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地下水也會引發微地震?成功改寫地震理論的馬國鳳——《她們,好厲害》

PanSci_96
・2019/12/31 ・6518字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

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  • 文/楊泰興

1999 年 9 月 21 日凌晨 1 時 47 分,全台一陣劇烈搖晃,台灣的胸口在天搖地動中被撕裂;起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模 7.3 的地震,造成全台 2415 人死亡、29 人失蹤,上萬人受傷、5 萬多間房屋全倒,這是台灣戰後最嚴重的地震,史稱「九二一大地震」。

民眾憂心忡忡,不禁問:台灣為何會有這樣的巨震?何時還會再發生?這一連串問題,同樣讓世界地震專家高度關注,紛紛搶進研究。

在尋找這些攸關台灣民生、重大急迫答案的研究中,台灣並沒有缺席,而是做出了重大貢獻。其中,領軍的是一位不讓鬚眉的科學家──中央大學地球科學系教授馬國鳳。她是國際知名的地震學家,專門研究地震物理學,探討地震形成、破裂、結束的過程。

放下計算,用斷層鑽探驗證理論

2004 年,馬國鳳參與並主持「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制,並將研究結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。

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馬國鳳曾進行國際合作研究,並將結果成功發表在《自然》(Nature) 期刊上。圖/jstor

幸運加上努力,他們取得了傲人的成績,對九二一地震的成因假設,透過取得的斷層岩芯均獲得驗證,詳細描繪出這場災難的全貌。

馬國鳳說:「這些理論以前只能透過數學物理計算來驗證,沒有人真正把那塊石頭拿出來看看是什麼樣子,而這次斷層鑽探,真正檢證了這些理論。」

這就好比愛因斯坦在 1905 年發表相對論後,沒有人可以確認對錯;直到 1919 年,英國愛丁頓爵士率領探險隊,發現在非洲觀測到日蝕光線的偏折角度,是牛頓理論預言偏折角的兩倍,這才證實了相對論,愛因斯坦旋即獲得諾貝爾獎。馬國鳳在地震理論界的學術貢獻,也許就如同當年驗證相對論的愛丁頓爵士。

以肉眼判讀,用微小訊號改寫地震理論

透過鑽取的岩芯內容,團隊發現到:「滑移帶的厚度」是了解地震能量的重要參數,而厚度則影響了能量的釋放。這是世界首次觀測到大型地震的斷層滑移帶的厚度,同時也成功量化出地震時的破碎能及熱能。

另外,「主要滑移帶」也看出了每一層紋路平穩類似,顯示地震的行為不斷重複,驗證了相似性質的地震會重複發生的假說。

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也就是說,九二一地震這樣形式的大地震,在車籠埔斷層地區將會再度發生。不過,令人鬆一口氣的是,雖然 12 公分厚的滑移帶至少滑過 33 次,代表發生過 33 次地震,但推估起來,大概要到四百年後才會有機會再發生。

跨國合作中的在地研究優勢,讓馬國鳳團隊搶占先機;她卓越的整合能力,讓四國團隊發揮最大戰力,迅速繳出亮眼成績。

2012 年,馬國鳳發表在《科學》(Science) 雜誌的文章,更是真功夫的理論突破,更證實她的成功沒有任何僥倖。

這第二篇登上一流期刊的論文,成功改寫了地震的基本理論,馬國鳳訓練出的博士生林彥宇,秉持著她要求的科學信念:「要看別人看不到的東西」,因而捨棄機器判讀訊號,長達一年時間裡,透過肉眼天天研讀放在車籠埔斷層的井下探測儀訊號,發現到長期存在著「只有 P 波(上下動),沒有 S 波(左右動,也可以理解成第二波)」的特殊訊號,訊號雖微小,但十分奇特。

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這種微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景,成為她改寫地震理論的契機。

有些微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景。圖/論文圖片

一般說來,地震形成的原因,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化,以及地下核爆及其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。但是,馬國鳳證實了一個新原因假說:「其實地下水水壓引發爆裂,也會引發微地震。」

這樣的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。馬國鳳根據一年來的數據發現,這些極微小地震的震源,全都在車籠埔斷層面下方,大部分都位於深度 1300 至 1800 公尺處,那裡含有豐富的地下水,且具有高滲透性的桂竹林層(以砂岩與頁岩為主)。

馬國鳳推論,當年車籠埔斷層錯動時,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上,只能繼續累積在下方,液壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」出 2 至 5 公分的裂縫(人造地震的特色是單一點引發,P 波遠大於 S 波,岩石爆裂也會造成類似 S 波甚微的效果),才引發了微地震。

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車籠埔斷層說明圖(點圖放大)。圖/經濟部中央地質調查所

這項有理有據的創新結果,成功改變了地震學的根本理論,成果發表在 2012 年 7 月 27 日的《科學》雜誌,該類型地震由馬國鳳命名為「均向地震」(Isotropic Events)。

難以想像的是,做出這些精彩學術研究的馬國鳳,另一個身分是兩個女兒的單親媽媽。不同於其他科學家常廢寢忘食,晚上還常流連實驗室長期抗戰,她的學生透露,老師下班時間一到一定準時回家,因為要做飯給兩個小孩吃。

科學家就是科學家,不分男女

什麼時間該做什麼事情,一切都要有效率、充分利用,這是馬國鳳的長處。儘管這樣拚命工作,也常「把自己逼到牆角,瀕臨崩潰」,反而激盪出驚人的爆發力,成就斐然。

馬國鳳曾於 2011 年榮獲台灣傑出女科學家獎。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

跟其他同年齡的女性比起來,五十二年次的馬國鳳,算早婚生子。中央大學地球物理系、台大碩士畢業後,申請到美國加州理工學院地球與行星科學系博士班,與當時先生聯袂出國唸博士時,接連生了兩個女兒,一邊照顧女兒,一邊完成學業。博士資格考時,還抱著女兒去參加口試達三小時,進場時只能把嬰孩交給同學抱著。

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資格考完後三個月,馬國鳳開始帶著女兒跑研討會,小孩才三、 四個月大。幸好主辦單位理解,讓她抱著小孩坐在最後排,小孩一哭,她就抱出去。輪到她報告時,小孩交給老美同學先抱著,每個經過的人都很疑惑,「為什麼一個老美抱一個華人小孩?」

從這裡就可以看出馬國鳳不服輸,打死不退的韌性。

不少留學生夫婦一旦生了小孩,做妻子的常放棄學業,以先生、子女為重。可是馬國鳳認為,好不容易進了這麼好的學校,應該堅持下去。這是頭一次,她把自己逼到牆角,戰鬥力大爆發,不但拿到博士,還是以四年半的驚人速度唸完。

「在職場上,我一直覺得並相信,科學家就是科學家,不分男女。但在家庭裡,世俗的期待還是男女有別的,沒有支援體系支持,女科學家還是相當辛苦,」馬國鳳娓娓道來箇中甘苦,她指出,二十五歲到三十五歲間,孩子小、研究生涯正是奮鬥期,是最艱難的時刻。

2006 年,當馬國鳳準備那篇重要的車籠埔斷層論文時,她同一時間身兼研究、行政(擔任系主任),加上家庭牽絆一併襲來,但她還是咬緊牙一一面對,設定目標,堅持到最後,她再度在置於死地之後,有了突出的學術表現。

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像「車籠埔鑽探計畫」這樣的大型跨國計畫,必須協調多國學者,沒有過人的溝通整合能力難以推動,而當年竟交給了資歷最淺的馬國鳳主導,當時她才四十歲。

切菜也切得很科學,受哥哥啟發的研究路

馬國鳳一方面慶幸前輩的愛護,給她機會,但她不好意思地說:「就拍板分配這麼做、那麼做,大概我是女生,大家都讓著我,事情就這麼成了,哈哈!」或許這就是所謂有領袖魅力 (charisma) 的特質吧。

沒錯,多跟馬國鳳相處一會兒,會發現她時不時有著陽光般的燦爛笑聲,她自稱是無可救藥的樂觀主義者,是那種巴不得把所有事情掏心掏肺說給人聽的老師,她的學生形容:「老師在一樓說話,二樓都聽得到。」馬國鳳就是這樣一個人,說起話來手舞足蹈,頭也跟著擺動,說到興奮處,自己先哈哈大笑;說到低微處,眼中也淚光閃閃,讓聽者完全被她感染。

馬國鳳是怎麼走入這個冷門卻又重要的領域呢?「大概受我哥哥的影響很大吧!」她的大哥好思敏學,是個學者型人物,她回憶:「哥哥唸中學時,在課堂上學到什麼東西,就會告訴我。比如他切菜,切著切著就問:國鳳,你知道為什麼這麼切會比較好切?有什麼物理現象,連倒杯水也會跟我解釋表面張力。」

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切菜也可以討論物理,生活處處是科學。圖/Giphy

大哥上國中時學到英文,也會教還在唸小學的馬國鳳,因此她提早接觸英文,也愛上英文;高中時,她猶豫要唸文組還是理組,大哥告訴她,理組轉文組相對容易,一槌定音,影響了她的一生。

受唸物理系的大哥影響,妹妹自此愛上數學與自然科學。想唸物理系,考大學選填志願,傻呼呼看到中央地球物理系有物理兩個字就填了,而且就考上了。完全沒有想到地球物理跟一般物理差距甚大。

「那個年代誰知道地球科學是什麼啊?」馬國鳳大咧咧地坦白,唸什麼也是緣分。大學聯考時,還沒考完最後一科物理,就自己鬆懈了,開起了慶功宴,「當時覺得好興奮,終於快考完了,只想著要把書全都燒了。」

「囂張」的結果,是最熱愛的物理考得最差,僅略高於低標。考完後,馬國鳳跟老師對答案,物理老師當場臉色鐵青,無比樂觀的她還安慰老師:「老師,考過就算了。」

既來之,則安之。在中央大學時,馬國鳳按部就班,該唸什麼就唸什麼,盡本分不蹺課,仍在班上維持前幾名。

直到大四修習地震學,一向喜歡數學、物理的馬國鳳,看到滿黑板的方程式,有些同學很吃力,她卻好像蜂兒看到花,開心得不得了,當老師在講台上說:「不好意思,寫了很多數學。」她還納悶:「教授幹嘛道歉?」

這門需要學習「波動方程式」、「破裂物理的力學」,結合了數學、物理還有地科知識的學問,讓馬國鳳完全入迷,從此決志要當一個地震學家。

為科學發現狂喜,為人生短暫執著

拿到博士後,馬國鳳已經成為一個對地震研究狂熱的科學家,九二一地震後回校召開地震研究成果記者會,馬國鳳當時只想著:這是重大的科學發現,跟我的研究符合。她陳述成果時喜形於色,下台後學生狐疑地問她:「老師,妳好像太興奮了?」

這時馬國鳳才驚覺,「對科學發現的狂喜」,讓自己忘記了這是場大災難,她也深自反省「地震學」這門災難科學的特殊性。做為「災難的獲利者」,她必須從地震成因的研究中,積極提出防災與減災的建言。

而這場地震,也讓馬國鳳首度震懾於造物者的巨大力量。在霧峰斷層的現場,她有著一次近乎「天啟」的奇特經驗。那天她看著大甲溪裡因地震板塊運動形成的大瀑布時,心中的驚詫讓她不停喃喃自語:「我相信板塊運動,我相信恐龍是會滅絕的!」

弔詭的是,對地震學家而言,「板塊運動」應該是近乎信仰、寫過 N 次的專有名詞。馬國鳳這時才體悟到,「知道跟相信,竟有如此的不同,」這時她才真的感覺到,地球是這麼動盪,人們覺得「不動」,是因為生命短暫。當時馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。

體認到生命短暫,馬國鳳暗自下決心,人生短暫,必須做一些特別的東西。圖/取自書籍《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界

遇見科學界大師,學習「為科學而科學」

在學術這條路上,馬國鳳屢逢貴人。唸碩士時,她跟著中央研究院王錦華教授做研究,自此,有了第一個學術典範。她記得,王教授常對她說,做科學要想著:「我們可以為人類做什麼?」

申請博士班時,馬國鳳竟然申請到非常難申請的加州理工學院,當時台灣已經有十年沒有人進這所學校。馬國鳳說,收到入學許可時的情形,至今還歷歷在目。她形容:「當我知道要收我了,就從那個走廊頭一路跑到走廊尾,一直『啊──』這樣尖叫,衝到王老師辦公室報喜,說加州理工接受我了,探頭出來看的老師們也直呼不可置信!」

馬國鳳成為該系多年後第一個台灣學生。之後,台灣開始與世界頂尖的加州理工學院,在地震與地體構造研究上密切相連。

王錦華曾給馬國鳳許多第一流的文章閱讀,她從中認識了兩個大師的名字──加州理工學院的金森博雄 (Hiroo Kanamori) 與麻省理工學院 (MIT : Massachusetts Institute of Technology) 的安藝敬一 (Keiiti Aki),這兩位日裔學者,後來也成為她學術路上的貴人。

兩位大有來頭的教授,提攜馬國鳳不餘遺力;九二一大地震後,安藝曾訪台,晚餐時勉勵她:「國鳳,妳現在應該做的,就是把九二一地震所有的訊息整合,寫出妳非常重要的文章。」

「當時我說我會做,但到他過世的時候,我還沒有做完。我就覺得,他交代我的事情我還沒做完,他怎麼可以就過世了,」說到這,一直情緒高昂的馬國鳳突然靜默好一會兒。

在加州理工求學時,馬國鳳拜入另一位大師金森博雄門下,他學術成就斐然,現今地震學界通用測量地震大小的量度,就是他在 1977 年提出的;金森也是世界地震預警制度的重要推動者,日本為世界所稱道的預警制度,就由他奠基。

2005 年發生蘇門答臘大地震,引發大海嘯,讓金森十分懊悔,認為延誤了警告,是地震學家的失誤。因此,他開始研究如何在數分鐘內預警出規模九級的海嘯。這樣的努力讓後來日本三一一海嘯發生時,民眾儘快知道地震及海嘯的可能性而提前疏散。

2004 年蘇門答臘大地震直接影響的全部國家。圖/Wikimedia Commons

馬國鳳曾跟金森說,雖然三一一海嘯不幸造成一萬五千人死亡,但這要是發生在其他地方,死亡人數絕對超過。金森只遺憾地說:「我不喜歡聽到這種話,我們可以做更多。(We can do more.)」就是這種關懷社會的精神,深深影響著馬國鳳。「金森老師是我的人生導師 (mentor),我崇拜他!」她說。

金森曾建議馬國鳳,如果要對社會有更實質的貢獻,應該結合地震學與工程,對社群做出影響,這也成為馬國鳳現在努力的方向。

為了參與社會,少有學術第一線上的學者,像馬國鳳這麼勤於科普演講;用 Google 搜尋,你會發現她在全台包括北、中、南各地做地震教育演講的影片,遍及各高中、大學、活動中心。影片裡,她熱情洋溢地介紹豐富材料,每次到快結束時都焦慮地跟聽眾說:「我還有好多沒講完!」學生私下透露:「其實有的演講,車錢開支都比車馬費高。」

馬國鳳總結兩位大師對自己的影響:「他們不為功名、也不求名利,你會發現他們就是科學家,為科學而科學,就是這麼單純。」她說,他們不但科學研究非常先進,更與「應用」達到平衡,這也成為她追求的典範。

別停下腳步,下一步來研究地震的「稗官野史」吧!

有兩篇論文名列第一流的期刊《自然》與《科學》,馬國鳳自認對學術已有交代;現在手頭上最燙手的任務,是推動台灣地震模型計畫 (Taiwan Earthquake Model),目前已加入全球地震模型組織 (Global Earthquake Model) 這個聯合國世界地震組織的會員。推動這個計畫,需要國家科學委員會跟許多學者支持,處理很多行政事務,相當繁重。

「回到家時我常想,自己沒事找事做!孩子也大了,可以悠閒過生活了,幹嘛去提地震模型計畫啊?」馬國鳳苦笑。

但話鋒一轉,樂觀主義者馬國鳳又彷彿看到陽光,希望台灣走出去的使命感,深深影響了她,「台灣這方面的經驗,是值得全世界學習的。再者,我希望透過模型計畫,整合台灣地質、地震、工程設計;這些領域過去各自為政,但是現在能建立共識,這讓我很感動。」

說著說著,馬國鳳又拋出一個夢想:「我也希望可以做個有關地震的『稗官野史』。例如:1906 年的梅山地震,女性死亡比男性多,就是因為女性裹小腳,相關資料如果整理得齊全,也許能出書,哈哈!」講到高興處,笑容燦爛的馬國鳳又手舞足蹈起來。

看來,馬國鳳即便有一天沒在科研最前線,恐怕也沒有閒下來的時候。

台灣傑出女科學家獎設立於2008年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。



本文摘自《她們,好厲害:台灣之光.18位女科學家改變世界》,2013 年 12 月,遠見出版。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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地震前兆研究的另一條路:慢地震
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・2023/12/19 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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。

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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)。

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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?

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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

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