- 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。
之前寫的這篇《地震是怎麼來的》一文,與大家簡單介紹了關於「彈性回跳理論」,而這是地震主要的發生機制。由此可知,地震的成因與斷層其實脫不了關係,而在《斷層「動靜之間」的學問—關於「潛移斷層」》一文中卻又告大家,有些斷層可能因為只有緩慢的潛移,雖然岩層會因此斷開錯移,但卻不會發生劇烈的地震,而文中還進一步說到,有時有的斷層會是「一部分潛移,一部分鎖定」,有些地方會緩緩的錯移,有些地方卻又會累積能量發生地震……。
或許你會說,怎麼這麼複雜?所以我這樣到底是該要擔心斷層還是不要擔心啊?
那些斷層面上的複雜之事
老話一句,複雜的事情沒有簡單的答案,所以我們還是要先細說背後的科學。首先,「彈性回跳理論」是種「概念化的模型」,它並不是代表所有的斷層都是以這麼「單純」的方式在動。理想情況下,斷層受外力作用時會先累積形變,就像橡皮筋和彈簧一般,直到超越最大靜摩擦力時才會滑動,但實際上有些斷層面是很「平滑」的,就是外力不會累積形變,而是推多少它就動多少,它就是我們前面的潛移斷層。
即使是這樣分成兩類,還是非常粗略,因為真實世界的情境遠遠複雜許多!
Welcome to the real world…!真實世界常見的情況是,很多斷層都會分段或是斷層面上會有分區的現象,斷層面上的某些地方是較「粗糙」的,會以彈性回跳理論的概念,反覆累積形變後錯動,而有些地方相對較平滑,並不會累積形變的位能。
所以我們如果要用個簡單模型來想像真實世界中的斷層樣貌的話,就會是這個樣子:斷層面上會有一些地方長期被「鎖住」(locked)的地方,而地震往往就是當這些被鎖住的地方突然間滑動的時候發生的事情。
至於這些鎖住的地方突然滑動是什麼概念,我們先用一個影片來解釋:
雖然影片中的彈性行為是在手握的那條彈力帶上,但實際上它在詮釋的就是岩石的「彈性行為」。套用在自然界中時,地震的作用確實也是以這樣的模式在發生,每一段時間一定會發生一次滑動,但滑動發生的時間間隔並不十分固定,而時間不固定也代表著累積的形變也不會每次都一樣,所以滑動量也並非完全固定的,這代表地震之間的週期不太固定、大小也不太固定啊!
如果我們把影片看得再仔細一點,可以發現前方的紅色塊體會是直接的受手拉彈立繩的應變影響,但藍色的塊體受力和運動的情形就複雜得多。當紅色塊體突然滑動時,藍色塊體並不一定會隨著滑動,而這兩塊之間的落差也是以形變的方式儲存起來,等到累積到一定程度的時候才會發生地震,而且這種類型的儲存釋放能量方式可怕得多,往往會有更大的錯動,產生更大的地震。
所以,即使我們理解了地震發生的「模型」,但要藉此「精準預測」地震,也會因為斷層的行為過於複雜而變得不可行。但話說回來,正好就是有這樣的規律性,比較明顯躺在地上又會不斷累積形變而孕育地震的斷層,某程度上是可以估算地震發生的長期潛勢的。不過這個概念談到此要先暫時打住,往後我們會接著談長期地震潛勢評估的事,今天的主題我們先聚焦在斷層上的事情。
一個不易詮釋的概念性名詞
剛才說斷層上較為粗糙、容易鎖住的地方,它有個專有名詞 ”asperity”,它似乎很難用個中文譯名(本文中暫以其中一種譯法「地栓」稱之),因為它不僅止代表上述的意義,還用來解釋地震發生時的現象:在斷層錯動發生地震時,它會被用來指「斷層上地震矩最大的地方」(斷層面上錯動最集中的地方)。
雖然從名詞定義上看起來很複雜,但其實在談論的概念是橫跨地震發生的過程與機制。當在談斷層面上的物理特性時,地栓所描述的就是那些突起粗糙的孕震區,而當地震發生時,斷層面上的這些點自然也是其中的一個或數個地栓。此時我們若要談論地震時錯動最集中的地方,用地栓正好也可以說明,畢竟依照彈性回跳理論和 asperity model 來看,錯動最集中的區域在地震前當然也是那個粗糙、摩擦力大而累積形變最多的點。所以它用來指涉的現象會因地震的時空而有些差異,但不變的是,它是專指斷層內性質差異和地震的關係的概念。
所以,實際上一個斷層或隱沒帶上,其實擁有許多複雜的物理現象需要考量,從上個世紀初到世紀末之間,我們也只從「確認斷層和地震的關係」發展到「發現並找到斷層面上不均勻之處和地震的關係」而已。而這項科學最難之處是它必需先從天然地震的觀測得到一些假說,還得從天然地震來驗證。理所當然的,要了解大地震,勢必也只能從大地震來著手,然而大地震除了給學者更多研究資料,卻又常帶來慘重災禍,因此阿樹也覺得研究地震之人確實是「苦其心志」啊!
最後,如果有興趣去 google ”asperity” 一詞的話,會發現在材料科學上,asperity 也是用來描述表面或是界面上的「粗糙度」的名詞。而最初將此概念運用在斷層、地震上的學者,其中一位在前幾週的文章也曾提過的金森博雄教授(提出地震矩規模計算方式的學者),金森教授與 Thorne Lay(文章第一作者)在 1980 年針對索羅門群島地震發表研究論文時,便以此模型解釋地震的特性。但 Thorne 和金森教授是如何用模型解決問題,以及 aspeirty model 在地震研究上的貢獻,阿樹在此先賣個關子,我們下篇再談。
但是阿樹可先給個小小提示,提示一:上述論文中的索羅門群島地震是個雙主震;提示二:這和金森教授的地震矩計算也有些關聯哦!
本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。
參考資料:
- IRIS的地震模型說明與影片連結
- Lay, Thorne and Kanamori, Hiroo (1980) Earthquake doublets in the Solomon Islands. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 21 (4). pp. 283-304. ISSN 0031-9201.