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「地震預警」的地震規模不太準?預測這件事真的有哪~麼難嗎?

  • 文/洪瑞駿 國立中央大學地球科學學系

2016 年小年夜凌晨,南臺灣發生了規模 6.6 的強震,成為台灣自九二一後,再一次的重災型地震。在此次地震中,學者注意到雖然震央在高雄美濃,在台南一帶卻出現異常大振幅的 S 波(圖一),其中有些測站更出現加速度超過 400cm/s2(相當於震度 7 級)的猛烈數值,這種突然的強力搖晃,讓部分樓房不堪一擊而倒塌。

為什麼離震央較遠處的地方震度仍這麼大呢? 而如果前個問題有科學上的解釋,我們有辦法從地震波剛開始到達,就得知地震後續的影響並加以預警嗎?

圖一/美濃地震於新化量到實際的震波記錄,最大的S波並非在地震一開始,而是在S波後約 4 秒鐘。在震波還未出現就要預警正確的規模和後續的震度,確是難事(資料來源:中央氣象局)

「震源時間函數」:紀錄推估地震源釋放的能量

科技發展提高了地震紀錄品質,加上電腦技術的進步,現今科學家因而能夠利用觀測到的震波進行反演,回推地震發生時的情況。以美濃地震為例,除了得知斷層面上的滑移情形(圖二a),甚至可以模擬出破裂過程(圖二b)。

圖二(a) & (b)/反演出美濃地震的斷層面破裂分布,顏色代表斷層錯移量,以公分表示。星號表示震央。(圖片來源:李憲忠,2016,會議簡報pp 10)

回推出破裂過程隨時間的變化情形,就有辦法量化釋放的能量,若是我們從斷層開始破裂並能量釋放起,記下每一時刻釋放能量多寡,便可以畫出一條如圖三的紅色曲線,這條曲線便稱作「震源時間函數」,為單位時間下震源釋放地震能量的情形,而其曲線下面積則正比於地震整體能量的大小。

在地震不是非常大(例如規模 6.5 以下),一般觀測到的震源時間函數多半為三角形,因此若是可以知道三角形的高(最大釋放能量)以及底邊 (對應的時間),理論上我們是可以推估出該地震的能量的!

然而,每一個地震就像你我是不同的人,有著不同的特徵,有些地震的震源時間函數非常長且複雜(例如 2006 年 7 月爪哇發生規模 7.7 的地震,地震源釋放能量時間超過 170 秒!) ,因此地震發生當下,我們仍很難從一開始的震波推估到底規模要多大,通常需要數秒的震波紀錄來確定地震的震源時間函數。而要預估確定的震源-時間函數形貌、以及何時能量釋放達到最大值,以現今技術仍十分困難。至於如何困難,要回到地震破裂時的物理學來闡述!

圖三/震源時間函數之概念,筆者繪製。

 

難以預測大型地震的斷層滑動

多數地震的成因,簡單來說就是岩層受到應力擠壓後產生斷裂、並產生震波 (編按:參閱斷層上的短暫瞬間:動與不動之處()()),然而進一步深究其中的過程,主要的探究的問題包括:

 斷層破裂面如何發生破裂?滑動如何增加、又如何停止?

事實上,這取決於「破裂能」是否夠大,是否能夠讓周圍岩石繼續裂下去(圖四)。

圖四/破裂與材料體抗剪之示意圖,筆者自繪。

另外,若是斷層破裂剛好觸發到原本擠壓應力較大的區域、或是接觸到較脆弱、潤滑的地區,便有可能引發突然巨大的滑移,這個位置稱作地栓 (asperity),而地震釋放能量主要也都在地栓滑動瞬間增加,進而導致強烈搖晃,而上述過程所釋放的能量,便反映在震源時間函數的曲線上。

若是地震破裂能量大於材料體的抗剪強度(註1),破裂中的斷層自然就會繼續擴張,繼續產生震波並釋放能量;然而若是能量小於抗剪強度,不足以推動斷層發展,破裂便終止,地震的能量也就不會再增加。至於岩石的破裂與否,則與地質材料組成、大地應力、材料體狀態(流變程度、含水量等)有關。

過去許多地震造成重災的根本原因,即是因為大規模或大面積的地栓滑動而引發劇烈振動。例如 1999 年集集地震,斷層破裂將近 100 公里,大型的地栓滑動出現在斷層北段的豐原、石岡一帶,斷層面劇烈滑動了 16 公尺,地表也錯開了將近 10 公尺(三層樓高),造成石岡水壩損毀。

長度較長或滑動面積較大的斷層,會讓震源時間函數也變得又長又複雜,也因此,要一開始就針對大型地震準確預估規模,難度會必較高。

石岡水壩經921大地震洗禮後的景象。圖/李元顥@wikipedia

2016 年美濃地震,其地下的斷層從美濃一路破裂到台南,在台南下方也是因為出現這樣的大型錯動,形成強烈的 S 波,加上接近都市以及場址效應等因素而導致強烈的振動。

雖然現今我們已有大致的概念了解到,地栓的範圍大概是整個斷層面的 20%,然而要在地震發生前預先知道它的確切位置、發生破裂的時間點,以現在的科學來說,仍非常難準確預估。

因地震而倒塌的維冠金龍大樓。圖/ScoutT7@wikipedia

應用「 P 波三秒」技術救命

如果知難就不為的話,就不是科學家了!目前的科學雖有極限,但也能嘗試處理。若我們試著簡化問題,假設震源時間函數是個三角形的話,只要知道三角形的高(最大釋放能量)和一半的底邊(最大值出現時間),就能算出其面積(參考圖五),面積就是該地震釋放的總能量。根據過去觀測的經驗,地震規模小於 6.5 的斷層破裂較為單純,震源時間函數通常為單一的三角形。

而此三角形底邊的一半大概就是 3 秒,因此地震學者只要觀測到震波開始的 3 秒,就能合理推估出震源時間函數,進而推出該地震的規模(圖五)。這便是所謂「P波三秒」的技術(請參考延伸閱讀 1、3),這樣的方式可以補足區域型地震預警系統(仍需約十秒多)的不足。

應該有人發現到了,在第一時間的地震預警給出的規模預測不一定準確。

但畢竟僅用了 3 秒的地震波形,當地震更大、震源破裂更複雜時,則該方法便捉襟見肘。因此對於每一次的地震,科學家們仍持續努力,也期望隨著日新月異的科學與技術進步,人類能早日摸清地震源的科學奧秘。

圖五/利用P波 3 秒解析震源時間函數進而推估地震規模之原理。(修改自Kanamori,2005)

註1:抗剪強度指的是材料體受到剪切力量時,材料體變形的難易程度,越不易變形者,抗剪強度越高。

延伸閱讀與參考文獻:

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關於作者

震 識:那些你想知道的震事

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