本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。
- 文/何其恩
地震災害真的這麼可怕嗎?綜觀 1900 年以來天然災害事件的死亡人數排名,第一名的確不是地震災害(根據統計資料,目前死亡人數最多的是發生在 1931 年的江准水災,造成約莫 200 萬人死亡)。但以前十名來說,地震災害就佔了一半了,分別是:2010 海地地震 31 萬人、2004 年印度洋大地震 30 萬人(南亞大海嘯)、1920 年海原大地震 27 萬人、1976 年唐山大地震 24 萬人以及 1923 年關東大地震 14 萬人。
這說明了地震災害對人類社會有一定的致命性。它沒辦法像颱風、豪大雨可以發布透過天氣預報,也不像土石流、火山爆發有明確的指標能提早預警,做出相對應的防災措施。以目前的科技來說,地震發生到具有強大破壞性的 S 波到達,只有短短幾秒的預警時間。雖然地震測報技術比起十幾年前大有進步,距離理想的防災機制還有一大段路要走。
這也是為什麼地震預測對我們來說這麼重要。如果真的能做到像天氣預報一樣,我們就有更充裕的時間針對震災做出對應的防災動作。這篇文章統整了地震前兆相關研究及背後可能的物理機制,讓我們來認識什麼是地震前兆吧!
地震前兆的線索:地震發生的物理機制對應的可能現象
地震發生前會有什麼現象呢?首先要探討地震發生的原因及過程。撇除火山爆發、隕石撞擊、人為活動⋯⋯等因素,世界上多數地震都是由斷層錯動產生的。
因為地球板塊無時無刻都在運動,當一個區域基於一些因素而鎖定,地層就會持續的累積應力。某處發生形變、岩石產生破裂,而使地層回彈,就是地震發生的物理過程。
在這個假設下,地震要發生前必須要有應力累積,這就是地震前兆的第一個突破口。如果我們能觀察、監測到異常的應力變化,或許我們就能推測地震什麼時候可能發生。
當然,應力畢竟是一種能量,我們需要藉由其他方式去觀測、計算。像是在應力持續增加下,岩層中的裂隙可能會越來越多、孔隙率可能也會改變,以至於深層的流體往上跑,讓地下水或土壤成分發生變化;又或者因為應力改變造成岩石的磁感率發生變化,進而導致大地磁場、電場,甚至是電離層的電子濃度發生改變。
接下來我們就來討論地震前兆研究中,幾種相對直觀的前兆訊號:地殼異常形變、地下水改變、小地震增加。
大地測量
大地應力的來源大多是板塊移動,換句話說,監測地表位移就是檢驗大地應力結構的方法之一。
最直接的測量方法就是在出露的斷層兩側加上應變計(應力計)、潛變計⋯⋯等測量儀器。例如在大坡國小裡就能看到裝在池上斷層兩側的「潛變計」,藉由潛變計的數據變化,可以得知斷層兩側的相對位移,進而了解大地應力的變化。
我們統計了不同的地震,以及地表變形的數據記錄,就有機會找出它們之間的關係式。像是日本地震學家坪川家恒就曾經提出「地殼異常變形的持續天數」與「下一個可能發生的地震規模」的經驗公式。
隨著科技的進步,遙測技術也應用在大地位移場的監測。一部分的科學家把注意力放在遙測資料上,它可以更大範圍了解整體地塊移動情況,克服難以部署設備的困境,像是 GNSS、InSAR⋯⋯等方法,不過它們的缺點就是解析度有限。
地下水監測
有時候深部的變化沒辦法直接反映在地表形變,這時我們就需要參考其他數據。地下水就是一個不錯的方式,主要可以分成兩個指標:地下水位變化、地下水成分變化。
後者比較好理解,一開始我們提到,在地震發生前應力累積的時期,地層可能已經出現許多裂隙,而深部的氣體就可以沿著這些通道往地面移動。如果遇到地下水層,氣體就會進入地下水,造成地下水組成的變化。
最常使用的目標氣體就是氡氣(Rn),它在空氣的組成非常稀少,主要存在地球內部。所以當地下水監測到異常的氡氣含量,我們就會推測可能有什麼原因造成地球內部氣體往地表擴散。1966 年的蘇聯,就有科學家在加爾姆地區的地下水井中觀測到氡氣異常,進而預測接下來發生的塔什干地震。
而地下水井的水位變化,地震發生前累積應力導致地層產生應變,可能會使地層產生微小的裂隙,改變地層的孔隙率及滲透率,而造成地下水位高度變化。921 集集地震前,車籠埔斷層附近地下水井的地下水位出現明顯升降的變化。然而除了地震可能影響地下水位變化外,包括降雨、大氣壓力、潮汐甚至人為抽水等其他因素都會影響地下水井的水位變化,因此地下水前兆研究尚有重重難關,還需要更多的觀測及研究。
異常的微震數量
在應力累積的階段,斷層上小小的破裂也會產生地震,這些破裂可能隨著應力累積而持續增加,地震數量也會增加直到主震發生。在中國海城地震發生前,就曾經觀測到微震的數量突然增加。
至於地震前應力會在哪裡累積?目前還沒有一個準確的答案,可能就在震源附近,或是完全沒有預期的遙遠區域!科學家們也在研究其中的可能。
從有形到無形:從大地電場及大地磁場看地震前兆
應力改變可能還會影響到什麼呢?除了在壓力表現之外,同時也可能改變岩石的磁感率。這時我們就有機會藉由觀測大地電場及磁場的改變,尋找地震前兆的線索。
可以想像地球就像一個巨大的發電機,時時刻刻都在產生電磁場,而這些原生電磁場會在地下岩層產生或大或小的渦電流,進而產生次生電磁場穿出地表。
如果地下岩石的物理性質改變,次生電磁場也會發生異常的變化,進而造成大地電磁場異常。而另一個理論是,當岩石破裂會產生電流,伴隨強大的電磁場。
像是中央大學的研究團隊,就曾經在美濃大地震前,觀測到震央周圍數個測站出現異常的電訊號,為地震前兆研究注入了一劑強心針。雖然以目前的技術及知識,沒辦法在每次大地震前都觀測到電場異常,但它確實是一個有利的研究方向!
太空也有地震前兆?跳脫地圈的電離層觀測
擴大來看,電磁場異常還會影響遠在太空中的電離層。921 集集大地震前三天,臺灣上空的電離層濃度相較於前 15 天的中位數有降低的趨勢;在四川大地震前也曾經觀測到四川地區上空的電離層濃度明顯減少。
為什麼會影響電離層呢?目前學界有非常多相關物理模型,像是岩層可能具有壓電特性,受到壓力就會釋放出正電,形成渦電流影響電離層;或是當岩石破裂產生的電流影響電磁場,使電離層中的電漿溫度升高、體積膨脹而導致電漿粒子減少濃度降低。不過相關的理論及研究尚未成熟,其中還有許多限制及假設。
地震前兆的其他可能性:從地球科學推演到更廣的科學層面
當然有人會問:「以前聽過動物行為異常也代表有大地震發生,難道動物行為不能當作地震前兆嗎?」
現在科學家也沒辦法給出明確的答案,因為動物的行為機制太複雜了!可能某些物種能捕捉到人類無法發現的前兆,但現在階段我們真的不能確認,今天冬眠的蛇大量跑出洞穴,是因為有地震要發生?還是有其他環境因子?或者牠們只是心情不好想要透氣而已?
這些可能的方法,需要靠更多跨領域科學家們合力研究,將可能的原因及現象一一分析,未來十年、二十年後,或許地震前兆研究可以更完整、更多元。
地震前兆的困境與展望
回到現實層面,既然有這麼多地震前兆研究方法,為什麼地震預測到現在還沒有像天氣預報這麼成熟的系統呢?
雖然理論看起來可行,實際上會遇到許多困難:
1. 地層結構比想像中的還要複雜,增加許多不確定性。
地層是非均勻的。理論上我們會形容底下的地層被鎖定、在累積應力,但現實上,是有些地方被鎖定、有些地方已經破裂、有些地方呈現韌性的穩定滑移⋯⋯。理論指出的現象沒辦法穩定且顯著的發生,因為存在太多變數了!
2. 一百條斷層有超過一百個可能的物理模式。
不同地方一定存在差異,何況同一條斷層也可能因時間推移產生改變。之前就有學者嘗試計算斷層的活動週期,但結果不如預期。當時算出的地震發生週期,就在下一次地震時,又脫離了原本的週期。這也說明了斷層活動不只具有空間變異性,也同時具有時間的變異性。
為了突破這個困境,不同領域都在努力精進。相信有朝一日人類能準確地預測地震,這是災防的一大突破,也代表更了解我們所在的地球!
延伸閱讀:
- 挑戰不可能的任務–地震前兆研究
https://www.taiwan-panorama.com/Articles/Details?Guid=37afb3ec-03eb-470d-a78a-9cbee7a80857&CatId=9&postname=挑戰不可能的任務–地震前兆研究
- 地震預測:成功與不成功,行動與不行動
https://www.pixnet.net/pcard/katepili/article/b92ab550-931f-11eb-862c-3572b6eebdd3
- 臺灣地區 109 年地震前兆監測資料彙整及分析
https://scweb.cwa.gov.tw/Uploads/Reports/MOTC-CWB-109-E-01.pdf