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「潛移斷層」安全嗎?斷層動靜之間的學問

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/06/20 ・4102字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 520 ・七年級
  • 文/陳卉瑄 教授|國立台灣師範大學 地球科學系

家鄉在台東的我,小時候沿著卑南鄉的頂岩灣到市區,沿著彎彎的山路下去時,爸爸就會跟我講這個故事。「山下有個小學,上課的時候,腳下的地層一直在滑動呢!」父親指著遠方的惡地泥岩地形,有聲有色的跟我說。

這一大塊都是抓不住樹根的泥岩,一下雨,整塊地都會「古溜」地滑落。這種滑動或許就是人們熟知的「山崩」,如果真的有機會目擊大規模的山崩,可能會發現在數秒之內,地塊一口氣崩塌的景象。假如這種土石滑動的規模增加數十倍甚至百倍千倍,並且一路延伸到地下的情況會是怎樣呢?

或許看不到,但多少我們都會體驗過:斷層滑動與瞬間發生的地震。

動盪的地球:地震與斷層

如果能將地球剖開一半,我們將會看到「活的」地球。就像我們有體溫心跳一般,地球內部有軟流圈以下的熱對流,和上方緩慢的板塊運動。細細分析可以發現,地表各處「運動」的方向速度不一,即使是剛硬如石頭的板塊,有些地區也會像彈簧受力壓縮一般,長期受力的作用累積「應力」,這些應力累積的地方,就是遲早會破裂的區域。若發生破裂,這個破裂面就是斷層面;斷層錯動時還會伴隨釋放能量,造成地震。

常有小地震的地方會因能量釋放光了,而相對安全嗎?

事實上,小地震釋放的能量、斷層大小和大地震比起來,只是冰山一角,我們用簡單的數學幾何方式來呈現,如圖一所示。

圖一:不同規模地震釋放能量的大小與斷層面積成正比。

如果要用較小的地震填滿一個規模 6.0 地震的斷層面積,你要有約 30 個規模 5.0 的地震,或是約 1000 個規模 4.0 的地震,或是三萬多個規模 3.0 的地震。這樣算起來,如果它原本會發生錯動的斷層面極大,即使小地震發生很多,也無法降低規模 7.0 以上地震發生的可能性哪!

況且,地震的觀測資料有限,過去幾年全世界的大地震,往往發生在令專家跌破眼鏡的地方,例如:應力累積非常緩慢的四川盆地周邊(2008年汶川大地震)、以及從未有同等規模紀錄的日本東北地震。這些例子也告訴我們,大地震難防之處,在於它不常發生,而斷層難研究之處,在於它特性複雜。

不過,不是所有斷層都蠢蠢欲動的在醞釀地震,令人較為擔心的,是一萬年內活動過的,分類中屬於「第一類活動斷層」的斷層。據中央地調所的公告,台灣共有 33 條這樣的斷層。這些斷層活動特性各異,有些總是躁動不安,但多半都以小地震草草了事;有些則是平常看似平靜,但卻蓄勢待發等待驚天一震(這種最可怕);還有一些更為特別的,平常緩慢滑動,但卻沒有地震發生--這樣的斷層,叫做潛移斷層(creeping fault)。假如斷層長期都在緩慢移動(釋放能量),會不會較不易發生大地震、不易致災呢?

惱人的潛移斷層

可以確定的是,就算不發生地震,潛移斷層也是惱人的搗蛋鬼!

我們將鏡頭轉向美國加州,加州大學柏克萊分校旁的足球場,正巧被潛移斷層切穿(圖二紅線)。這個平常一直緩緩移動的斷層,使得足球館的西側以每年 0.47 公分的速率緩緩向北移動。造成台階、牆壁等硬體設施錯位,翻新的總金額高達 32 億!

圖二:潛移中的 Hayward fault。這個斷層切穿了加州大學柏克萊分校足球館 (Berkeley Memorial Stadium)。虛線標示了斷層線,而箭頭指示著斷層兩側相互運動的方向(右移斷層)。圖/ Roland Burgmann

回頭來看台灣,我們也有個因高速滑動和特殊的斷層型態而聞名世界的潛移斷層—池上斷層(圖三)。斷層造成其中一側以每年平均 2.4 公分的速率抬升,有個住在池上的友人,每隔個 5 年,他家就得重新修補台階(超過 10 公分高差),更不用講有條斷層在底下默默經過的房舍了。斷層的作用像強力千斤頂般,逐漸累積的地面錯位,對路面、牆壁、管線甚至建物都造成了顯著的破壞,如圖四之一、四之二所示。

圖三:潛移中的池上斷層。這個向東傾的逆衝斷層,是目前全世界最活躍的逆衝型潛移斷層。圖中紅線指出了池上斷層的位置,紅色三角形的指向為東方,說明這是一個向東邊傾的斷層。圖/ 牟鍾香。
圖四之一:因長期斷層潛移而受到損壞的排水管,地點於圖三所示。圖/朱傚祖。
圖四之二:因長期斷層潛移而受到損壞和磚牆,圖/朱傚祖。

潛移斷層比較安全?

潛移斷層,過去的研究認為,由於斷層帶具有特定的岩石組成成分(像蛇紋石、黏土礦物和鹽等等),大幅降低它在承受變形時的強度,於是在大地應力不停推阿擠的,斷層面上的錯動穩定地、不間斷地發生。這樣的滑動,又稱作穩定滑移(stable sliding)。

和潛移斷層完全相反,甚至相異到極致的另一種類型,就是推不動的鎖定斷層(locked fault)。這種和穩定滑移相反的鎖定區(locked),則有足夠的強度,平常時它「零變形」,但其實正在累積著應力,等待破裂的臨界點到來,這一刻,就是發生「大破壞」之時。而這所謂的大破壞,就是我們熟悉的大地震。

這樣說來,潛移斷層,一推就動,應力無從累積,也就不會有地震了?這一個說法看似正確,但是我們必需強調一點:不能小看斷層面的複雜度!

代誌沒這麼簡單,潛移沒這麼單純

斷層面的性質並不是完全均一的。

在數公里長、寬的斷層面上,有的地方在穩定滑移、有的在鎖定狀態。這就是為什麼潛移斷層仍能發生規模 6.0 以上的地震。

什麼!?要怎麼解析哪裡在鎖定、哪裡會穩定滑移呢?首先需要有很多的地表位移測量,越多點位,越能推測複雜的斷層行為。圖五表現了三種不同行為的斷層分類,分別為:

(a) 整段都在潛移 ;(b) 部分鎖定、部分潛移; (c) 整段完全鎖定。

潛移的區塊,每年以數公釐至數公分的潛移速率 D 緩緩地移動著; 鎖定區雖然目前不動,但是它可是蓄勢待發的!如果我們知道斷層鎖定區過去的活動性,便可以向前追溯前幾次在這個區塊發生的地震。

把地震當時的滑移量和發震時間作圖如 (d),可以先得到一個「階梯狀」的變化圖,每一階的變化可以視為地震當下的錯動量。而下一步,我們可以拉出一條斜率為 L 的斜線(虛線),它代表這個鎖定區長期的滑移速率。如果 L 算出來是每年三公分,那它跟你說的是: 嘿!雖然我不動,但這 100 年我就存了 300 公分的位移量,在哪裡存呢?就說在一個圖四 (c) 的鎖定面積吧! (30 km x 65 km ),那麼,當我「想」動了,可以製造一個規模 8.7 的大地震啊! (算法請參照參考文獻[1])。

圖五:地底下斷層在任兩個觀測時間點的位移(震間變形),可以忠實地被沿著斷層面擺放的 GPS 所記錄下來。(a)整段都在潛移的斷層。潛移的方向如灰色箭頭所示,而地表 GPS 記錄到的位移場方向,則由黑色箭頭所示。(b) 部分潛移、部分鎖定的斷層。當斷層面有某一塊區域被鎖定,則其上方的 GPS 就會紀錄到幾乎不動的地表位移。(c) 整段都被鎖定的斷層,上方的位移場幾乎為 0。(d) 一個鎖定的斷層,幾百年才錯動一次,每次錯動的滑移量和時間作圖,就可以描述這個斷層長期的滑移速率。

但是,如果一個斷層上同時有鎖定區和潛移區,那,潛移區塊扮演甚麼角色呢?當你用 L 代表鎖定區的滑移速率,用 L 減去 D 代表穩定滑移區的滑移速率,這時候估計出來的「可能地震規模」就會變小,這是為什麼過去,專家們一直常把潛移斷層認為是相對安全的。

隨著大地測量、地震儀架設的點位越多,斷層的哪一個部分在穩定滑移 / 鎖定?怎麼滑? 隨時間有沒有變化?這些問題的答案漸漸浮現。對於斷層行為的了解越多,照理說應該越安心,但科學家們卻發現了另一件隱憂……。

潛移斷層 vs.大地震

前文曾提到斷層面積、釋放能量與地震規模的關係,所以地震可以「長」多大似乎受控於斷層破裂面可延伸多遠,那麼,這些斷層面上的穩定滑移區,會控制「大地震發育」嗎?

利用斷層模型進行模擬,科學家們發現,這些多為「穩定滑移區」的潛移斷層,在地震發生時,讓斷層面上的錯動更無障礙的穿越,也就是,潛移斷層可以讓大地震更「大」 ! [2]。而有許多的觀測證據都陸續發現,在鄰近有大地震發生而伴隨著斷層面的高速滑動時,「穩定滑移區」潛移區可能會轉換成「鎖定區」 [3],使得鎖定區域範圍加大、大地震潛勢增加。這樣的發現,是對身處潛移斷層區的居民敲了警鐘,「沒有不危險的斷層」,專家如是說。

身處活動斷層密集區的我們,更需要知道:地底下的變形、斷層面的特性隨時間一直在改變,沒有絕對安全的所在,也沒有「地震周期可以預測」的具體證據。面對這困境,更高密度的監測儀器,將能幫助我們釐清各種不同斷層特性,如何影響著大地震的行為。

事實上,全世界不少地方有潛移斷層的發現:如美國、墨西哥、義大利、土耳其、以色列、阿富汗、巴基斯坦、中國、菲律賓、日本和台灣。可惜的是這些被文獻所紀錄的潛移斷層,絕大多數都是走向滑移斷層,僅有一例為正斷層型態(菲律賓的 Alto Tiberina Fault),一例為逆衝斷層(台灣的池上斷層),不同斷層型態的潛移特性,所知仍然非常有限,「潛移斷層和大地震的關係」 這個重要的課題,尚待更多研究人員的投入和充分探索。全世界潛移斷層的分布和證據請見[4]。

隨著科學和科技進步,或許大家會期許研究能帶領我們了解斷層、預測地震,但新發現同時也告訴我們,探尋越多才知道人類了解的其實很少。所以,加入地震研究領域,現在正是時候!

後記與致謝

感謝震識發起人馬國鳳教授的強力邀稿,和主編潘昌志先生的專業編修。這一篇文章的構想,是由本人與 Roland Burgmann 五月發表在 Review of Geophysics 的評論文章而來[5],本文的圖一和圖二就是源自該處。本文的初始文稿編修,則感謝黃大銘學長、陳耀傑、陳奕尹和陳淑俐幾位的寶貴意見。原稿稍微多一點專業用語,並包含較多個人情感和搞笑口語,有興趣參考的請連結至[6]。

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。

參考文獻

  • 1. http://katepili.pixnet.net/blog/post/427778105
  • 2. Noda, H., and N. Lapusta (2013), Stable creeping fault segments can become destructive as a result of dynamic weakening, Nature, 493, doi:10.1038/nature11703.
  • 3. Uchida, N., K. Shimamura, T. Matsuzawa, and T. Okada (2015), Postseismic response of repeating earthquakes around the 2011 Tohoku-oki earthquake: Moment increases due to the fast loading rate, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 259–274, doi:10.1002/2013JB010933.
  • 4. Harris, R.A. (2017), Large earthquakes and creeping faults, Rev. Geophys., 55, 169–198, doi:10.1002/2016RG000539.
  • 5. Chen and Burgmann (2017), Creeping faults: Good news, bad news?, Review of Geophysics, 10.1002/2017RG000565.
  • 6. “潛移斷層” ,安全嗎?

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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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