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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

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  • 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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?

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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!

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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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《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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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

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地震預測行不行:地震前兆研究
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・2023/12/16 ・4014字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/何其恩

地震災害真的這麼可怕嗎?綜觀 1900 年以來天然災害事件的死亡人數排名,第一名的確不是地震災害(根據統計資料,目前死亡人數最多的是發生在 1931 年的江准水災,造成約莫 200 萬人死亡)。但以前十名來說,地震災害就佔了一半了,分別是:2010 海地地震 31 萬人、2004 年印度洋大地震 30 萬人(南亞大海嘯)、1920 年海原大地震 27 萬人、1976 年唐山大地震 24 萬人以及 1923 年關東大地震 14 萬人。

二十世紀以來前十名的自然災害死亡人數,其中地震災害就佔了一半。 圖/envato

這說明了地震災害對人類社會有一定的致命性。它沒辦法像颱風、豪大雨可以發布透過天氣預報,也不像土石流、火山爆發有明確的指標能提早預警,做出相對應的防災措施。以目前的科技來說,地震發生到具有強大破壞性的 S 波到達,只有短短幾秒的預警時間。雖然地震測報技術比起十幾年前大有進步,距離理想的防災機制還有一大段路要走。

這也是為什麼地震預測對我們來說這麼重要。如果真的能做到像天氣預報一樣,我們就有更充裕的時間針對震災做出對應的防災動作。這篇文章統整了地震前兆相關研究及背後可能的物理機制,讓我們來認識什麼是地震前兆吧!

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地震前兆的線索:地震發生的物理機制對應的可能現象

地震發生前會有什麼現象呢?首先要探討地震發生的原因及過程。撇除火山爆發、隕石撞擊、人為活動⋯⋯等因素,世界上多數地震都是由斷層錯動產生的。

因為地球板塊無時無刻都在運動,當一個區域基於一些因素而鎖定,地層就會持續的累積應力。某處發生形變、岩石產生破裂,而使地層回彈,就是地震發生的物理過程。

在這個假設下,地震要發生前必須要有應力累積,這就是地震前兆的第一個突破口。如果我們能觀察、監測到異常的應力變化,或許我們就能推測地震什麼時候可能發生。

當然,應力畢竟是一種能量,我們需要藉由其他方式去觀測、計算。像是在應力持續增加下,岩層中的裂隙可能會越來越多、孔隙率可能也會改變,以至於深層的流體往上跑,讓地下水或土壤成分發生變化;又或者因為應力改變造成岩石的磁感率發生變化,進而導致大地磁場、電場,甚至是電離層的電子濃度發生改變。

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接下來我們就來討論地震前兆研究中,幾種相對直觀的前兆訊號:地殼異常形變、地下水改變、小地震增加。

大地測量

大地應力的來源大多是板塊移動,換句話說,監測地表位移就是檢驗大地應力結構的方法之一。

最直接的測量方法就是在出露的斷層兩側加上應變計(應力計)、潛變計⋯⋯等測量儀器,像是在大坡國小裡就能看到裝在池上斷層兩側的潛變計。日本地震學家坪川家恒曾經提出的「地殼異常持續天數」與「下一個可能發生的地震規模」的關係式。

隨著科技的進步,遙測技術也應用在大地位移場的監測。一部分的科學家把注意力放在遙測資料上,它可以更大範圍了解整體地塊移動情況,克服難以部署設備的困境,像是 GNSS、InSAR⋯⋯等方法,不過它們的缺點就是解析度有限。

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地下水監測

有時候深部的變化沒辦法直接反映在地表形變,這時我們就需要參考其他數據。地下水就是一個不錯的方式,主要可以分成兩個指標:地下水位變化、地下水成分變化。

後者比較好理解,一開始我們提到,在地震發生前應力累積的時期,地層可能已經出現許多裂隙,而深部的氣體就可以沿著這些通道往地面移動。如果遇到地下水層,氣體就會進入地下水,造成地下水組成的變化。

最常使用的目標氣體就是氡氣(Rn),它在空氣的組成非常稀少,主要存在地球內部。所以當地下水監測到異常的氡氣含量,我們就會推測可能有什麼原因造成地球內部氣體往地表擴散。1966 年的蘇聯,就有科學家在加爾姆地區的地下水井中觀測到氡氣異常,進而預測接下來發生的塔什干地震。

而地下水井的水位變化,地震發生前累積應力導致地層產生應變,可能會使地層產生微小的裂隙,改變地層的孔隙率及滲透率,而造成地下水位高度變化。921 集集地震前,車籠埔斷層附近地下水井的地下水位出現明顯升降的變化。然而除了地震可能影響地下水位變化外,包括降雨、大氣壓力、潮汐甚至人為抽水等其他因素都會影響地下水井的水位變化,因此地下水前兆研究尚有重重難關,還需要更多的觀測及研究。

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異常的微震數量

在應力累積的階段,斷層上小小的破裂也會產生地震,這些破裂可能隨著應力累積而持續增加,地震數量也會增加直到主震發生。在中國海城地震發生前,就曾經觀測到微震的數量突然增加。

至於地震前應力會在哪裡累積?目前還沒有一個準確的答案,可能就在震源附近,或是完全沒有預期的遙遠區域!科學家們也在研究其中的可能。

在地震發生前,應力會在哪裡累積?目前科學家們還沒有一個準確的答案。 圖/envato

從有形到無形:從大地電場及大地磁場看地震前兆

應力改變可能還會影響到什麼呢?除了在壓力表現之外,同時也可能改變岩石的磁感率。這時我們就有機會藉由觀測大地電場及磁場的改變,尋找地震前兆的線索。

可以想像地球就像一個巨大的發電機,時時刻刻都在產生電磁場,而這些原生電磁場會在地下岩層產生或大或小的渦電流,進而產生次生電磁場穿出地表。

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如果地下岩石的物理性質改變,次生電磁場也會發生異常的變化,進而造成大地電磁場異常。而另一個理論是,當岩石破裂會產生電流,伴隨強大的電磁場。

像是中央大學的研究團隊,就曾經在美濃大地震前,觀測到震央周圍數個測站出現異常的電訊號,為地震前兆研究注入了一劑強心針。雖然以目前的技術及知識,沒辦法在每次大地震前都觀測到電場異常,但它確實是一個有利的研究方向!

太空也有地震前兆?跳脫地圈的電離層觀測

擴大來看,電磁場異常還會影響遠在太空中的電離層。921 集集大地震前三天,臺灣上空的電離層濃度相較於前 15 天的中位數有降低的趨勢;在四川大地震前也曾經觀測到四川地區上空的電離層濃度明顯減少。

為什麼會影響電離層呢?目前學界有非常多相關物理模型,像是岩層可能具有壓電特性,受到壓力就會釋放出正電,形成渦電流影響電離層;或是當岩石破裂產生的電流影響電磁場,使電離層中的電漿溫度升高、體積膨脹而導致電漿粒子減少濃度降低。不過相關的理論及研究尚未成熟,其中還有許多限制及假設。

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地震前兆的其他可能性:從地球科學推演到更廣的科學層面

當然有人會問:「以前聽過動物行為異常也代表有大地震發生,難道動物行為不能當作地震前兆嗎?」

現在科學家也沒辦法給出明確的答案,因為動物的行為機制太複雜了!可能某些物種能捕捉到人類無法發現的前兆,但現在階段我們真的不能確認,今天冬眠的蛇大量跑出洞穴,是因為有地震要發生?還是有其他環境因子?或者牠們只是心情不好想要透氣而已?

這些可能的方法,需要靠更多跨領域科學家們合力研究,將可能的原因及現象一一分析,未來十年、二十年後,或許地震前兆研究可以更完整、更多元。

地震前兆的困境與展望

回到現實層面,既然有這麼多地震前兆研究方法,為什麼地震預測到現在還沒有像天氣預報這麼成熟的系統呢?

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為什麼有這麼多理論,我們到現在仍無法預測地震呢? 圖/envato

雖然理論看起來可行,實際上會遇到許多困難:

1. 地層結構比想像中的還要複雜,增加許多不確定性。

地層是非均勻的。理論上我們會形容底下的地層被鎖定、在累積應力,但現實上,是有些地方被鎖定、有些地方已經破裂、有些地方呈現韌性的穩定滑移⋯⋯。理論指出的現象沒辦法穩定且顯著的發生,因為存在太多變數了!

2. 一百條斷層有超過一百個可能的物理模式。

不同地方一定存在差異,何況同一條斷層也可能因時間推移產生改變。之前就有學者嘗試計算斷層的活動週期,但結果不如預期。當時算出的地震發生週期,就在下一次地震時,又脫離了原本的週期。這也說明了斷層活動不只具有空間變異性,也同時具有時間的變異性。

為了突破這個困境,不同領域都在努力精進。相信有朝一日人類能準確地預測地震,這是災防的一大突破,也代表更了解我們所在的地球!

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