網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

0
0

文字

分享

0
0
0

一次不夠震兩次,連發的地震更難懂 ──地震定位的實作篇(二)

震識:那些你想知道的震事_96
・2019/01/21 ・3484字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

解題囉!地震定位沒有想像中簡單?──地震定位的實作篇(一)中,我們已經解析過了以下的試題(取自 107 年學測自然科),但今天我們要利用這題談談不同的情況。

107 年大學學科能力測驗自然科第 68 題。圖/截自大考中心

請試想一下,題目中「離洛杉磯較近的地震」,如果發生在台灣附近,這樣一來在很近的時間之內,接連發生了地震,地震波的紀錄中會有什麼情況?又會對地震定位有什麼影響?

或許有人會聯想到物理上的干涉現象,但實驗室中接觸到的是理想的波動,純天然的地震波動會有點複雜,相對也會有一些較麻煩之處。

普遍實驗室中的干涉現象結果。圖/wikimedia

搖啊搖,兩個地震「連發」

如果我們先用開槍來比喻發生地震事件。它有可能是一把槍朝同個靶連開兩槍,也有可能是站得很近的兩人幾乎同時朝同一個靶開槍。這種現象,最常發生在大地震後的餘震,或者是在某地發生一連串的小型群震。

但是,如果是開槍的情況,我們都會事先知道是什麼情況。但實際上,地震學者或是氣象局進行定位的人員在看到地震站地震波時,完全不會知道兩個地震的震源確切位置,僅能藉由 P 波 S 波秒差推測大致是十分接近的兩個震源。而這種情況會對地震定位造成的困擾是:規模比較小或是造成振幅比較小的地震,能用來進行的地震測站相對較少。

以 2018 年 2 月 6 日花蓮強震後續餘震中的編號 52 號和 53 號地震,氣象局網頁上公布花蓮市測站的「即時強地動波形」圖為例:

編號 52、53 號(及其陸續的)地震,花蓮市的波形紀錄。圖/載自中央氣象局網頁

我們將這張圖「加工」一下,標出圖中的「6 個地震事件」(用灰色標註),此外其中包括編號 52 號和編號 53 號地震的 P 波(紅線)和 S 波(綠線):

修改自上圖編號 52 號花蓮站波形,標註上 6 個地震事件,並以灰色顯示其主要波動的範圍。紅色代表 P 波,綠色代表 S 波。

以花蓮站的狀況看起來每個地震事件的 P 波和 S 波都明顯好認,畢竟花蓮站距離編號 52 號的震央僅僅只有 3.66 公里,而看 P 波和 S 波的間隔相近,加上這一陣子附近地區的餘震偏多,想必 53 號的震央也不會差太遠。

但是,如果到了再遠一點的地方呢?來看合歡山觀測站(加工版)的情況:

可見編號 53 號地震的 P 波已和 52 號地震後續的振動混雜在一起了。

因為地震波傳遞時,不同的頻率和振動型式的震波速度不一,就像賽車比賽一樣有快有慢。而上面這張圖的情況就是 53 號地震的 P 波已經追上 52 號地震「吊車尾」的尾波。可想而知,離震央再更遠的地方,可能連 S 波確切的位置都很難辨識了,如下面這張的德基測站波形圖(沒辦法加工,因為已經難以辨認):

編號 52 號地震德基站的波形紀錄。
圖/載自中央氣象局網頁

實際上臺灣的地震測站密度很高,即使是在這樣的情境下,還是大致能出這幾個地震的位置,然而若是兩個地震相隔的時間更短,地震波形發生相互干擾、難以辨認的測站一多,比較小的地震在波形資料上,往往會被大的地震給「蓋過去」,就有可能讓我們少發現到一個小地震。

餘震是什麼?

科學家很早就發現,較大地震發生後,通常都會有餘震,而且餘震的規模和數量也會有一定隨時間衰減的關係,這點在我們之前文章(為什麼本來是主震,一下又變成前震?餘震有可能會比主震規模大嗎?──《震識》)中也曾提過餘震衰減定律。

但到底為什麼會是這樣的情況?餘震發生的原因又是怎樣?我們再從另一篇文章(在動與不動之處,那些斷層面上的複雜事(下)──《震識》)提到的斷層模型來切入,現在從地震波反演回推斷層活動的相關研究,已經可以透過地震後的波形紀錄,推測斷層上面的破裂過程。

實際上,斷層的會發生破裂區域,僅在面上部分一塊塊比較「粗糙」的「地栓」(asperity),而地栓處活動發生地震時,一來可能僅釋放了局部累積的應力(或者理解成能量),二來也可能有些處於臨界狀態的小規模地栓受地震(主震)影響,因而被誘發地震,或許這樣的餘震情況,可以拿「藕斷絲連」來比喻。

從很多例子當中都會發現,餘震分布大致會和主震發生的機制接近,震源分布的位置也會大致在同樣的斷層面附近。不過,由於主震的地栓才剛劇烈的活動完,有很多的餘震是發生在斷層上主震滑動區以外的部分,這種情況在規模越大的地震越為明顯。

餘震分布大致會和主震發生的機制接近。圖/作者提供

2016 年的台南、高雄美濃地震就有「雙主震」

以 2016 年 2 月 6 日高雄美濃、台南的地震為例,震後報告畫出了主震時最主要的滑移區和餘震的分布,如下圖所示。圖中的白、黃、紅等方格組成的平面為斷層面,紅色為主震時最主要錯動的地方,其它小圓則是餘震,不同顏色代表不同規模。可以發現,多數的餘震集中在斷層上其它的位置,這就是主震後持續釋放能量的情況。

美濃地震主震滑移區(方格)和餘震(圓點)分布。圖/作者提供

另外,這次地震正好就發生了「兩個地震在一起」的情況,一般學術上會稱作為「雙主震」,而這次地震的例子,就是相差僅數秒鐘的主震滑動而發生的地震,藉由下方的「累積滑移量分布圖」,可以看到斷層在最初活動隨時間的變化,而在 8 秒和 16 秒處用紅色圈出了兩個地栓的位置,而這兩個地栓初始錯動的時間也僅只差了一秒鐘,代表確實是兩個同時發生的地震事件。

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,紅色圈起來為主要滑移的地栓。圖/作者提供

不過,這樣類型的「雙主震」在中央氣象局最初提供的報告根本看不出來,因為地震波整個被包住了,在初步僅靠 P 波、S 波和最大振幅進行地震定位與芮氏規模計算的方式下,只會知道斷層「初始發生錯動的地點」,即是上圖標示出紅色星號的位置。

而像中央氣象局地震速報,需在極短時間或是用自動化的方式判讀地震並立即公布,就無法用前述學者解析地震波的方式來還原「案發現場」,僅能提供在短時間內盡可能精確的數據,可以說是「沒辦法中的最好辦法」,當然以這次地震的例子來說,即使作為一個地震事件處理,對於後續震度的評估,並不會造成太大影響。

地震定位、規模、震度對於防災的意義

藉此我們不妨思考一下,為何強震警報多以震度四級作為發布標準?在誤差在所難免,無法 100% 避免的情況下,即使四級的震度多半不會有重大災情,但把誤差一級的程度考量進去,我們或許應該對警報某程度多一分警戒!

像這樣有多個地震或是雙主震讓震波交雜的狀況,主要帶來的麻煩是在於像氣象局這樣第一線的資料處理端,可能會有非戰之罪的誤判或是增加資料處理的繁複程度,但這對科學家而言,卻是一個能讓我們解開斷層特性的現象。因為每一個斷層或是盲斷層都像人有百百種一樣,有不同的特性,因此多了解一些,有助於我們評估斷層未來錯動時的情況,當然,這樣的研究對於未來的防災多少也是有助益的!

延伸閱讀

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震定位實作篇之二:地震連發,定位者的最大煩惱》,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。

文章難易度
震識:那些你想知道的震事_96
38 篇文章 ・ 7 位粉絲
《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。


0

3
0

文字

分享

0
3
0

如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

Else Production
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。