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能「穿越」該有多好!無法時空旅行的地震學者,如何用科學解讀歷史地震?

阿樹 │《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

康熙臺灣輿圖。(局部) 圖/國立臺灣博物館

歷史地震既然是歷史,那麼應該是歷史學家的事啊,為什麼地震學者要關心這個?

科學家的出發點還是科學,人們一直到 19 世紀末才發明地震儀,而 1935 年才開始使用地震規模來量化地震。就算是拿稍早地震波形來回推地震規模,也才不過一百多年的資料,若是能藉由歷史找到更多的地震,也算是能充實了一點地震分析的資料庫吧?

缺乏詳盡的時空紀錄:歷史地震研究的難處

但是,代誌絕對沒有前面講的如此輕鬆,在研究歷史地震的時候,光是推估地震的震央就相當不易,因為當時並沒有震央的概念,歷史記錄中的地震只會描述大略的地點和描述受災的區域與情況,甚至連時間都不會太精準。不過這也不太令人意外,畢竟當時鐘錶尚未普及,加上有些資料並非官方,記載上有偏差、疏漏也在所難免,有時也需要綜合很多資料進行修正。

譬如 1862 年的臺南地震,多數資料的日期雖然同為同治元年,但有些資料僅記載夏五月、有的寫五月初九,不過大多數則為十一日,故現今認為是五月十一日,而在早期徐弘(1983)的研究中提出的時刻為「戍刻」(19-21 時),不過蔡義本(1986)則更正為亥刻(21-23時)(黃清淵的《茅港尾記略》也是記載亥刻),但即使如此,也不能如現在知道是幾點幾分。

除此之外,由於文字記載是較為主觀的紀錄,而且還會因當時的政治、經濟情勢所影響,這些因素都得需要考量進去,所以,用科學解讀歷史地震時,有幾個重要的觀念:

  1. 盡可能的收集各種資料,才有可能更知道全貌。
  2. 結果可能會因為資料量的增加而有所不同。
  3. 有人居住的地方,才會有災害紀錄,不能因為紀錄少就推估其規模小。
  4. 歷史資料還是可能有缺失遺漏之處。
  5. 解讀資料的過程還是有可能還是會有些爭議,需要更多論證等等。

至於這些可用的歷史資料,大概會有以下幾個種類或來源:

  1. 第一手的實體文獻,可能收藏在某些機構或個(包括國內外)。
  2. 第二手的資訊,可能是有學者研究的、也可能是早期有人訪問耆老整理的,如日治時期的某些資料也彙整了過去清領時期的地震。
  3. 廟誌石碑,如果廟宇有毀壞重建,通常都會有些資訊。

許多廟碑、廟誌是重要的地震史料來源。鹿港龍山寺廟誌就曾紀載一場清乾隆 57 年(1792)的大地震。因為這場地震,讓甫遷建完成的龍山寺又得重修。 圖/Fcuk1203 [CC BY-SA 3.0] via Wikipedia

初步研究:從歷史資訊推估災情並估算震度

歷史地震資料中,最重要的科學用途就是幫助我們推估震度,雖然古代沒有強震儀,但震度除了科學資料外,還會附帶一個情境描述,如果將當時所載的資訊,套用到地震分級的情境描述中,我們就能知道大略的震度分布。當然,因為建築型式的差異,也需依不同的年代、建築方式來調整評估震度值,而如果描述地震情況的客觀資料越明確,就能有更好的震度分布,反之則就越加困難。譬如「地大震」這類的描述,我們只能知道可能至少有四級,但到底是四級、五級還是六級就不能百分百確定;而樓房倒塌的數量、搖晃大略的時間、是否一直持續有餘震等等,都是比較明確的資訊。
甚至在 1862 年臺南地震的資料還有土壤液化的資訊,如下圖所示:

八里溪灣告示(石碑,位於今台南歸仁區):同治元年五月間地震,該園地高者崩裂,低者湧出瘠鹵黑
沙,崩陷不堪耕種,無力墾複。 圖/臺灣地區歷史地震文獻資料庫

所以這些歷史地震紀綠實際上能提供的科學資料雖有限,但有時還是有很大的助益!

進階研究:推估震央與規模

當資料量夠充足時,除了能畫出較精確的等震度圖,還能推估出震央,而多數的情況會將震央定在震度區最大的地方,但震央的位置就會隨著更多資料的補足而換位置。像 1845 年台中地震更新後的震央地點與之前的判定一下子就差別了幾十公里,因為這個地震在早期研究中較被忽略,一開始的受災資料多集中於彰化,自然會認為震央在彰化。而後來學者找多更多在台中的災情,進而將震央位置一口氣修正到台中,當然後續的分析也就差很多了,等等我們會繼續以這個地震來談研究方式。

1845 年台中地震,依資料量不同而使震央位置產生變化。
圖/作者截自塵封的裂痕 – 歷史地震第六講:1845 年台中地震 1848 年彰化地震投影片

利用震度的分布除了可以推估震央,也可大致評估規模的規模的範圍,但是單只有這樣的評估是會有些誤差的,那是因為我們不知道斷層的位置、錯動方式,而震源的深度只能粗略的推估,譬如是超過 100 公里,抑或是少於 30 公里的範圍。這時如果我們可以利用震央鄰近的斷層研究成果作為模擬的基準,我們就能進一步縮小這些參數的誤差範圍。

利用歷史資料得到等震度圖的分布,圖中綠色線段由左至右分別為彰化斷層、車籠埔斷層與雙冬斷層。黃色為推估震央,紅色為研究模擬部分車籠埔斷層錯動的區段。
圖/作者重繪自塵封的裂痕 – 歷史地震第六講:1845 年台中地震 1848 年彰化地震

在 1845 年台中地震的例子,因為推估的震央最近的斷層為車籠埔斷層,而等震度圖又呈南北向延伸,又大致以車籠埔斷層為中心線分布,因此鄭世楠教授在研究時便以部分車籠埔斷層錯動發生地震的情境來進行模擬,並藉此得到等震度圖,因為像地震規模、斷層位態、震央位置、震源深度等資訊都有某程度的假設,因此算出來的等震度圖和利用歷史分析的資料一定也會有些誤差。以此地震為例,可以發現斷層西側的模擬與歷史資料結果相近,但東側則相差甚遠,但實際上科學上所能做的就是盡可能找尋合理的數值模擬、並找尋最適當的結果。

紅色星號為研究模擬時推估的震央,紅色線段為模擬部分車籠埔斷層錯動的區段,紫色等震度線由內而外分別代表震度 7 級、6 級、5 級的等震度區範圍。
圖/作者重繪自塵封的裂痕 – 歷史地震第六講:1845 年台中地震 1848 年彰化地震

到底要怎麼找到對應的斷層?

接著來看 1848 年的彰化地震,和 1845 年台中地震類似,它的資料也不算多,不過或許是地震較大、災情較為嚴重,細究後發現資料稍多一些,比較特別的還有詩詞創作(如林占梅的地震歌),因此仍可簡單的做出等震度分布圖。

不過,這回的震度分布情況比較特殊,雖然最大震度區亦大致呈南北走向,但在南段卻往東方延伸,因此斷層的對應可能性就包括了彰化斷層和大甲斷層,而在考量上就有三個可能性:只有大甲斷層錯動、只有彰化斷層動或是大甲斷層和彰化斷層同時錯動。不過三者中模擬結果對應的較好的只有兩斷層同時連動的狀況,但這同時也意味著斷層帶的錯動範圍會更大(兩斷層長度加起來達 66 公里)、產生的地震規模也就更大了(超過 7.0)。

歷史地震研究幫助再現地震周期,「趨吉避凶」

在看完這些地震的分析,可以發現好像有許多無法對應的很好的情況,也有或多或少的誤差存在,既然不確定的事很多,那我們要怎麼看待這樣的研究結果?

百分之百重現當年的情境大概是不可能了,因為我們沒有精準的量測數據,但透過嘗試評估當時各地的震度並求得大略的地震規模,並連結到現今對斷層的研究與認識,有助於我們了解這種主要活動斷層或構造的地震再現週期統計,進而調整我們對未來地震潛勢、地震動機率的評估,就算有誤差,在理解誤差或假設的前提下合理的運用資料,歷史資料仍有一定的科學價值!所以「以史為鏡」,不僅僅是可以知興替,還能知災厄,助你我趨吉避凶。

參考資料:

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《歷史地震為科學研究捎來的訊息》,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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