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今天地球心情如何?觀察「地殼變形」的地球情緒量測師

用 GPS 觀測地殼變形

因斷層活動而無時無刻都在變化的地殼狀態,與地震、海嘯、山崩等現象的發生息息相關,因此「地殼變形」便成為了地震學家無法忽視的觀察標的,換句話說,地殼變動就像是地球在表露情緒一樣,不注意它可是會出大事的。那麼「地球的情緒測量師」又是在做哪些事?肩負了哪些任務呢?讓我們一起來看看吧!

地球情緒量測師──許雅儒

中研院地球科學所許雅儒研究員主要的研究項目,是利用全球衛星定位觀測系統 (GPS)、地震及井下應變儀觀測資料,綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。簡言之,她是一位「地球情緒量測師」。

中研院地球科學所的許雅儒研究員。攝影/張語辰

談起踏入這一行的由來,許雅儒表示從碩士畢業後,起初其實沒有繼續進修打算;但在中研院地球科學所擔任研究助理期間,恰巧碰上了台灣地震史上的重大事件: 921 地震。親眼目睹了斷垣殘壁和慘重傷亡,許雅儒決定步上探索地球科學之路,深入探討那些災害背後的真正成因。於是,接下來的故事我們都知道了:她成為了地科研究員,成為了能看懂地球情緒起落的人。

今天地球心情如何?觀察「地殼變形」就知道

位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩是為了避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。 圖片來源/許雅儒提供

發生地震時,避難是當務之急,但地科所的研究員們最先想到的卻是:

全臺超過 400 個 GPS 固定觀測會往哪個方向位移?

GPS 觀測是經由衞星量測地表測站的座標位置,並加入時間變化數據計算位移速度,藉以推測地底斷層的活動情形。也因為它由衛星量測的特性,GPS 固定觀測站的設立位置需具備良好透空度(仰角 10° 以上無遮蔽物)、地質穩定、遠離電磁波干擾源等,臺灣目前設置有 400 多座GPS 固定觀測站,大抵沿著主要斷層帶擺放,與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。

日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」,而 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。

地球的板塊移動十分緩慢,一年僅移動幾毫米至幾十毫米,必須透過長時間的連續觀測以換取精度。研究員收集的資料,藉由觀測測站的位置隨時間之變化,取得測站的位移速度,反推出地下斷層的滑動情形(如下圖)。

分析全臺各地 GPS 測站的座標變化,得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。 圖片來源/臺灣地震科學中心

以地殼變形最顯著的「地震」為例,平常測站會呈現長期、穩定的線性運動;而一旦發生地震時,時間序列上就會出現不連續的狀態(如下圖)。藉由計算地震震央附近測站的「位移量」,便可得知地殼何處出現變形,並推測斷層如何活動、滑移。

GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。 資料來源/許雅儒提供

臺灣位處隱沒帶、地震頻繁,地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間展露無遺。所以,地震正是觀測「地殼變形」的重要時機啊!研究員們當然第一個先想到的是「觀測」!

斷層滑移 ≠ 地震

講解「斷層滑移」之前,許雅儒表示我們應先建立一個觀念,才能正確的看到斷層活動的全貌:

了解斷層活動不能只看當下,因為斷層滑移歷史很長,可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。

我們對於「斷層滑移」的認知通常只想到地震;但其實斷層隨時都在累積、釋放能量,而其中伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

隨著板塊運動,地殼會不斷變形,而「地殼變形」分為兩種:「脆性」變形與「塑性」變形。上部地殼一般為脆性變形;下部地殼則因為有地球內部的溫壓,所以是塑性變形。上下部地殼也因為各自的變形特性,有不一樣的能量承接方式:上部地殼可以積聚能量,並承受下部地殼的推擠,當上部地殼承受不住便引發地震。舉例來說,若下層每年推進 5 公分,假設 100 年後地震能量才一次釋放,便會產生位移 5 公尺的地震。另一方面,下部地殼因為其質地宛如年糕,通常不會造成大地震。

知道地殼形變的種類與對能量的因應方式後,許雅儒說,接下來要注意的就是斷層滑移的「歷程」了。斷層滑移有三個階段──間震期、孕震期與震後期,如下圖:

同震滑移、震後滑移、間震期滑移,可描述斷層累積及釋放能量的歷程。 資料來源/Scholz, 1998

而這三個階段滑移事件如下:

間震期滑移:上部地殼沒有大地震發生,主要能量由深處斷層緩慢釋放的斷層滑移。

同震滑移:伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。

震後滑移:若在同震滑移後,地殼能量未釋放完全,而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量,稱為「震後滑移」。許雅儒說,通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式,時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。

為了更了解地震滑移的特性,許雅儒近期也進行了「山崩」的研究。她說,研究斷層難度較高,因為斷層所在的位置很深層,訊號傳到地表已經很微弱了,反之,滑動特性和斷層活動有部分類似的山崩事件,卻因山坡滑動面淺,在地表就可以接收足夠的訊號以了解滑動行為隨時空如何演變,因此,研究山崩也許就能推測地震孕震的過程。

(編按:關於山崩的相關研究成果,讓許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。)

陸地之外,藏在海底的地球脾氣

除了陸地觀測,隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。

海底監測同樣透過 GPS 定位系統,不過因為衛星訊號無法穿透海水,所以必須同時使用聲波定位。觀測時,陸地的 GPS 站會先跟船的位置做一般 GPS 相對定位,船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位,由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。

海床聲波回應器,將之放入海中。 圖片來源/許雅儒提供

許雅儒說,近年的研究成果顯示,隱沒帶的地震規模相當驚人,如較為人所知的 2004 年蘇門答臘地震與 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果(註一),首次收集到了近海溝的 GPS 觀測資料,並且驗證了隱沒帶淺層有「速度強化」此一摩擦性質;亦即隨著斷層的滑動速度增加,其摩擦強度也隨之增加,並有顯著的「震後滑移」。

此外,臺灣的鄰近海域還有許多大型的隱沒帶海溝值得進行觀測,包括琉球海溝(長約 2200 公里)與馬尼拉海溝(長約 1100 公里)。她說,雖然自 16 世紀至今馬尼拉海溝未曾記錄到大規模的地震,但因為無法排除未來發生的可能,仍需持續監測;如同在 2004 年發生大地震之前,蘇門答臘也沒有相關紀錄,地震發生後斷層破裂卻超過 1000 公里。

臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處,有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝:琉球海溝、馬尼拉海溝。 圖片來源/許雅儒提供 圖說重製/張語辰

海床監測面對的障礙較多,相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站;海床監測受限於臺灣研究船少,有時只能租用漁船出海。海床監測工作不僅要搶船期,還得避開海象洶湧的冬天與颱風季;這項工作一年出海二次,一次一星期,期間研究人員需要 24 小時輪班。而且海床監測的定位誤差比陸地監測大,所以監測海床更需要長時間的觀察,平均需要五、六年才能累積出研究成果。

海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。 圖片來源/許雅儒提供

GPS 測站守護者的野外挑戰

各地的 GPS 測站肩負感測地球一舉一動的任務,而研究者的野外工作就是守護這些測站。許雅儒表示,海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯、難以回收,除非派機器手臂下潛維護。而陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀,在非常嚴重的情況下,一年會有三座測站遭損毀。

許雅儒的野外研究,始於中央大學應用地質研究所時期於南橫測站的工作經驗。她說,觀測站大多位於人煙稀少的地區,分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料,野外站則靠研究者平均每年一到二次野外工作收集資料。觀測工作的主要內容乍看單純,不外乎設置腳架、量測、紀錄等,但在野外進行研究就是一場場的冒險,許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能,才能找到測站點完成工作。

許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站,進行研究工作。 圖片來源/許雅儒提供

野外工作充滿各種出乎意外的時刻。許雅儒分享,有次劈草開路,不小心與草堆中的墳墓照片四目相交,瞬間背脊發涼。也曾發生野外測站所在處山路險峻,車子踩滿油門居然還是因為太陡峭往後滑。更甚者還包括,設置好的測站因學校整地而被掩埋,必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招,許雅儒曾於菲律賓野外研究,但因站點偏遠,僅有零星住家燈火,因此必須架燈擺站;殊不知燈一架,蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來,一張口吸進不少隻,還外帶了幾隻回旅店。

許雅儒強調,觀測地殼變形對其實對預警災害有著實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝的狀況,可以告訴我們這條海溝是否可能發生地震、從而引發海嘯;這項資訊對整個南海,包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家都至關重要。而若馬尼拉海溝附近的斷層發生地震引發海嘯,因臺灣西部海岸海底深度較淺,海嘯放大後也機會對臺灣造成嚴重災情。

預測地震很難,但有正確防災概念就可以減少地震損害

地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼,但並不若諸多影視文本可怖。

電影都太誇張了,每次看都覺得導演很有想像力。

許雅儒笑著說,民眾對地震了解不夠深入,而地震電影也時常「誇大」地震形象;例如地表嚴重破裂會讓人直墜地心,根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋:地殼的確會破裂,但隨著深度增加,岩壓就越大。所以不管地震時地殼發生了張裂或聚合,深度增加時岩壓也會變大,因此最終深處裂面都會閉合。人們對地震缺乏透徹了解,因而帶來了諸多錯誤的災難想像。

至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害?她坦言:

地震預測難度很高,因為地震孕震週期長,目前對地震觀測頂多百年以內,但是地震周期可能長達千年,從小窗口看出去,難以窺其全貌。

許雅儒說,各種預測方法不同,目前可感測的程度也不同。目前科學面推測可能可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手,不過要達到有效預測,需要長期研究排除其它非地震因素可能造成的擾動,最終才可能達成目的。最常被謠傳的生物表現其實也還需要嚴謹的測試,才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。

「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示,中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站,後方新建大樓挖地基,在尚未建造連續壁時,頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說,若不曉得測站附近正在施工興建大樓,可能會誤判為其它因素。

預測難度高,主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱,必須排除很多不相關的因素,因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。

然而,面對地震的風險,具備防災觀念可能比追求預測地震更加更重要。許雅儒說,預測或改善現有的預警系統都還在努力中,但要真正減少地震的損害,其實不如從小教育地震防災的正確觀念;如此災害來臨時,才能將傷害減至最低。舉例來說,在地震如此頻繁的地區,臺灣仍然並非家家戶戶都備有最簡單的地震包。

不只是紙上談兵的「地球情緒測量師」

「地球情緒量測師」的研究並不是只限於「紙上談兵」的基礎研究,更深具社會責任、對防災做出貢獻。運用現今的科學技術,善用 GPS 和其她方法覺察地球的情緒起伏,雖仍不足以全面「預測」地震的發生,卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法、研究方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯(註二),藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動,供防災與避難疏散之用等等。

在訪談最末,因為想到正身處傾斜的中研院地球所之中,我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息,許雅儒連忙笑說:「還好啦,已經建造連續壁,不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視,而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定;「地球情緒量測師」慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒,靠的是正是準確定位、細心觀察、再下結論的紮實研究功夫。

延伸閱讀

本著作由研之有物製作,原文為《地球情緒量測師 許雅儒》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

 

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研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。
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