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在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(下)--《震識》

震識:那些你想知道的震事_96
・2017/08/30 ・2585字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

在上篇斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)談到斷層上的「地栓」(Asperity)時,阿樹賣了個關子,原因是因為來不及寫拖稿太難一次把事情講清楚,所以再多花點篇幅來聊聊這件事。

斯斯有兩種,主震也有兩種

像台灣這種位於板塊邊界附近地震頻繁的區域,多數無感地震是「看似隨機」分布。通常在發生較大的地震時,才會出現時間、空間上相關性極高的地震分布。而我們會將這樣一群接近的地震稱為「地震序列」,序列中最大的那個地震自然而然就是「主震」,而在它之前的小地震就是前震,之後則為餘震。當然這也是有例外,像是有時會突然發生一大群規模 2~4 之間的群震,而沒有較為明顯的主震,但這種狀況並不是今天要談的,所以也先跳過…

還有一種特別的情況,那就是「雙主震」,顧名思義,當地震序列中有兩個發生時間相近(數秒到數分鐘,頂多幾個小時之內),且震源位置、地震規模相近時,我們會稱它叫「雙主震」。由於地震規模的計算本來就有些容許誤差,計算上差個 0.1、0.2 的情況並不能真正分出哪個才是最主要釋放能量的地震,所以最簡單的處理方式就是讓它並列為主震。

可是案情並不單純…斷層只有一個怎麼會有「雙主震」?

是的,沒代沒誌不會隨便就發生雙主震,如果一次大規模的斷層錯動會產生一次較大的主震,也就代表雙主震等於有「兩次大規模錯動」,問題來了,這兩次到底是發生在同一個斷層上?還是在不同的斷層上呢?

實際上,雙主震發生在同一斷層或不同斷層上皆有機會,或許先以「發生在不同斷層上」來切入理解會簡單一些:可以想成這個地方的地下可能有幾個潛在的斷層,兩個都面臨著能量累積快要到極限發生地震的情況下,當一個地震發生後,極有可能誘發第二個地震。

至於在同一斷層面上發生雙主震的情況,就得回溯到前上一篇文章介紹的「地栓」(asperity)概念,斷層面上往往並不均勻光滑的滑動,也不是整塊一起「鎖住不動」,外力(如板塊作用力)多半集中在數個地栓區塊上,而這些區塊有大有小、或許都有各自累積能量的極限。譬如有些較小的地栓可能隔段時間就會滑動發生小地震,而較大的地栓則會累積得久一點才釋放能量。

不同的地栓大小與地震關係示意圖。圖/作者提供

斷層面上可能有好幾個大小不同的地栓,如果正好有兩個差不多同樣大小的地栓差不多同時累積到臨界點時,有可能會一同發生地震,或是其中一個開始滑動時進一步誘發了另一處發生地震,因為兩地栓的大小、累積能量相近,地震規模也會大致相當。但如果兩者相去甚遠,我們可能就會把較小的那個事件當作前震或餘震來看待了(端看發生的先後順序)。

要怎麼辨認出雙主震?

我們不可能看得到斷層上的地栓,所以唯一的資訊就是「地震波」,但要怎麼藉由地震波了解的細節,可能一言難盡,在此也僅簡述基本的概念。首先,儀器收到的地震波,其實裡面隱含了震源破裂時的特性、震源到測站間的地質條件等等,而現在的地震波分析的方式已經可以逐一分析這些參數,而前些日子在本站談震矩與震矩規模時,也提到了「地震矩」是從斷層面的位態、斷層特性與斷層面破裂情形所綜合出來的參數,所以「斷層是怎麼破裂的」其實也與地震矩規模的發展幾乎是同時開始的(約莫 1970 年代未、80 年代初期)。

Thorne Lay 和金森博雄[1]在 1980 年針對索羅門群島的兩個雙主震地震序列分析後,提出了兩種不同的地栓分布(asperity distribution)的模型,其中索羅門型式(Solomon type)的地栓分布圖顯示,其隱沒帶的地栓為許多規模相近的地栓所組成,所以發生的雙主震多是獨立的地栓,會產生規模相當的地震,但其它地區多半是非均勻分布的(heterogeneous)情況。

兩種地栓分布模型。圖/Lay, T. and Kanamori, H., 1980. Earthquake doublets in the Solomon Islands. Phys. Earth Planet. Inter., 21:283-304.

而這非均勻分布的地栓,其實也幫助我們合理的詮釋多數地震的發生情況,在有前震的情況,多半是較小的地栓發生破裂後,接著才發生大規模的錯動(較大的主震)。此外,當較大的地震發生後,也會連帶的影響到斷層面上其它的地栓,發生「藕斷絲連」的情況,這時也可以從餘震分布推測斷層的延伸位置。如果套用在大型地震(規模大於 8 以上)時,甚至會發現斷層面上數個地栓連動的現象,譬如 2011 年東日本大地震的斷層面上就至少有 4 個地栓區域,而 921 集集地震也可看出兩個地栓分布區(下圖)。

集集地震的震源模型,虛線為斷層的主要錯動區(地栓所在)。圖/作者提供

這些研究對我們有什麼重要的?

這兩篇文章說明了近代斷層與地震間關係的研究進展,讓我們至少從抽象的彈性回跳理論慢進展到「具像化地震發生的瞬間」,阿樹也要特別提醒,畢竟這些資訊都是來自於科學家對於地震波的解析,加上為數不算多的地質資料而的理論結果,這些研究也有一些極限:譬如 2016 年發生在高雄—台南的地震,也在地震發生了好些天後,學者才從地震波的分析推論「雙主震」的可能性,像這樣兩起超近的雙主震事件,仍無法在地震當下就釐清,因此這類針對斷層與地震的研究,最大目的其實是在追尋地震好發處。

試想一下,如果我們有機會了解斷層面上易發生地震的地方有哪些、它的能量累積釋放情形與地表觀測資料的連結,這樣我們多少就有機會評估它未來發生地震的可能性,還記得我們站中的首篇文章嗎?文章中提到的「未來發生的地震機率」,有一部分的發展就是利用本文提到的地栓研究,提出震模型,加上再現時間與震度分布等相關研究計算求得,像這樣看似純學術的基礎研究,也是能進一步運用到民生之上的。

未來50年內,機率 10%以上的振動強度的分布圖。可用於長期的防災規畫評估參考。資料來源/台灣地震科學中心。

隨著科技進步,這些理論可能會有更好的應用,也可能會修改或發現新資訊,抽空了解這樣的地震新知,或許可以給我們的防災願景增添正向力量!

參考資料

  1. Lay, T. and Kanamori, H., 1980. Earthquake doublets in the Solomon Islands. Phys. Earth Planet. Inter., 21:283-304
  2. アスペリティ
  3. 斷層上的短暫瞬間:動與不動之處(上)--《震識》

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(下)》,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。


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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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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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)