0

0
1

文字

分享

0
0
1

挖掘古地震:六甲斷層活動留下的地震痕跡

震識:那些你想知道的震事_96
・2019/04/03 ・4511字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/圖 洪瑞駿、姜竣友

編按:「斷層槽溝」是一種研究斷層在地表特性的方式,人工製造出地層剖面方便直接觀察,本文為兩位作者觀察六甲斷層槽溝後的科普文分享。

從斷層開挖槽溝找尋古代地震的紀錄,對筆者而言也是件新奇體驗!雖然說筆者的研究主軸為地震,但大多時間是跟那些上下抖動的震波圖為伍,很少有到野外親眼一看斷層的機會,尤其是有過地震活動紀錄的斷層。如果知道斷層在很短的時間(所謂很短還是至少有數百年)內曾活動並伴隨地震,這樣的斷層常會被歸類為活動斷層。從地質學角度來說,想要知道某條斷層究竟有沒有活動紀、是否屬於活動斷層,或想了解過去斷層活動的頻率,最直接的方式就是「眼見為憑」:直接開挖,一探究境!

每年擠壓八公分,台灣的斷層活動與地震

由於板塊運動的緣故,大地承受著相當大的應力作用。以台灣來說,菲律賓海板塊每年大約以 8 公分的速率擠壓台灣,這樣的速率大概跟手指甲生長速率相當,雖然看似很慢,但放著不管一下就累積了很多移動量。當岩石受到板塊作用的力量擠壓時,一開始會撓曲變形,而外力若持續作用,岩石最終還是會斷裂,形成斷層,而岩石破裂瞬間所釋放的能量即是地震。試想,當我們握著一支尺的兩端並開始擠壓,尺便會開始撓曲; 當擠壓的力量過大時,尺會斷裂並產生震盪,這樣的震盪就如同斷層活動發生地震。

依據斷層活動的特徵可以將斷層分類如下,並如【圖一】所示。

  1. 正斷層 (normal fault)
  2. 逆斷層 (reverse fault),不過我更常談這分類之下的「逆衝斷層」(thrust fault)
  3. 平移斷層 (strike-slip fault),有時會譯作「走向滑移斷層」
【圖一】斷層的主要活動形式。由左至右為地塊相互擠壓形成的逆衝斷層 (reverse fault),相互遠離而造成陷落的正斷層 (normal fault),以及在水平面上滑動的走向滑移斷層 (strike-slip fault)。Credit:USGS

我們暫且把以上的分類想成是理想情況、又或者是簡單的三軸分量,因為在真實世界中,斷層經常會有一種以上的活動特徵,例如去年造成重災的美濃地震,它的斷層活動就是以平移為主並帶有逆衝的分量(簡單來說就是上述的 2+3,但以 為主),這也是台灣最常見的斷層型式。了解不同類型的斷層活動,搭配斷層長度、活動週期等其他資訊,能幫助地震學者計算斷層活動機率並評估危害程度。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

什麼是活動斷層?難道有「不活動」的 斷層?

前面已提到,斷層就是地層破裂並出現相對移動。因此看到斷層,就意味著這邊一定曾有過斷層「活動」!

不過,隨著時間演變、地質條件也會慢慢改變,讓斷層活動的外力並不會一直都在。有些原本會活動的斷層,會因為失去大地作用力而不再累積能量,最終不再活動,可以想成斷層「死掉了」。另一方面,有些斷層因為適當的大地作用力條件下,仍可以繼續累積能量,因而可以預期將來的某一天,斷層會再次發生地震、釋放能量,這樣的斷層我們便稱作「活動斷層」。當然,這樣的講法還是有點籠統,因此科學家會給予更精確的定義,以台灣來說,依照中央地質調查所公布的活動斷層定義,這些斷層必須要是十萬年以來有活動證據者。若是有一萬年來的活動紀錄,地質調查所會進一步歸納為第一類活動斷層;若是一萬年~十萬年間活動者,則稱為第二類活動斷層。

十萬年很久嗎?其實一點也不,事實上,地質作用十分緩慢,慢到你常會忘了它有在作用。板塊僅以每年數公分的速率移動,要是沒有現代的測量技術隨時監測,我們也很難發現板塊的運動;而若是要探討顯著的地質變化,往往是用百萬年作為時間單位來計量。所以和整個地質歷史的尺度相較,一萬~十萬年這樣的時間或許只是算是一瞬間、而地震活動甚至短到不可想像。

以下列舉一些可以定義活動斷層的方式(滿足其中一項即可):

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 有潛移行為者(例如:池上斷層)
  • 有歷史地震發生者(例如:集集地震的車籠埔斷層)
  • 透過地形監測確定有變形者(例如:彰化斷層)
  • 有地質證據證實斷層曾經在上述時間區間內發生過。

除了上述第一、二類活動斷層外,還有一種稱為存疑性活動斷層,也就是說這些斷層的特性還有討論空間,或者是在地表難以確認它的存在,其它諸如「到底是不是斷層?」「是否真的有十萬年內的活動紀錄?」……等等。遇到這些現象,地質學家通常就以虛線表示之,【圖二】標出了根據這些活動斷層分類評估後,定義出來的活動斷層。

【圖二】中央地質調查所公布的台灣活動斷層圖。本文所指槽溝的目標斷層即是 17 號六甲斷層。

隨便挖都可以發現斷層?才沒那麼簡單

開挖斷層槽溝,顧名思義便是在斷層帶上挖一個深槽(大約數公尺深),以分析斷層過去的活動紀錄了。然而這想來簡單,做起來卻不容易,首先,斷層淺部常被厚厚的沉積物蓋住,要確切定位出斷層帶(通常只有數十公分寬)位置,仍俱有相當的挑戰性。

再者,斷層帶在淺部地層經常會散成許多較小的裂隙,亦或是斷層帶根本沒有延伸至淺部的盲斷層,這些都使槽溝位置選取的難度增加。因此,通常地質學家在決定開挖之前,都需要進行許多評估,例如震波測勘、地電阻測勘、以及參考地質圖、地形資料等,然而即便如此,淺部幾十公尺~幾百公尺深的地層中,經常充斥各種雜亂的物質(例如土壤、人為回填土等等),加上地下水量不平均的干擾,讓斷層位置判斷增加些許難度。

此次槽溝開挖的緣起為嘉南農田水利會委託學者及顧問公司探勘六甲斷層,欲藉由觀察斷層帶上的紀錄,了解該斷層多久活動一次、最後一次活動的時間為何。斷層本身比鄰近的岩石較為脆弱,因此長期受力的作用下,地震便會在斷層上重覆發生。因此,計算斷層兩邊地層的相對位移量,便可以推估地震活動次數,以及最後一次的活動時間。【圖三】簡化表示了二次活動在地層紀錄中留下的痕跡:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
【圖三】從槽溝觀察到斷層,依照地層位移變化判斷古代地震的方法簡圖,詳細描述請見內文。圖/震識提供

【圖三】的右半邊為現今看到槽構中地層剖面的示意圖,從地層的分布我們可以確認一件事:

千年前沉積的地層並未被中央的斷層「切過」,因此它的上方是平整的狀態,而其下方不連續的部分是 萬年前的地層,看起來它是有被斷層切過而造成兩側的高低落差,假若這個落差是由一次的斷層活動造成,那麼它就會是介於在 千年前至 萬年前的地震。

接著我們把 萬年前地層中的高低落差(1.8m)拉到 萬年前齊平的狀態後,就會得到左圖,接著再分析下方5萬年前形成的地層,就會發現下方 萬年前的地層「還有 1m 的高低落差」,當然,如果這是另一次斷層活動所造成的,就代表在介於 萬年前至 萬年前之間,還有一次地震。因此當我們固定測量基準面,計算地層的相對位移量,搭配地層厚度、斷層面角度資訊,可以回推每一次的地震錯動量,以及地震發生的次數。通常學者會將該斷層每一次的錯動量平均,得到大致的地震回歸週期(也就是該斷層隔多久會釋放一次地震)。

竟然長達21公里?六甲的盲斷層槽溝

所以說了這麼多,我們在六甲斷層槽溝究竟看到甚麼?首先,六甲斷層是一條長達 21Km 逆衝型盲斷層。近日由黎明工程公司於烏山頭水庫庫址開挖槽溝【圖四】,而地質學家便會在槽溝中尋找蛛絲馬跡,推理過去發生的地質事件。

在大多數的情況中,越下方的地層,年紀越老(除非有些地質作用讓地層倒轉過來,但這次的例子是沒有的),所以我們的故事會從底層最老的地層說起。

整體而言:從老到新的地層傾斜程度逐漸變緩,這告訴我們老地層經歷更多的外力作用而變得更傾斜,可推知抬升作用不斷的進行。地層的成分可提示我們該區域過往沉積環境:底層含較多的泥質成分,代表這地區過去可能是湖泊或是較寧靜的水域等搬運能力較弱的地方;而淺部含沙量較高的成分則表示當時沉積環境為搬運能力較強之環境,如氾濫平原或河流【圖四、五】。將以上故事搭配定年的結果,我們將可建構出地層沉積史,解釋古代環境的變遷。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
【圖四】黃線以下顏色較深、顆粒較細,為靜水沉積環境;以上顆粒較粗、顏色較淺,為河相沉積環境。紅色圈處透鏡狀的沙層為典型的河道截切面。圖/震識提供
【圖五】藍色圓框處為古代植物根部生長留下之痕跡。黃色虛線處上方為回填土層。紅框處為代表古河道剖面的透鏡狀沙層。綠色實線代表地層走勢。圖/震識提供

至於地震留下的痕跡則要回到構造解釋了,學者觀察到在地層中有廣泛分佈裂隙充填構造,這可能是由於地震或褶皺作用造成地層產生裂縫,進而填入其他物質。而在淺部的地層中有一層泥質薄層有著明顯的扭曲【圖六】,可能是其在尚未成岩時遭一次地震事件的擾動。

【圖六】左:淺部受擾動之泥層(紅色圈內),可能為地震事件造成。泥層上方紅磚,可約略推估該處地層極為年輕。右: 裂隙充填所造成之條紋(箭頭處),可能為地震擾動形成的。圖/震識提供

那造成地震的斷層在哪?先別急,前面提到了六甲斷層是盲斷層,加上許久未錯動產生地震,槽溝並沒有看到斷層本身。不過,地層卻留下了印記,除了前述的資訊,加上在短短六十公尺內,地層傾角由 度陡增至 60 度【圖七】,也暗示著這裡曾有過數次斷層活動,這樣驚人的地層變形,連資深教授都嘆為觀止。

初步判釋,這樣的變形應該是在過去 9000 年內由多次的地震等作用造成,當然不排除近代歷史地震的貢獻。而根據歷史文獻紀載:166117361862 年台南皆有大地震的紀錄,其中 1862 清朝台南大地震是台灣 19 世紀傷亡最慘重的地震,推估規模達 6.7,其位置與六甲斷層十分接近(鄭世楠,2014塵封的裂痕-歷史地震第二講ppt 4751),現階段研究仍在進行中,我們期許構造所留下的地層證據有機會提供更完整的解答。

【圖七】地層傾斜變化,由西向東地層由平坦的8度陡增至近60度(取自嘉南農田水利會六甲斷層報告書)。圖/震識提供

雖然,由槽溝觀察斷層的分析結果,還需要一段時間的研究才會出爐,但毋庸置疑,六甲斷層是個活躍的活動構造,也是未來台灣的地震威脅之一。像這樣的斷層分析需要有更多的研究投入,而台灣的地震危害潛勢及評估仍亟需各方人力共同努力與推廣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

特別感謝:高嘉謙博士生及黎明工程顧問公司。提供重要的斷層資料與指正,使本文更臻完善。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《挖掘古地震:找尋斷層活動留下的地震痕跡》,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 ・ 9 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

9
5

文字

分享

0
9
5
聲音是什麼顏色、什麼味道?談聯覺與跨感官反應
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/12/21 ・3162字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/陳品均|雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

星期一,聽起來是什麼顏色?

先別急著回答藍色,對某些人來說,這個答案可不是受到情緒經驗的影響,而是真實的色彩反應。

星期怎麼可能聽起來有顏色?事實上,根據研究大約有 4% 左右的人[1],在某個認知或感官接收資訊刺激後,另一種感覺或認知會同步自發的出現,並且具有特定規律,此反應與刺激本身並不一定相關,這些人被稱為聯覺者,擁有像是聽到聲音時,除了聲音的反應外,同時認知到了形狀或顏色等的特徵。

舉例而言,若一位聯覺者聽見 A,除了聲音 A 以外還自動產生了它是紅色的聯覺認知,則不論是在 Apple 或 Angel 中,A 對他而言都是紅色的,不會因為 Angel 比較常以白色的型態出現,便轉換成白色的 A。在學界,聯覺的發展和原因尚在探索中,有些研究指出可能與小時候接觸抽象觀念時的發展、遺傳以及大腦神經機制有關 [2、3]

聽覺及視覺的聯覺者在聽到詞彙時,除了聲音外,同時自動產生了色彩的認知反應。(圖片來源:作者自行繪製)

隨著聯合反應的感官組成不同,聯覺者的異能經驗也五花八門

你能想像當單一感官接收某一訊息時,同時產生另一感官的不同認知是怎樣的經驗嗎?BBC 的科普節目《Horizon》其中一集< Derek Tastes of Earwax >記錄了數名聯覺者的跨感官連結經驗。其中,一名酒吧老闆兼有聽覺和味覺的聯覺,當他聽見各式各樣的詞彙時,宛如品嚐綜合風味豆,讓他飽嘗各種滋味[4]

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
聽覺和味覺的聯覺者,聽見各種名詞之際,嘴巴就像是咀嚼著各種滋味。(圖片來源:pexels

另一名受訪者是聽覺及視覺的聯覺者,經實驗後科學家發現,若聽到數字或是月份日期時,這名受訪者的腦部除了聽覺區域外,視覺區域也會產生反應。特別的是,他本身是一名視覺障礙者。

聽覺及視覺的視障聯覺者聽到日期時,腦部視覺及聽覺區域都有反應。(圖片來源:作者自行繪製)

感官認知上特別的連結,讓聯覺者所經驗的世界像是搭載了酷炫的特效般,使他們在藝術創作及記憶上屢有出色的表現,代表人物有:知名文學《蘿莉塔》作者 Nabokov[5]、以引起聽眾共鳴聞名的音樂家 Olivier Messiaen、表現主義的經典畫家 Wassily Kandinsky 等。若想檢視自身是否為天選之人的聯覺者,除了自我覺察是否有異於常人的跨感官連結反應外,目前也有相關的測驗[6]可以參考。

你我的類聯覺」跨感官反應

若說聯覺是天生具有特別音感的人,那麼跨感官反應肯定就是音樂家們透過經驗累積產生的直覺判斷,兩者不盡相同、卻又有其類似之處。那麼,不具有聯覺的異能,我們難道只能認命當麻瓜了嗎?

別急,縱使不是聯覺者,普通人也多少會有類似聯覺的經驗,這樣的類聯覺稱作跨感官反應,往往在我們渾然不覺時,悄悄地舉辦同樂會,並影響人們的喜好、感知和行為等。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

先來看看研究者們發現的有趣現象,請看這兩個形狀:

圖片來源:作者自行繪製

過去曾有研究者以 bouba 及 kiki 兩個虛構詞進行實驗,九成受訪者傾向認為雲朵狀的形狀是 bouba,尖銳的形狀則被認為是 kiki,即使這些受訪者其實並不認識兩個假詞,但基於聲音和形狀的特徵,卻讓多數人做出這樣的選擇[7]

後續研究者也繼續投入各式各樣以不同語言文化環境為背景、不同年齡階層為對象的研究,有趣的是,結果顯示此現象幾乎是跨語言、跨文化、跨地域存在的,甚至在少與外界互動的部落居民,或是尚未識字的幼兒身上,也有這類從聲音特徵影響其視覺形狀感知歸類的效應 [8、9、10]。除了虛構的詞彙以外,有些研究者使用真實存在的詞彙(如:Bob 及 Kirk),來對應圓潤及尖銳的剪影或人臉,最後也有相似的結果[11、12]

一般人的經驗和認知,往往加速催化感官間的互相影響

除了語言與形狀外,我們生活中還有許多感官互相影響的例子,來試試看下面這張圖,你聽見聲音了嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
(圖片來源:GIPHY

瑞克搖(Rickrolled)的影片在 2019 年突破了 10 億次的 youtube 觀看次數[13、14],迷因化後大量的連結及有聲影片傳播,使得曾經的觀眾在看見這張圖時根據經驗,腦海中自然出現了<Never Gonna Give You Up>的旋律。

然而,不同於聯覺,若沒有經驗累積,跨感官的反應便無法被觸發,以上圖為例,即便觀看次數如此驚人,對於未曾接觸過此影片的人而言,由於缺乏經驗和認知的累積,在看見該張圖片時,理所當然也無法產生相對的聲音反應。

將跨感官反應置入在行銷中的策略,現正流行中!

在大量接收資訊的生活中,我們不自覺地累積了許多感官經驗,成為由單一感官啟動與其他感官同步作用的引線。行銷高手們從中嗅出了商機,精明的將消費者們不由自主產生的跨感官反應也算進了商業行銷的一環。如:某知名咖啡品牌在過去曾進行一項實驗,將兩杯一樣的咖啡配以不同的音效提供給不知情的消費者。前一杯搭配液體沖入便宜咖啡杯、攪拌,模仿沖泡即溶咖啡的聲音,另一杯則在播放磨豆聲、蒸氣聲以及倒進陶瓷杯的聲響後,再次提供給消費者,結果發現在不同的聲音所營造的環境氛圍下,同樣的兩杯咖啡,人們覺得後一杯更加濃醇香,並願意為之付出更高的金額[15]

近年熱門的 ASMR 亦是味覺和聽覺的跨感官應用,若想了解更多,別錯過之前的專欄文章﹤加點「聲音調味料」,享受聽覺與味覺的極致饗宴吧!﹥。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

下次若覺得某張圖片有聲音、光看某部電影的宣傳海報就起雞皮疙瘩,或是外帶的咖啡沒有內用的美味,也許就是跨感官反應悄悄影響了你的感覺。最後,讓我們回到一開始的問題,星期一聽起來是什麼顏色的?不論是不是藍色的,何不試試透過 GIF 圖和親朋好友無聲地分享你震耳欲聾的情感吧! 

參考資料

  1. Simner, J., Mulvenna, C., Sagiv, N., Tsakanikos, E., Witherby, S. A., Fraser, C., Scott, K., & Ward, J. (2006). Synaesthesia: The prevalence of atypical cross-modal experiences. Perception, 35(8), 1024–1033. https://doi.org/10.1068/p5469 
  2. Bankieris, K., & Simner, J. (2015). What is the link between synaesthesia and sound symbolism? Cognition, 136, 186–195. https://doi.org/10.1016/j.cognition.2014.11.013
  3. Freeman, E. D. (2020). Hearing what you see: Distinct excitatory and disinhibitory mechanisms contribute to visually-evoked auditory sensations. Cortex, 131, 66–78. https://doi.org/10.1016/j.cortex.2020.06.014
  4. BBC. (2014, September 17). Science & Nature – Horizon. BBC.
  5. Eagleman, D. (2023, September 6). Wednesday is Indigo Blue. David Eagleman. https://eagleman.com/books/wednesday-is-indigo-blue/
  6. Eagleman, D. M., Kagan, A. D., Nelson, S. S., Sagaram, D., & Sarma, A. K. (2007). A standardized test battery for the study of Synesthesia. Journal of Neuroscience Methods, 159(1), 139–145. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2006.07.012
  7. Ramachandran, V. S., & Hubbard, E. M. (2001). Synaesthesia–a window into perception, thought and language. Journal of consciousness studies, 8(12), 3-34.
  8. Ozturk, O., Krehm, M., & Vouloumanos, A. (2013). Sound symbolism in infancy: Evidence for sound–shape cross-modal correspondences in 4-month-olds. Journal of Experimental Child Psychology, 114(2), 173–186. https://doi.org/10.1016/j.jecp.2012.05.004
  9. Styles, S. J., & Gawne, L. (2017). When does Maluma/takete fail? Two key failures and a meta-analysis suggest that phonology and phonotactics matter. I-Perception, 8(4), 204166951772480. https://doi.org/10.1177/2041669517724807
  10. Ćwiek, A., Fuchs, S., Draxler, C., Asu, E. L., Dediu, D., Hiovain, K., Kawahara, S., Koutalidis, S., Krifka, M., Lippus, P., Lupyan, G., Oh, G. E., Paul, J., Petrone, C., Ridouane, R., Reiter, S., Schümchen, N., Szalontai, Á., Ünal-Logacev, Ö., Winter, B. (2021). The bouba/kiki effect is robust across cultures and writing systems. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 377(1841). https://doi.org/10.1098/rstb.2020.0390
  11. Barton, D. N., & Halberstadt, J. (2017). A Social Bouba/Kiki Effect: A bias for people whose names match their faces. Psychonomic Bulletin &amp; Review, 25(3), 1013–1020. https://doi.org/10.3758/s13423-017-1304-x 
  12. Sidhu, D. M., Pexman, P. M., & Saint-Aubin, J. (2016). From the bob/kirk effect to the Benoit/éric effect: Testing the mechanism of name sound symbolism in two languages. Acta Psychologica, 169, 88–99. https://doi.org/10.1016/j.actpsy.2016.05.011
  13. BBC. (2021, July 29). Rick Astley rolls into a billion YouTube views. BBC News. https://www.bbc.com/news/technology-58011677
  14. BBC. (2018, September 10). Rick Astley on the Rickroll meme that made him an online legend. BBC Scotland. https://www.bbc.co.uk/programmes/articles/5D3ZmWf1hJmCxCc5Vn0sS64/rick-astley-on-the-rickroll-meme-that-made-him-an-online-legend
  15. Jones, R. (2021)。跨感官心理學:解鎖行為背後的知覺密碼,改變他人、提升表現的生活處方箋 (陳松筠譯)。商周出版。

討論功能關閉中。

雅文兒童聽語文教基金會_96
54 篇文章 ・ 222 位粉絲
雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
地震前兆研究的另一條路:慢地震
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/19 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/何其恩

大家印象中的地震是什麼樣子呢?是災難電影中,地震來了就是天搖地動、山崩地裂?還是曾經在新聞上看到路面裂開、房屋損壞?

其實地震可以根據不同區域、產生原因等分成許多種類。像是火山地震、隕石地震、冰川地震⋯⋯等。如果我們用物理特性來分類,可以把地震分為快地震及慢地震。

什麼是慢地震訊號?

一個斷層存在著接近脆性變形(可以想像這時地層像餅乾一樣,受到壓力會破碎)的孕震區,當應力累積到極限時,就會發生破裂產生地震;隨著溫度及壓力改變,會慢慢接近韌性變形(這時地層比較像黏土,受到壓力不會破碎,而是直接變形,難以累積應力)的穩定滑移區。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當然也存在介於兩個性質之間的區域,就是慢地震常發生的地方,累積應力到一定程度時破裂,但又緩慢回彈,形成維持時間長但瞬時能量不大的一種地震,稱為「慢地震」。

在 21 世紀前,地球科學家們就有共識,斷層依照破裂方式可大約分成兩個種類:一種是會被鎖定一段時間,發生錯動產生地震的黏滑斷層(stick-slip faults);另一種則是持續穩定滑移的潛移斷層。

慢地震的發現,讓我們了解並驗證斷層的錯動方式,有介於上述兩者之間的模式,可以像黏滑斷層一樣累積應力,錯動的方式卻類似潛移斷層。

慢地震的發現

慢地震分成非常多種,像是長微震(Tremor)、低頻事件(LFT)、超低頻事件(VLF)、慢滑移事件(SSE)⋯⋯等。有些名字很早就被拿去火山地區使用,因為岩漿等流體造成的震動,也會有長微震、低頻事件出現。2002 年,日本學者首次發現非火山區的板塊交界帶出現了長微震,臺灣則是在 2008 年開始出現相關研究。現在學界會特別區分這些微震是屬於火山區(volcanic )還是非火山區(non-volcanic)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

臺灣的慢地震:中央山脈南段底下的長微震

在臺灣,非火山長微震主要位於中央山脈南段下方的地震空區。那裡有高 Vp/Vs 值、高地熱梯度、低電阻⋯⋯等特性,說明了在隱沒過程中,脫水產生的流體在此富集。往北方經歷更多碰撞作用時,應力在深部呈現局部集中,孔隙壓劇烈變化產生了長微震訊號。

臺灣發現的長微震比其他國家的更短、更微弱。根據文章的描述,2007 年至 2012 年中在臺灣搜尋到的長微震,最長僅約半小時左右。

此外,臺灣的慢地震有明顯的年週期性:長微震數量多時,氣壓較低、潮位較高、降水量較低,地下水位也較低。這跟我們說明了,地下水位變化帶來的應力擾動和潮汐力一樣重要,其綜合效應可能有效加速慢地震的活動性。

開啟地震前兆研究的另一條路

為什麼近年來慢地震開始受到地震前兆研究關注呢?因為研究發現,這些微震對應力的變化非常敏感,甚至潮汐力的改變都有可能影響長微震的發生率。那是不是有個可能,地震發生前的應力改變,也會反映到長微震身上呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一篇 2017 年發表在《美國地球物理研究期刊》的論文,就以 2010 年甲仙地震(規模 6.4)為目標,研究團隊分析地震發生前的長微震發生率。結果顯示在甲仙地震發生的 2 個月前以及 3 週前都看到長微震發生率的顯著變化!另一方面,研究團隊也比較了 GPS 地表位移場的資料,同樣發現在這兩個時間點出現了異常變化。

除了主震之外,團隊還研究了比較大的餘震。同樣在 2011 年 1 月一場規模 4.2 的餘震也看到類似的異常現象。不過,並不是所有餘震都能觀察到,像是 2010 年 7 月規模 5.7 的餘震就沒有觀察到任何異常變化。研究團隊表示,可能是主震造成長微震的影響還在,所以沒辦法觀測到顯著的變化。

這也說明了,利用長微震異常作為地震預測的手段還是存在許多限制。但這份研究的確為地震前兆開啟新的可能,觀察到顯著的關聯並提出可能的物理機制,為地震前兆研究注入一股新的力量!

延伸閱讀

  • Kato, K. Obara, T. Igarashi, H. Tsuruoka, S. Nakagawa, N. Hirata, Propagation of Slow Slip Leading Up to the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki Earthquake, Science, vol335, 705 (2012)
  • Chao, K., Z. Peng, Y.-J. Hsu, K. Obara, C. Wu, K.-E. Ching, S. van der Lee, H.-C. Pu, P.-L. Leu, and A. Wech (2017), Temporal Variation of Tectonic Tremor Activity in Southern Taiwan Around the 2010 ML6.4 Jiashian Earthquake, J. Geophys. Res. Solid Earth, 122, 5417-5434, DOI:10.1002/2016JB013925.
  • 慢地震 Slow Earthquake https://academic-accelerator.com/encyclopedia/zh/slow-earthquake#google_vignette
  • Yoshihiro Ito, Ryota Hino, Motoyuki Kido, Hiromi Fujimoto, Yukihito Osada, Daisuke Inazu, Yusaku Ohta, Takeshi Iinuma, Mako Ohzono, Satoshi Miura, Masaaki Mishina, Kensuke Suzuki, Takeshi Tsuji, Juichiro Ashi,
    Episodic slow slip events in the Japan subduction zone before the 2011 Tohoku-Oki earthquake,
    Tectonophysics, Volume 600, 2013, Pages 14-26, ISSN 0040-1951, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2012.08.022

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 302 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

2
1

文字

分享

0
2
1
除了像風車一樣,風力發電機還能長成什麼樣?風機百百種,沒有扇葉還可以靠震動發電?!
PanSci_96
・2023/12/11 ・5185字 ・閱讀時間約 10 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

你有騎車被擊落的經驗嗎?比馬路更危險的是,水鳥可能在天上飛著飛著,就被巨大的風機送去投胎。

不是,風機蓋那麼大幹嘛?既然核電有小型核電廠,風電應該也要有小型版吧?

事實上除了大型水平軸式風機外,我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機,甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等,這真的能發電嗎?

為何需要新的風力發電技術?

從古巴比倫人和古埃及人的時代,「風」就被視為構成世界的元素之一,因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代,有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴,就是利用風力驅動風車,並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後,中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作,例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多,但構造與荷蘭式風車沒有太大差異,都是扇面垂直於地面,並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計,真的是最理想的發電方式嗎?有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
Heron’s Windwheel。圖/wikimedia
荷蘭式風車。圖/wikimedia

先來說說大家熟悉的水平軸式風車,國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸,台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇,為什麼扇葉是三葉的嗎?或是不知不覺就認為,三葉就是最正常的結構?既然推動風車的力量來自於扇葉,不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎?而且看看風車,扇葉的面積明明就不大,旁邊都是空隙,這些能量不是浪費了嗎?實際上也確實不是越多扇葉越好,其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說,更多的葉片會帶來更多的風阻,也會降低葉片旋轉的速度,因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉,4 座三葉發電機的發電量,會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此,在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下,三葉成為最佳選擇。

對了,雖然更多葉的風機較少見,但反過來說,還真的有雙葉片,甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本,以及較快的轉速。但是,單一葉片在旋轉時並不穩定,需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量,顯得多此一舉。那雙葉呢?它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時,容易產生震動而不穩定,對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下,現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車,就有垂直軸式風車,也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣,你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它,我不是指工廠的排風球哦,而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢?因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向,它都可以發電,不需要特別轉向;此外,它也不需要水平軸式風車長長的扇葉,相對不占空間,甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中,用來捕捉方向不固定的小規模氣流,因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖/PanSci YouTube

不過城市內的風畢竟還是有限,為路燈或是小型家電發發電可以,但要能成為支撐整個城市的電力,還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海,不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機,外海的風能,就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力,也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方,但外海還是有其他原始住民的,短暫地把人類的文明,建立在其他物種的痛苦之上 最後還是會害到整體。然而,巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物,扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集,有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式,讓其他生物注意到風機的存在,進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計,可以一勞永逸?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

風力發電還能長什麼樣?

面對目前風力發電的困境,有人重新思考風力發電的構造,提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能,近年來積極發展離岸風電廠,作法非常簡單,就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時,而且成本高,施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍,這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢?來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組,省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計,這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上,除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域,我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車,這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。圖/World Wide Wind

不只如此,最特別的是,它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成,因此被取名為反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定,還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電,所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣,等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向,所以彼此干擾並不大,展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套,因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

垂直軸提供了新選擇,但只要有軸,發電機就是會旋轉,還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類,看來……只能讓風機不旋轉了嗎?等一下,風機不旋轉還能發電嗎?誒,還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術,就是這根抖動的棒子。

不要懷疑,這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了,為什麼風吹會造成這種震動呢?原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時,會在後方形成不穩定的渦流,讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近,便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代,有座位在美國的塔科馬海峽吊橋,就是因為氣流共振導致扭曲斷裂,所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

塔科馬海峽吊橋與氣流共振。

而這根風力發電棒的尺寸和材質,都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動,位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣,產生的噪音也小很多,還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片,也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置,在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下,只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機,就能產生很可觀的電能。對了 這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大,但如果每個人都同時按下訂閱泛科學,就能給我們莫大的支持與力量,麻煩各位了,跟我們一起共振吧!

話說回來,這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低,能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本,或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行,但目前在設計與量產方面仍處於開發階段,還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

講完了海上與陸地上的風機,最後,既然要靠風發電,那麼風能最豐沛的高空,能不能也來發電一下呢?

高空的發電量會更高嗎?

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央,放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右,由於風能正比於風速的三次方,所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能,之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外,也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

圖/Altaeros Energies

除了用氦氣球搭載發電機外,也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中,形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是,雖然高空發電可以節省地面空間,還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏,在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置,對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前,這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性,可以為遠離電網的偏遠地區,或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電,那好像也是挺浪漫的。

圖/wikimedia

雖然今天講到那麼多有創意的設計,但大多數的新創能源公司,都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段,還無法進入商業化生產。短期內的風力能源,還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過,未來再生能源的需求只會持續地增加,我們確實需要有更多新想法、新設計,尤其是能廣泛設置,同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步,當這些新設計的成本下降,我們就有機會在生活周遭看到它。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後也想請大家預測一下,20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢?

  1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪,感覺技術成熟後,施工成本可以降到很低
  2. 渦流震動發電棒,對環境傷害小,又不挑地方到處都能設置,積少成多
  3. 大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底,估計還是發電主力

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

討論功能關閉中。

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2177 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。