0

0
0

文字

分享

0
0
0

地震的成因是因為板塊錯動?事情沒有那麼簡單!——《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/05/15 ・3718字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文/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。

集集大地震後倒塌的東星大樓。source:wikipedia

這篇我們來聊聊稍微難一點點的地震科學,不過會盡可能用簡單方式切入。

過去,如果有機會和對小朋友講到地震成因時,我經常會提一個很簡單又不簡單的問題:

我:「地震是怎麼來的?」
小朋友:「是板塊運動!」
我:「那板塊是什麼?」
小朋友:「是我們腳下的地方」
我:「板塊『運動』就會地震?那板塊是地震時才運動?還是一直都在動呢?」

這可不是故意要刁難孩子們,而是在科普推廣的經驗中發現了許多常見的盲點,一有機會我就會想盡辦法導正。過往許多教育或某些片段的科普知識,在「地震成因」的部分,經常會以板塊構造運動的學說,來解釋板塊運動伴隨而生的地震。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
臺灣處於板塊交界處,地震頻繁,小孩對於地震都有基本認知,但認知都是對的嗎?圖/By Aaron Siirila,創用CC 姓名標示-相同方式分享 2.5,wikimedia commons

不過,事情才沒這麼簡單呢!人們嘗試用不同方式去了解地震成因的歷史已有數千年,不過到了 1906 年舊金山地震後,人們才連結了地震與斷層的關聯,至於 1960 年代才興起板塊學說,也和地震的關係密不可分,板塊學說可以用來解釋地震,地震其實也是建構板塊學說模型的佐證,今天我們不止談科學,也談歷史,從地震的科學史來看人們探尋地震成因的脈絡。

將地震和斷層摻在一起的第一人:萊尹爾爵士

最早的人們觀測地震的狀況,不過就是「地在搖晃」而已,但因為大地沒事不會搖晃,加上古代人也不會知道地下除了石頭之外還有些什麼,所以也根本想不懂地震是哪來的。

自古以來有許多人嘗試了解地震,不過因為距離理論仍太遙遠,我們直接跳到較重要的一位主角:英國地質學家萊尹爾爵士。

你可能沒聽過他,但他是在地質學和演化論的發展上皆扮演了重要角色,他支持赫登的「均變說」,覺得世間的許多地質的現象都是經年累月慢慢形成的,就像滴水能穿石般的緩慢……而後來達爾文在發展演化論時,多少也受到地質學的影響(這又是另一個故事,我們之後再聊)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
萊伊爾爵士(1865~1870 之間拍攝照片)圖/By John & Charles Watkins,公有領域,wikimedia commons

回到正題,萊伊爾走遍大江南北,看了很多「斷層」,他的想法是:

「斷層不是一天造成的!」

我們在國中課本上看到的斷層,經常都會看得出它的「錯動」方向,但實際上很多時候斷層長得又是另一種樣子,甚至斷層兩側是八竿子打不著邊的岩層,認真一算,搞不好從古至今滑動了好幾十公尺。所以,萊伊爾就覺得這應該是一點一滴累積而成的。

這時,恰巧有一起證萊伊爾想法的地震發生,1855 年地震發生時紐西蘭雖不能算是殖民地,但也是英國的好朋友,萊尹爾就從紐西蘭地震後得到的資料,確認了地震與斷層的關聯。

不過對於當時萊伊爾的想法僅止於找出「相關」而非「因果」,這就像是雞生蛋在先,還是蛋生雞在先的問題一般,到底地震是「怎麼樣發生」,還無法解釋。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

感謝那些地震後變形的圍籬

時間跳到近 50 年後,1906 年舊金山地震造成加州灣區嚴重的傷亡,但也因為它發生在人們已充分開發的地區,所以有完整的測量資料,就像是我們現在家家戶戶都有畫好地圖地籍一樣。地震後重新測量,發現有些地方的錯動量十分驚人啊!

欸?不對啊,這件事不是跟萊伊爾看到的狀況一致?到底是要怎麼看出斷層「怎麼動」的?

這時就要感謝辛勤的加州的畜牧業者,幫我們記下了斷層在地面留下的痕跡,如果要開個牧場,勢必要蓋圍籬。有些牧場的圍籬就正好蓋在斷層線上,在地震過後,正好就發現了這些先來後到的圍籬,記下了截然不同的變形。

1906舊金山震後因斷層錯動變形的圍籬。圖/取自 USGS

如果是已經蓋好非常久的圍籬,地震後幾乎完美的截成兩半,明顯的看出斷層的變形。不過,如果是地震前沒多久才蓋好的圍籬,卻是斷成弧形的,這樣太奇怪了!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
型式一:完整的變形;型式二:同震變形。(這兩者差異於後面的文章中將說明)圖/震識提供

然後,在 1906 地震後多達一千六百多頁的報告中,有一篇「地震的機制」,作者里德(Henry Fielding Reid)闡述了地震與斷層的關係,提出彈性回跳理論來解釋斷層上發生的現象和地震之間的關係…真要細講應該寫個三個星期都講不完,所以還是先跳結論-斷層錯動引發地震的過程可以分成三個階段

第一階段:斷層未受外力的作用也沒產生變形的階段

第二階段:隨著力量的累積,變形也慢慢的變化,而此時斷層面因為摩擦力的作用,是整塊卡住還沒有斷開的,整塊地層像有彈性般變形。

第三階段:斷層上面的作用力和摩擦力的平衡達到臨界點,一口氣錯動開來,並同時發生地震,地震就是釋放突然錯動產生的能量變化。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

就加州的聖安德列斯斷層來說,斷層上的地震便以這樣的方式周而復始發生,在一次大地震後,就有點像是重置這個循環回到第一階段一樣。這個理論不是隨便說說,而是建立在精密的震後測量上,包括前面提到的圍籬變形方式。

彈性回跳理論的三個基本階段循環的示意圖,斷層面在地震發生前會「鎖住不動」而累積應力,直到臨界點才會一口氣錯動,並周而復始重覆。圖/震識提供

而前面提到的「型式二」的變形方式與彈性回跳理論並不矛盾,反而是忠實呈現接近同震的變形:

我們可以想成在斷層面開始累積應力與應變時,才蓋上了新的籬笆,所以離斷層較遠的地方已經先變形了,而斷層面在地震當下的錯動才是最劇烈的!圖/震識提供

更重要的是,上述用圍籬的示意方式,不僅僅是個概念上的理論,還能用數學式子來解釋。因此現在我們才能運用地震波、精密測量與地震後的觀察紀錄來研究斷層的行為,雖然並不是每個斷層的特性都相同,但多數經過重覆的觀察後都可以簡化成上述的行為與方式,這也是目前我們對於地震成因的認識。

雖然這個理論至今仍普遍用來解釋地震的成因,不過其實當時的這個理論還沒辦法完全幫我們解開問題。從前文的脈絡至少就可以列出幾點疑問:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1. 這個理論有沒有例外?

2. 讓斷層附近變形和錯動的「外力」是哪來的?

3. 理論上提到的狀況是已經有斷層了,那斷層又怎麼「從無到有?」

我們先來聊聊「例外」的情況,有沒有不是循這種模式的呢?

有!譬如火山地區岩漿庫內的岩漿增加、移動或冷卻時所造成的地震。

source:Wikimedia

而就算是與斷層作用相關的地震,也不是百分之分就能分成這三個階段,有些斷層經常緩緩的錯動,不發生地震或是僅發生規模很小的地震,有些斷層則是既會發生大地震,也會發生無震的滑移或是小地震,這些差異受了很多因素影響,像是斷層面上的摩擦性質、外力作用的大小與變化,甚至鄰近地區的大地震,也可能間接改變了斷層面性質與能量累積的臨界等,這種種差異,也讓現今科學家不斷修正、調整各項理論的看法。

至於第 2 和第 3 點疑問?其實現今的科學已早有解答。板塊構造學說用板塊運動解釋了「為什麼會有外力」讓地表附近的岩層產生各種變形,而斷層怎麼「從無到有」,則又可以從實驗室中岩石力學的實驗來驗證。不過這兩項又得再花個兩篇文章來細說分明,就暫且賣個關子或請參閱延伸閱讀略知一二吧。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
各種不同的板塊邊界。source: Wikimedia

讀到這裡,可以發現「地震成因」在科學上仍然是個待解之謎,我們還有更長的路要走,這些假說、理論都還有調整修改的空間。即使如此,也沒什麼好洩氣的,更不要想「這些理論又不一定是真理」而認為地震學者都在做些無意義的事,起碼這些層層疊疊的前人肩膀,逐漸長高到讓我們越來越靠近真理。未來若有人能完全解開所有的地震機制之謎,可以想見他也是像牛頓一樣,站在巨人的肩膀上吧!

本文原發表於《震識:那些你想知道的震事》部落格,或是加入按讚我們的粉絲專頁持續關注。將會得到最科學前緣的地震時事、最淺顯易懂的地震知識、還有最貼近人心的地震故事。

延伸閱讀:

關於地震機制的文獻:

  • Scholz, C. H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting 439New York: Cambridge University Press, 1990.

關於彈性回跳理論的文獻:

  • Reid, H.F., The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C. 1910
文章難易度
震識:那些你想知道的震事_96
38 篇文章 ・ 9 位粉絲
《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia