震的「前兆」時,必須研究這些前兆和地震之間是否具有穩定的因果關係。因此要先建立完善的偵測設備和地質資料、瞭解地底構造的物理性和化學性,才能分析地震振幅和週期如何變化,這一切並非一步到位的工作。而光是某斷層的位置或結構,就可能是一位研究者一輩子的研究成果。地震科學分支非常多,例如透過觀察地形以研究摺皺構造的地質學、研究斷層中力學條件如何影響滑動量和滑動方向的震源力學、透過震測或深鑽參考點投影出地底速度構造的地震物理學、還有研究沈積層和盆地效應的工程地震學。而馬國鳳老師所研究的地震科學領域,著重於地震對於「地表」的影響,也須仰賴其他研究地底構造的學科提供的知識作為「基礎建設」,才能進一步建構「境況模擬」的電腦方程式。

境況模擬,讓地震知識接軌科技

為了計算何種條件的斷層幾何、會產生多大規模的震度,地震學家將所有變數都輸入電腦中,按照物理力學條件模擬出地震發生時的搖晃程度,或是斷層在不同區段的錯動量差異。有別於在地震發生前數秒爭取逃生時間的「地震預警」,「地震境況模擬」並不探討地震會在「何時何地」來襲,而是在地震必然發生的前提下,模擬地震情境以判斷不同地點的危險程度、決定如何改善環境安全。若一味重視臨時地震預警,而不從日常評估補強做起;即使多了幾秒逃生時間,在脆弱的建物環境下,也未必能有好下場。

地震工程專家進一步根據境況模擬的結果,以量化的方式推估受損規模。有哪些設備或建物不夠符合當地的耐震需求?建築物的「自然震動週期」是否會和傳來的地震週期產生共振?大樓對於長週期的地震波較為敏感,低矮的房子則相反,對於搖得快的短週期地震波較為脆弱。接著專家試著研擬符合成本效益的補救措施,比如加設X型鋼樑能增加多少強度?重建的成本會不會反而更低?…等等。

以數字來看待天災下的人命,或許聽起來冰冷,但為了減少災後的悲痛,更需要於災前做好理性準備。對於企業而言,若能從清楚的數字了解投資建築補強所需的短期成本,和未來面臨地震時將蒙受的損失成本(包含因工廠產能停擺而需承擔的經濟損失)這兩者之間的關係,便更能將天災風險納入企業決策之中。

歷史地震中的科學與推理

除了從自然科學來研究地震之外,社會科學的角度也提供了影響震災傷亡程度的重要視角。不同人口、職業結構的地區,或在不同時段發生的地震,傷亡結果都可能產生極大的不同。例如凌晨六點的農村若發生地震,農民都出門到空曠的田裡耕作,受到建築物倒塌的傷害就較小。1906年的梅山地震,女性在逃生時因為流行纏足跑得不夠快,導致死亡比例遠高於男性,這個事件影響了台灣後來的解放纏足運動,是歷史災害影響社會文化發展的經典例子。

除了可一窺地震對於時代觀念的影響,歷史文獻中所記載的天災事件,也成為了地震學家推估歷史地震規模或震源時的重要資料來源。例如 1700 年日本宮城海嘯,文獻中記載了海嘯發生時的詳細狀況和浪高,今日的地震學家循跡調查,推估要達到宮城海嘯的規模,結果很可能是美國西雅圖大地震一路傳過太平洋所引起的結果。由於日本島位處隱沒帶下衝的正上方,海嘯襲來的強度和頻率,都遠較台灣島來得不易躲避。而 1862 年的台南地震,台灣當時仍未設置地震儀,但憑藉清廷官員的賑災記錄,例如房屋全倒和半倒所給予的撫卹金額,發現六甲地區的撫卹金額相對南邊受災地區較多,經過境況模擬之後,證實此斷層的北段錯動量的確較南段更大。

談到台灣的地震科學發展,「台灣人總是看著歐美日的發展而焦慮,別人已經做了的、質疑為何台灣還沒做;別人還沒做的、台灣卻又不敢做。」曾經在九二一大地震後趕往第一線調查車龍埔斷層的馬國鳳老師說,他不希望台灣只是「資料提供者」的角色,台灣的地震學界有足夠的能量去回答世界性的問題、提出地震學上的新理論、和世界上其他優秀的地震學家對話、回饋全世界對於地震理論的了解。「十五年後的今天,我可以說我們台灣地震學界確實有做到。」馬國鳳老師的團隊以車籠埔斷層北端發現的錯動量為證據,提出斷層滑移和潤滑作用的理論;而這在後來發生的世界地震中,陸續成為了其他科學家檢驗的研究議題。

地震科學在眾多地震專業領域之中,扮演了承先啟後的角色。地震科學必須應用基礎科學提供的資料,轉化為防災科技能夠參考的境況分析,使土木工程或是資通科技,能夠更好的運用於防災,服務於人群。「科學知識應該要走入科技、走入產業、也走入公部門的政策,讓知識發揮更為入世的價值。」(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣)執行團隊撰稿)

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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關於作者

熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。