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。
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。
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）。
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。
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。
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！
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。
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。
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：
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：
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。
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。
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！
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延伸閱讀：
- 彈性回跳理論的介紹與互動動畫（英文網頁）
- 感謝終於有人關心到地震成因（by 阿樹）
- 地震的原因（台大地質數位典藏計畫網頁）
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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