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從美濃地震看盲斷層與雙主震——《科學月刊》

文/郭陳澔|現任國立中央大學地球科學系助理教授、應用地質技師、美國紐約州大學賓漢頓分校地球物理及地震學博士。

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2016 美濃地震災後 35 小時,倒塌的維冠金龍大樓。圖/由ScoutTz – 自己的作品,創用 CC 姓名標示-相同方式分享 4.0,wikipedia

2016 年 2 月 6 日所發生的美濃地震,確實衍生出許多我們平常所忽略的問題,在工程、防災與科學等層面上皆有,也需要讓我們在深切地思考後作出相對應的防護措施,以降低日後類似地震所造成的傷害。姑且不論工程與防災上的問題,在科學研究上也留下一堆問題待解決,例如,造成此次地震的地下斷層破裂形貌、發震原因與為何有如此強烈的地表振動等。一般而言,從主震發生後所產生的餘震分佈,可以用來解釋主要的斷層錯動方式,但光從美濃地震發生後餘震分佈的複雜性,就已經需要學者專家們花許多時間消化了。

不過,這也點出了臺灣島地底下的世界是多麼的變化多端,並非可用簡單的地體構造理論來解釋!此外,在媒體的關注下,對於此地震的不斷報導與討論中產生出一些對於專有名詞理解上的問題。地震發生後,學者與官方的發言不約而同說出了「盲斷層」,而後更有「雙主震」等名詞,這兩個專有名詞著實讓一般民眾十分的困惑,難道這個地震真的非常特殊或嚴重,才需要用這麼多的名詞去形容它!在地震之後的一次學術研討會上遇到氣象局地震測報中心主任郭鎧紋,閒聊之下也發現民眾對於這兩個名詞的不熟悉,在經由媒體大量的傳播後而造成的驚恐所打來的關切電話,紛至沓來,著實令地震中心的工作同仁們疲於應付。因此,值得對此兩個專有名詞源由與意義做更深入的討論。

何謂盲斷層?

blind thrust

盲斷層示意圖。圖/USGS, 2013

大家對於「斷層」的定義應該一點都不陌生,也常應用於一般的生活當中,通常是用來形容事件的不連續與間斷,例如,人才斷層、年齡斷層與知識斷層等。而在地球科學領域則指地層間不連續且有錯斷位移的地帶。斷層的發現在早期皆以野外露頭調查為主要方法,因此眼見為憑,劃定斷層的方法為依據地表有無相對錯動特徵來判定,而「盲斷層(blind fault)」則指位於深部的斷層並未破裂延伸到地表附近,因而在地表未能發現斷層的蹤跡。

在了解什麼是盲斷層後,接下來的問題是,我們是如何知道盲斷層的存在呢?究竟有多少盲斷層在臺灣島底下呢?這兩個問題確實很困難,因為我們無法在野外實際直接觸摸的到,必須依靠其它的方法,例如,鑽井、挖溝、地球物理探勘與微震觀測等四種。前兩種方法由於施測價格昂貴且探測範圍有限,一般以後兩種方法為先遣部隊,可以較廣大的範圍探測,之後確定其位置後再施以前兩種方法做精細的調查,但這也僅止於 2~3  公里深的盲斷層,更深的盲斷層調查則必須仰賴地球物理方法了。

這次的美濃地震深度約為 17 公里,因此須採用地球物理方法探測來了解盲斷層的幾何分佈。但由於地球物理探勘所獲得盲斷層的位置屬於間接方法,必須考慮其調查方法所產生的差量,其誤差量的大小取決於調查的方法與精細程度,各有其優缺點需要相互配合。

以目前的地球物理調查方法來說,反射震波測勘有最好的解析度,其誤差量可達數公尺內的等級,但因利用人工震源,其能量穿透力有限,僅止於十數公里深,也受限於現地的環境,並非隨處可測。若以微震觀測為手段,其解析度則取決於地震觀測網的密度與對於地下構造的掌握,地震網密度高與地下構造清楚將有助於提升微震位置的精確度,其誤差量為數公里,雖然觀測的深度可達數十公里,但此方法無法達到反射震波測勘的解析。

以中央氣象局所發佈的地震位置為例,在水平方面一般約有 1~3 公里的誤差,而在深度則約有 5 公里的誤差。因此,經由上面的敘述可以顯示出盲斷層調查的困難性。此外,由於臺灣身處於劇烈的碰撞環境,不論是地表斷層或盲斷層活動皆十分的活躍,從長期的背景地震觀測,深部盲斷層的分佈時有所見,只是在過去並未造成重大的災害,所以並不受到十分的重視,但近年來,不少深部地震的發生造成極大的地表振動且規模都在 6 以上,例如,2010 年甲仙地震、2012 年霧台地震、2013 年南投地震以及 2016 年的美濃地震。因此,值得進一步作系統性的分析到底有多少潛在的盲斷層。

美濃地震

美濃地震等震度圖。圖/交通部氣象局

雙主震是什麼?

「主震」已是大家耳熟能詳的地震專業用語,主震為在一地震序列中規模較大的地震稱之,而其地震序列可能包含主震來臨前的前震以及之後一連串數量與規模迅速衰減的餘震群。地震序列則是指空間與時間上連結緊密的一群地震。在極少數情形下,主震發生過後,在數秒或數分鐘後,發生一個規模大小相似的地震,發生的位置可能在同樣的斷層系統或不同的斷層系統,而稱之為「雙主震(doublet earthquakes)」。

臺灣在過去曾發生過雙主震,例如,2005 年宜蘭地區曾發生兩個規模 5.9 的地震,時間前後差約數十秒,距離也十分靠近屬於同一斷層系統。在 2006 年屏東外海也曾發生規模 6.9 的雙主震。但雙主震是如何發生的呢?在目前一般的解釋可分為兩種,第一種為發生在同一斷層系統,因第一個主震破裂不完全而伴隨第二個主震發生;第二種為發生在不同斷層系統,可能為第一主震發生後因應力的轉移觸發鄰近甚至或一段距離外已經非常脆弱的斷層系統產生錯動,若第二個主震因距離較鄰近城市區域則可能比第一個地震所帶來的災害更為嚴重。

2011 年,南美智利曾發生規模 7.1 的強震,經過 12 秒後,距離第一個主震 30 公里的地方觸發第二個深度更淺的主震,比第一個主震更有產生海嘯的風險。有趣的是,這個第二個主震的發現是經過 4 年後(2015 年)科學家仔細地研究地震波形後才發現的,主要是因為第二個主震所產生的地震波被第一個主震地震波所掩蓋相互交疊,需要花非常大的力氣才能將這兩個地震的訊號分離出來,也顯示即時偵測的困難性,因此在地震速報所要求的時效性上相當難以達成,屬於科學研究上的範疇。若要能夠挑戰這項快速的偵測任務,也需要學界做先期的研究之後並與官方合作找出可以偵測的技術方法,抓出隱藏在背後的第二個主震。


 

科月

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

 

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