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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

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。

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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)。

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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。

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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!

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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。

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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:

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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。

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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
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震識:那些你想知道的震事_96
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《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。

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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