走過 921 的傷痛後,臺灣的地震學研究往哪裡前進呢?

  • 文/馬國鳳

大地震總是難免會帶來傷亡和損失,為此從科學面來看更應盡其所能的將地震所帶來的各種數據觀測徹頭徹尾的研究。因此,雖然九二一集集地震許多台灣人的傷痛,但在地震科學界,也因此地震而有了獨步全球的研究成果;即使我們都不希望再有這樣的強震發生,但卻無法無視自然的法則。從強震中挖掘出更多未知,解決地震危害的問題,便是從事地震科學相關研究的學者畢生職志。接著,讓我們看看集集地震讓學界學習到了什麼。

每到九月,總是讓我們想起 1999 年的 9 月 21 日的集集大地震,當年地震帶來的災害至今仍讓大家餘悸猶存。在大地震發生後,臺灣不論在地震科學、工程或防災上,都有更深入的推廣及學習,相關的成果也為世界所重視。藉由此機會,本文將介紹近年來由臺灣出發而獲世界重視的斷層動力科學觀測及分析成果。

世界各地的大地震時常帶來驚人的傷亡與損失,面對如此可怕的天災,我們的科學家又是如何應對與研究的呢?圖/Pixabay

天搖地動後,萬眾矚目的車籠埔斷層

由於前人睿智的建議,臺灣自 1993 年開始,由中央氣象局地震測報中心架設了全世界最高品質且密集的強地動觀測網,成為當時全世界唯一在災害性地震發生前擺設完成的強地動觀測網。因此,在 1999 年集集地震發生後,此觀測網資料為世界提供了解大規模破壞性地震機制最全面的研究。

另外,也透過地震資料分析及其斷層模式反演,以及地表地質的觀測,了解到破裂的車籠埔斷層北段有高達約 12 公尺的斷層滑移量,及長週期的大滑移速度值,但是在南段雖無太大的滑移量,卻有高頻振動以及高的地震動加速度,而這種大的滑移量與滑移速率的整體斷層運動行為特別受到了世界的矚目

集集大地震的這些現象為何會受到全球的關注呢?

各國科學家都非常關注集集大地震是,是地震界學者們目光的焦點。圖/Giphy

首先,在當時對於地殼應力的理解中,是無法造成如此大的斷層位移的;其次,一直以來,地震工程大多認為是地震動加速度才是造成災害的主因,但此次地震資料也揭露了大地震的滑移速度之週期對大型建物的影響;最後,在分析災害行為中,也暗示了地震破裂的複雜動力行為,故集集地震提供了地震科學及工程深切了解斷層大滑移量的物理機制及其災害特性

啟動斷層鑽探計畫、裝設現地井下地震儀

因此,在突破性的科學研究、國科會(現科技部)的支持下, 2006 年開啓了臺灣與美、日、德、義等多國共同參與的世界矚目的國際型臺灣車籠埔斷層鑽探計畫 (Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP) 。

成功的鑽探到集集地震的滑移帶,其厚度約為毫米等級,且含有非常細緻,約為奈米等級的黏土礦物斷層泥,此項鑽探結果除了增進對地震能量分區的理解,也了解到地震動力學的行為是需要地質及地震科學相互的配合。

如上述,集集地震時的高品質密集地震記錄及成功的滑移帶鑽探,提供世界研究地震動力的分析基礎。因此,透過理論力學分析地震運動滑移的時間及空間分佈,研究團隊也得到地震斷層面上的動力學參數,顯示剪切應力在斷層面上分佈的不均勻性,且其斷層摩擦力會隨時間及空間變化的複雜性。

地震總能量的分析上,藉由集集地震鑽探計畫所得到的斷層泥顆粒及厚度,得出產生此斷層泥的破碎能所做的功。在鑽井後的地球物理井測(分析穿透地層地性質的技術)及溫度量測,分析地震中熱能的耗損,以及鑽探所得的斷層帶岩芯、岩石力學分析等,皆為現在斷層力學中的高引用度文章。熱能為地震力學中最難分析的數值,在測量中所得斷層帶低摩擦係數,也促使往後世界各國在大地震後進行測量摩擦熱的鑽井計畫 (例: 2008 年汶川 WCSD 及 2011 年日本東北大地震 J-FAST) 。

隨著 TCDP 鑽井計畫成功定義出 1999 集集地震的滑移帶,研究團隊接著在井孔內安裝現地井下地震儀 (臺灣車籠埔斷層井下地震儀「Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project Borehole Seismometers Array, TCDPBHS」) 以監測發生大滑移量後的斷層帶行為。

在集集地震後啟動的 TCDP 鑽井計畫,帶來了重要的科學成果!圖/轉載自震識原文

地震動力學的研究對了解地震物理行為,如起始、傳播和癒合至關重要,斷層滑移的物性關係是地震震源動力描述的關鍵,而科學深井鑽探計畫,提供了難得的機會觀察斷層深處的破裂,讓我們得以了解 1999 年集集地震的物理環境。

其簡略流程約為:

  1. 首先,在彈性張量儲存以及釋放之處,也就是巨大的錯動破裂面上取出一段連續的岩心剖面
  2. 在高速大滑移量區採樣
  3. 確定斷層帶內的物理條件(應力、孔隙壓力、溫度)。

之後,再配合跨斷層帶的現地井下地震儀,提供斷層帶動態變化的近距離觀測資料,以了解大地震後斷層帶的構造及變化。

在多年血汗淚之後,科學家的研究成果是?

雖然 1999 年集集大地震造成大規模的災害,但由於在地震發生之前,已密集架設的強震站也提供了對集集地震進行廣泛研究的機會。因此,此項寶貴的資料除了促使世界關注高質量的近斷層資料,也提供了機會給地震學和地震工程師能更全面了解破壞性地震的災害特性。近地表最大的滑移量可達約 12 公尺,緩傾構造為科學鑽探提供了獨特的機會來了解大滑移量的斷層物理特性。

透過此項計畫,研究團隊發現微米級的滑移厚度是集集大地震的重要證據;由現地溫度測量得到的低摩擦係數也是解釋在地殼斷層是強或弱的悖論的重要發現;透過跨斷層現地井下地震儀的多年觀察,研究團隊持續努力透過近距離地震觀測資料揭示斷層帶的動力學。

從最近的研究中發現,透過動態觸發,斷層帶可能被區域或遠距離的地震影響,導致速度與應力異向性的變化,進而在大地震後,與世界上的斷層帶可能有遠程的連結;透過大地震後斷層帶的現地井下地震儀,研究團隊可以近距離觀測斷層帶行為及其隨時間的演變情形,獲得第一手資料,並瞭解地震的誘發行為

與科學家一起展望地震科學的未來吧!

科學家致力於讓整體社會有更充足的準備來面對下一個劇烈的地震,並且提升大眾對災害的認知與地震教育,尋求更好的未來。圖/Pixabay

地震科學不只是科學研究,它與民眾、社會及國家經濟都有重要的關聯。隨著對地震科學前瞻研究的投入,研究團隊在幾年前再次結合地質及地震科學,成立臺灣地震模型 (Taiwan Earthquake Model, TEM) ,瞭解臺灣的斷層及孕震特性,尤其斷層震源破裂的物理特性,藉由分析其地震波傳遞特性來了解臺灣各區域的地震危害潛勢。而地震危害潛勢分析以及未來希望獲得推廣的全震源時間及空間的地震景況與情境模擬,除了有助於地震工程及政府相關法規的推展外,亦對產業面對的地震危害有更先進的風險管理,以降低下次災害性地震帶來的風險

臺灣位於活躍的板塊活動區,地震的發生是必然的。因此在科學面上,研究團隊希望臺灣可為世界帶來更多先進的觀測及前瞻性的科學研究成果;同時,也希望透過地質及地震科學的研究,整合相關領域,提供政府及民間甚至產業更多的地震防災資訊及知識,並透過科普教育的推廣防災知識。研究團隊已為此建立了 「震識」部落格,以透過社群網站提供正確的地震地質及防災知識,使地震科學教育更加落實。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《九二一地震啟示錄:科學家的課題》,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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震 識:那些你想知道的震事

《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。部落格、粉絲專頁將於每星期二刊登新文章,歡迎各方好友來聽故事、學知識!

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