揭開高頻率地震波的神秘面紗

過去對於高頻率地震波的原因了解不多,但現在有科學家找到新的解釋。2012年十月底發表於《自然》期刊的研究指出,斷層在各次地震間癒合的時間越長,一旦斷層再次錯動破裂,地震波的速度就會越快。

「我們可以將斷層想像成地層中的裂縫或傷口。當斷層癒合時,與人皮膚癒合時的情況很像,表面會產生一些物理或化學變化。」作者麥可是美國地質調查所博士後研究員,他表示實驗模擬顯示出斷層在它們癒合時變得更有力,而癒合的過程也影響了下一次的地震。

麥可更提到,雖然下一次的地震,就規模而言不見得會比較大,但強度卻可能變得更為強烈,並伴隨更多快速震動的發生。這影響到的不只是斷層的力量,還有斷層破裂時地層震動的方式。斷層癒合的程度越大,地震發生時所產生的快速震動也越多。

斷層受到擠壓時會先有癒合的現象,直到摩擦力無法抵抗外力,錯動而釋放能量。
圖片來源:Donald Farnworth

了解地層活動的方式

另一位研究作者葛拉瑟是加州大學柏克萊分校地震工程學教授,他表示地震工程師希望能更了解及預測地震波,但高頻率地震波讓他們難以測量或用電腦進行模擬。

在地震發生時,高頻率地震波會造成許多損害,是因為它能與人造建物,像是住宅、橋墩或道路產生共振現象。葛拉瑟表示,這個斷層癒合模擬模型,可以解釋311日本大地震複雜的高頻率地震波紀錄。他說,日本大地震的高頻率地震波源位於斷層深處,離斷層滑動最大的地方有一段距離。如果這些區段癒合的程度越大,就更可能發出高頻率的地震波。

模擬地震

為了模擬高頻率的地震波,研究者首先用樹脂玻璃磚做出8吋大小的斷層模型,葛拉瑟表示,這是模擬岩石的好素材,且為了讓模型更加逼真,研究團隊還讓磚塊的表面變得崎嶇。

接著研究團隊開始對磚塊施加壓力,模擬在地震斷層上作用的摩擦力。當斷層癒合時,研究人員看到個別接觸點滑動,能量也隨之轉移。當擠壓持續進行、更多接觸點滑動,壓力在連鎖效應下持續轉移,直到最強的接觸點也滑動後,便釋放出累積的能量,就像地震的發生一樣。

研究人員將他們在實驗室的觀測結果,與在聖安德烈亞斯斷層帶(San Andreas Fault)重複地震的記錄進行比對。這些數據取自加州的帕克菲爾德,世界上地震發生區域中最被密集記錄的地點之一。

湯瑪斯與麥可兩位科學家研究帕克菲爾德的地震紀錄,指出自前次地震以來,距離上次地震的時間越久,小地震的震動越快,就像實驗室所預測的結果。

了解地震,更進一步

專門研究地震波的華盛頓大學教授菲多雖然沒有參與這項研究計畫,不過他認為這是個嚴謹的研究。他也提到,發現癒合程度較多的斷層,比過去預期還更具破壞力,令人有些沮喪,藉由斷層活動來評估危險性也還不夠準確。不過,比起較難了解的斷層史,這會是全面評估潛在威脅的關鍵。

研究團隊計畫擴大他們實驗模型的規模,並加以調查地震的觸發機制(triggering mechanisms)。

麥可表示,實驗室模型與真實斷層之間有段距離,但這項研究確實是更進一步了解地震的成果,因為他們已經開始了解一些潛在的物理原理,並將之與地震發生的方式進行連結。

資料來源:Why Some Earthquakes Are More Destructive—Live Science [2012-10-31]
論文出處:Gregory C. McLaskey,Amanda M. Thomas, Steven D. Glaser, Robert M. Nadeau (2012) Fault healing promotes high-frequency earthquakes in laboratory experiments and on natural faults. Nature, 491, 101–104.

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)


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