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「人魚」探測 –活動型海底地震儀

李祖緯
・2013/12/25 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)
古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)

說中的人魚,是既神秘又有誘惑力的生物,兼具美麗、虛榮、殘忍與不幸的哀愁,如果在旅途中看見人魚,會視為即將沈船的惡兆。然而,海洋地質學家正準備將數百個「人魚」放回大海中,如果想要聽到這些人魚歌唱,就必須等待十天後浮上海面,除非有地震發生時,才能提前耳聞。

究竟是什麼樣的人魚,具有如此的功能?原來科學家所放回的人魚,是能感測海底震波的移動式偵測器,又被暱稱為人魚的獨立驅動式活動型海洋地震紀錄儀(Mobile Earthquake Recorder in Marine Areas by Independent Drivers,簡稱MERMAIDs,字同英文的人魚),能夠偵測到海底地殼的活動情形,並幫助科學家了解地函內部熱對流的過程。

在西元2011年時,由法國尼斯大學地質科學實驗室(The Géoazur laboratory at the University of Nice)所率領的團隊,將兩個海洋地震紀錄儀投入海中,並偵測到超過一萬公里遠、芮氏規模7的地震波。在經過數次的改良,以及被證明能區辨不同形式的震波後,於今年(西元2013年)十二月的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)的年會上,決議將放置數百個同樣的裝置,作為偵測海洋地震活動的有力工具。

目前地震活動的觀測站,多半設置於陸地,但海洋占了地表面積的70.8%,卻只有少數的偵測儀器,而且必須放置在海床上。這種固定式的海底地震儀,不僅要有耐壓外殼保護,而且收集資料的時間很長,往往超過一年的時間,等到紀錄容量飽和時,研究人員再出海將儀器回收。而活動型的紀錄儀器,利用浮力筒漂浮在海底七百公尺到兩千公尺之內,並裝設水中聽音器(hydrophone)接收與紀錄各種細小的聲音,再利用微過濾器辨識震波類型,十日後可進行回收作業。

這種活動型的紀錄儀器,與傳統的儀器相比更具優勢。首先,利用浮力進行活動性的偵測,能夠蒐集到更多的資料,增強對海底地震的認知,讓地震研究能真正拓廣到全球。其次,能夠節省架設海底地震儀的成本,固定式的海底地震儀光造價就高達五萬到十萬美金,還要加上架設與回收的成本;而根據MERMAIDs團隊的估計,每一個儀器成本大約兩萬七千美金。最後,這些活動型儀器能夠與既有的固定式儀器互補,而沒有銜接上的問題。

在實際的運用上,活動型海洋地震紀錄儀能夠掌握陸地上所偵測不到的地震活動,以今年11月5日於印度洋芮氏規模5.5的地震為例,當陸地測站僅偵測到兩次地震活動時,活動型海洋地震記錄儀偵測將近兩百次的擾動,可見該設備的靈敏度。然而,依舊有不少的課題需要克服,首先電力來自於電池供應,因此續航力僅僅十天,如果需要長期的資料,仍仰賴固定式的海底地震儀。另一方面,雖然儀器能夠依P波的特性辨識地震波,但辨識率約九成左右,仍有改善空間。

研究人員對下一代產品的計畫,則是希望能利用波浪所產生的能量提供動力,並朝向輕量化、能源純淨化發展。明年會在加拉巴哥群島設置十個儀器,監測附近海域的火山活動,推廣到全球海域後,希望能夠放置三百到四百個儀器,做廣泛的探測。 (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年12月)

 

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

 

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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李祖緯
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風聲、手臂聲、地震聲?洞察號在火星上聽到的震波訊號代表了什麼?
Whyjay
・2019/07/25 ・2459字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 482 ・五年級

美國國家太空總署 (NASA) 的洞察號 (InSight) 火星探測器,在今年的4月6號 (2019/4/6) 擷取到了有史以來第一個可能是「火星震」的訊號1

這是人類在繼地球與月球之後,第三個發現的具有地震活動的天體。然而,不管是火星也好月球也好,與板塊運動活躍的地球相比都顯得死寂許多,縱使存在一些斷層、火山、峽谷 (例如火星上的水手谷),也都是非常古老的地形。可想而知,在這些不同星球上,地震的來源應該也會有所不同。

洞察號 (InSight) 火星探測器圖解。那個放在地上有圓頂的東西就是偵測地震波的儀器,叫做 SEIS。影像來源:NASA

地震波的可能來源

當物質透過振動來釋放或轉移能量時,就會形成地震波。這點與聲波非常相似──當你送氣振動你的聲帶時,就會產生聲音。

在地表附近傳輸的地震波 (振動) 被人類偵測到時,就被稱為地震。因此,任何能讓地表產生振動的方法,都是地震波的可能來源。

地球:走路、打球、山崩、斷層錯動等等

在地球上,有太多的方法可以產生地震,差別只在於規模的大小。

極微小的振動例子像是走路、打球、開車、瀑布流水等等,儀器可以檢測出由這些來源發出的地震波,但是人類自己無法感知也不會花太多心力去注意。中等程度的地震可以由諸如隧道工程、大樓爆破、山崩、火山活動、胖虎唱歌等等規模的地表振動產生,如果你身處這些事件發生地點的附近,你或許可以感受到地表輕微的震動。

而在地球上的大地震,除了少數是出自於核試驗2或火山活動之外,大部分都是斷層錯動所引起的。斷層錯動所需要的能量來自板塊之間的相互運動,而板塊運動所需的能量則來自地球內部的熱對流。

有個可以在家做的小實驗,可以讓你體會一下熱對流是怎麼驅動板塊的:只需要裝一碗豆漿,放在爐子上加熱,你就會看到豆漿表面出現的薄膜會開始受到下層液體對流的影響,不停的移動、撕裂跟聚合。(為什麼熱豆漿表面會有薄膜?請看這裡3。)

月球:隕石撞擊、熱脹冷縮、地球引力?

月震是在 1969-1972 年間,被阿波羅計畫的太空船擺放在月球上的地震儀首度發現,而且還為數不少4。除了由登月艇自身造成的人為振動外,月球上可說是缺少一切我們之前提到過的地震來源。

然而,因為月球缺乏大氣層的關係,我們可以預期有比較多的隕石撞擊事件,而每一個撞擊事件都會伴隨著地震。除此之外,科學家還提出了其他比較炫,但是物理上說得通的原因:

  • 其一是月球因沒有大氣層的關係,日夜熱漲冷縮的情形會比較劇烈,反覆膨脹收縮的結果可能會讓月球表面破裂,釋放地震波能量;
  • 其二是地球的潮汐力會把月球拉伸 (就像海洋被月球拉走形成潮汐一樣),雖然月球是固體,但累積下來的潮汐能量可能會在月球內部透過振動的形式釋放,形成地震 5,6
阿波羅任務的太空人 Buzz Aldrin 正在安裝月球上的地震儀。影像來源:NASA

火星:風聲、手臂聲、地震聲?

我們對於火星上地震來源的了解就少得多了。在 NASA 的新聞中1,你可以看到整段震波訊號被解釋成三個來源,分別是風聲、地表或地下某處傳過來的振動、與機器手臂操作時製造的振動。 en.natashaescort.com

科學家對那個「某處傳過來的振動」特別在意,原因是火星和月球與地球都不同,前面列出來的地震來源在火星上可能很罕見,但也不能完全確定不可能。會是探測器附近發生了山崩嗎?或是在某處有個小隕石撞擊?是行星冷卻時物質擠在一起發出的碰撞聲,還是火星內部還有餘熱讓物質運動並產生地震波?目前都還沒有人知道。

影片說明:第一個火星震的波形圖。地震波依照來源的不同而被分成三個區段:風聲、火星震,以及機器手臂操作時的震動訊號。 via NASA1

所以,我們如何能確定火星震的來源?

每種不同的振動來源都會產生具有不一樣波形的地震波。以斷層錯動造成的地震波和山崩造成的地震波為例,前者的最大震幅 (最大搖晃程度) 會在一瞬間忽然抵達,而且持續時間比較短暫;而山崩的地震則是漸進式的,地表會慢慢搖晃至最大程度,再慢慢地消退。

因此,地震波的紀錄相當於地震來源的「指紋」,只要累積了足夠的數據,我們就能大致推敲出比較可能的成因。

洞察號探測器只在火星上工作了短短幾個月就已經偵測到數個可能的地震,再過些時日,我們就能有更多資料,比對指紋得出火星震的可能來源。希望不是火星人在地底下蓋軍事基地的訊號!

地震波的「長相」隨著來源的不同而不同。在圖中,藍色區段的地震波是土石流所引起,而棕色區段的地震波則是典型因斷層錯動引發的地震。上下兩行波形代表在不同週期下的振動形式。via  Colin Stark & Göran Ekström 7,8

參考資料/延伸閱讀

  1. NASA’s InSight Detects First Likely ‘Quake’ on Mars
  2. 2017年北韓核武試驗
  3. 不要丟了!其實豆漿和牛奶表面薄膜超重要
  4.  Goins, N. R.; et al. (1981). Lunar seismology – The internal structure of the moon. Journal of Geophysical Research. 86:5061.
  5.  Latham, G.; et al. (1972). Moonquakes and lunar tectonis”. The Moon. 4 (3–4): 373–382.
  6.  Duennebier, F. & Sutton, G. H. (1974). Thermal moonquakes. Journal of Geophysical Research. 79 (29): 4351–4363.
  7.  Stark, C. P., Ekstrom, G., Hibert, C. Landslide dynamics from seismology: new results. Presented during AGU Fall Meeting 2015/12/14-18, EP51D-08
  8.  Detecting Landslides from a Few Seismic Wiggles. 
  9. 「洞察號」成功登陸火星,NASA 展開深度探索

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你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

Whyjay
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透過我的眼睛、鏡頭的眼睛、還有衛星的眼睛看世界的地球科學研究者。期望與你分享冰川下封存的秘密或是火山上隱藏的故事;夜晚,我們更可以遙望皎潔的明月,更遠的木星與冰衛星,甚至更遠更遠──某顆系外行星上的生命,或許也正拿望遠鏡看著我們討論人類最終的歸宿。推特:https://twitter.com/WhyjayZ (英文)

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火山爆發的場景有可能在台北出現嗎?來看看科學家如何觀測大屯火山群的「生命跡象」
研之有物│中央研究院_96
・2019/06/30 ・4782字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|古國廷、美術編輯|林洵安

大屯火山群是活火山?噴發會有大災難?

2019 年 5 月 27 日,在大屯火山群觀測研究成果記者會上,中研院地科所研究員林正洪與研究團隊經過長期監測,認定大屯火山群及龜山島為活火山。消息一出,因大屯火山群緊鄰大台北地區,噴發是否會影響民眾安全引發熱議。但科學上如何證明大屯火山群是活火山?火山噴發會造成哪些災害?應該如何監測和預防?本文專訪林正洪研究員,一一來破解。

先來瞧瞧大屯火山群的範圍有多大!大屯火山群包含 20 多個火山體,如大屯山、七星山、紗帽山、竹子山和大尖山等。這些火山體緊鄰台北地區,其中天母、北投、士林皆位於山腳,即使台北市中心的 101 大樓距七星山也不過 15 公里。

大屯火山群七星山上的小油坑。
圖片來源│林正洪

早期學者認為大屯火山群最近一次噴發已超過 10 萬年,而且不再活動,應是休火山或死火山。

「但近年研究顯示:大屯火山群噴發紀錄應為 6 千年前,而且地底有岩漿庫,這些都可以證實大屯火山群是活火山!」林正洪表示。

如何判斷火山「是死是活」?

死火山,顧名思義它不再活動,即使曾經活動,也是發生在一、兩百萬年以前,甚至更久。

而活火山,如夏威夷的火山、日本阿蘇火山和櫻島火山,幾乎隨時在噴煙,甚至偶爾還有岩漿跑上來,就是現生的活火山。

但科學不能只用描述,所以還有兩個方式來判定:其一是「憑經驗」,研究火山 1 萬年內是否曾經噴發,其二是「看現象」,看看底下是否有岩漿庫。

所謂憑經驗,就像發生竊案,警察會先找這兩、三年犯過竊盜罪的人,而不是 30 年之前有前科的人。以火山來說,噴發的歷史紀錄就是火山的「前科」,可以作為評定標準;至於為什麼是 1 萬年,是沒辦法中的辦法,因為非得訂個標準。而在地質學研究中最年經之地層為全新世 (Holocene),是大約一萬年前開始沉積之地層。

再以現象來看,如果找到岩漿庫,也就是火山的「彈藥庫」,那麼不管過去有沒有噴發,就要把它歸為活火山。

科學界多用以上兩個標準,如果都符合,就更沒有質疑的空間。

過去認為大屯火山群是死火山,近年研究卻說它是活火山,這是怎麼回事呢?

判斷大屯火山群在 10 萬年前噴發,大概是 1980 年代的研究,那時多用鉀氬做岩石定年。這種定年方式,用來測量百萬年或億萬年尺度的現象,10 萬年是它的「最小刻度」。

換句話說,使用這種方法來做大屯火山群的定年,就像拿一把刻度很粗的尺測量,發現最小刻度內有東西,但已到極限無法再細看,只能說是 10 萬年。

直到 2011 年,中研院地科所同事陳中華和俄羅斯學者,將大屯火山群的火山灰拿去做碳十四定年。這種方式的「刻度」比較細,可以到千年、萬年。結果發現:大屯火山群最近一次噴發應該在大約 5 千到 6 千年前,符合 1 萬年內有噴發紀錄的活火山標準。

除了噴發紀錄,還有證據說明大屯火山群是活火山嗎?

火山地震波也能說明大屯火山群在活動。

大屯火山群的地震波,跟宜蘭、花蓮、嘉義的地震波很不一樣。宜蘭、花蓮地震是斷層錯動,就是岩層被扯斷造成的地震振動。這種振動就好像一把吉他的弦同時扯斷,高頻、低頻、中頻各種頻率都有。

但在大屯火山偵測到的火山地震,是單一頻率的水滴狀地震波,以及多個頻率共鳴的螺絲釘狀地震波。而不論是單頻或多頻火山地震,統統都是活火山才有的現象。

為什麼?因為活火山有熱量,可以產生高壓氣體或液體,當它們從地底沿著岩縫往上竄,因為岩壁長寬固定,就會產生特定頻率的振動,好像火山在「吹直笛」!因為這個原理就像吹直笛時按住特定的孔,形成固定長寬的空氣柱,就會吹出單一頻率的聲音。

反過來說,死火山沒有熱能,不能產生這些高壓氣體和液體。就像煮開水,瓦斯還在底下燒,蒸氣不斷往上冒,鍋蓋就會動、然後呼呼作響;如果把瓦斯關掉,沒有了熱源,水會慢慢冷掉,鍋子也就不再發出聲音。

資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

除了火山地震,火山氣體氦同位素比例以及地殼變化,也都間接支持大屯火山群是有能量的火山,不是死火山,但最直接證據還是確認它底下真的有岩漿庫。

如何確認大屯火山群底下有岩漿庫?您是像電影一樣開潛艦鑽入地底嗎?

哈哈,現在的科學技術不可能帶人鑽進熾熱的地底,親眼證實岩漿庫的存在。我是用自己發明的「陰影法」,標定大屯火山群岩漿庫的位置和面積。

原理如下:在透明的盒子裡吊起一顆金球,假設盒子上方是北台灣地表,盒子裡的金球是岩漿庫。然後關上燈一片漆黑,看不見盒子裡的情況 (就像在地底一樣),盒子上方的人要怎麼知道金球的位置和大小呢?

攝影│林洵安

這時可以在盒子底下放手機,讓手機的光向上照,光被盒內金球擋住,盒子上方就會出現金球的陰影。如此一來,不但知道盒子裡有金球,還能從陰影推知金球的位置和面積。

當然,地底下不會有光源,但有和光波很像的地震波,可以形成另類的地震波「陰影」。

地震波怎麼取代光波呢?地底下一、兩百公里發生地震,就會發出地震波傳到地面。不過地震波中的 S 波,無法在液態物質中傳遞,所以當 S 波遇到液態的岩漿庫會被擋下來。

如下圖左邊的示意圖,地表的六個測站,發生地震時,黃色的地震觀測站因為位於岩漿庫正上方,接收不到 S 波,岩漿庫範圍以外的綠色測站才收得到 S 波。

於是,我就可以從哪些測站收到 S 波、哪些收不到,收不到的「陰影範圍」有多大,來估算岩漿庫的位置與面積了。

地震波的 S 波無法在液態物質中傳遞,P 波則是在液態跑比較慢。當它們穿過岩漿庫會造成 S 波陰影和 P 波緩達的現象,可用來推知岩漿庫的面積與大小。
資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

不過 S 波陰影只能算面積,無法估計厚度,因為無論岩漿庫厚度多少,S 波統統會被擋掉,這時就需要 P 波了。

地震波中的 P 波 在固體中跑得快,液體中跑得慢。所以就如上圖右邊示意圖,同樣地表有六個測站,岩漿庫外的綠色測站會先收到 P 波訊號,岩漿庫正上方的黃色測站會晚一點收到。

而且岩漿庫越厚, P 波受阻礙的距離越長,黃色測站就越晚收到 P 波。因此從 P 波的延遲時間反推,就能估算出岩漿厚度。

根據估計,大屯火山群岩漿庫所在位置,大概在金山、萬里附近,面積約四分之一台北市行政區的大小,厚度約 4 至 10 公里。

如果大屯火山群噴發,會有哪些危害?

先來了解活火山噴發會有哪些危害。全世界標準的火山災害中,「熔岩流」算是大家最熟悉的,像電影中常看到岩漿從山上流下來。其實,熔岩流對人的生命威脅很小,因為它是慢慢滾過來,看得到也跑得掉。

但有一種跟它很像的「碎屑流」,才是真正可怕的火山殺手。當岩漿從火山口跑出來,碰到空氣時從液態變成固態,先在原地不斷堆疊增高,直到撐不住才轟然垮下……

在那一瞬間,溫度高達攝氏數百度的石頭和火山灰,以時速一、兩百公里的驚人速度向下俯衝。歷史上所有火山災害中,由碎屑流造成的死傷相當可觀,因為看到了大概也跑不了。

1984年,菲律賓馬榮火山的火山碎屑流。 圖片來源│維基百科

此外,還有「火山泥流」。當火山灰噴出後先堆積在山上,就像鋪上一層厚厚的灰。遇上降雨或颱風,灰變成泥巴,像土石流一樣沖刷下來。

當泥流沖進河谷,會把谷地填滿,之後降雨沒有河道可去,就會滿溢出來。這種災情菲律賓很多,每次颱風一來,村莊就會淹大水,持續二、三十年。

回到大屯火山群噴發可能造成的災害,主要看它噴發的量有多少。如果是小規模的火山灰和熔岩流,會影響山區周遭居民。

但我們強烈懷疑火山群裡的七星山可能會活動,屆時熔岩流、碎屑流、火山泥流會沿著磺溪,沖到北投、天母一帶,對當地造成衝擊。

若熔岩流和碎屑流等流到關渡大橋一帶,那裡的河口比較窄,如果堵住淡水河、基隆河道,河水流不出去,也可能造成災害。

這次研究提到龜山島也是活火山,規模如何?可能造成什麼災害?

根據火山灰定年,龜山島距今 7 千年內就噴發了 4 次,而且目前估算龜山島底下的岩漿庫,是大屯火山岩漿庫的 1.5 倍大,這些都符合活火山標準。

如果龜山島噴發,比較可能的災害是引發海嘯,將衝擊低淺、平坦的宜蘭平原。

若大屯火山群要爆發,多久前可以知道?平時該如何監測?

科學家和政府要預報火山即將爆發,只能根據火山的異狀。但從火山開始不安定,要等多久才會爆發就很難說了。有些火山一發現異常,一個禮拜後就噴發。但峇里島曾有火山撐了兩個月,日本的雲仙火山則撐了五、六年。

不過,民眾可以安心的是,很少火山從出現異狀到噴發短於一個禮拜的。換句話說,只要做好監測,至少有一週時間可以應變。

若要即時預警,就得仰賴平時監測,包括地表溫度、火山氣體、地殼變形和地震活動等方式。因為預測常要知道火山噴發的時間、大小和地點,我覺得透過地震監測相當有用。

目前在大屯火山群佈了 40 個地震站,螢幕上面每一條線就是一個測站。當火山要噴發前,岩漿會往上抬,或使周圍壓力增加,因此產生成千上萬的地震。
攝影│林洵安

我們可以從地震的位置,判斷哪裡的地底開始有岩漿活動,再由多少觀測站偵測到地震波,估計火山噴發的可能規模。

再來,從地震所在深度,估算目前岩漿離地表的距離和移動速度,例如岩漿跑到離地表 9 公里時,會在 9 公里附近產生很多地震;隔了一個禮拜,在 7 公里深處偵測到地震,代表岩漿在過去一周跑了 2 公里。

雖然時間和岩漿跑的距離,不一定是線性關係,但這些數據仍可提供科學家參考、評估火山噴發的可能時間,必要時通知政府撤離附近居民。

但就像是照片的像素越多,影像越清晰;地震測站要夠多,偵測解析度才會夠好。所以未來,我們將增加北台灣地震測站的數量,從原本的 40 個測站,擴大到 140 個,並在測站之間,每隔數十公尺布置一台簡易、小型的地動感測器,盡可能提高偵測的解析度。

資料來源│林正洪 圖片重製│林洵安

這些年研究大屯火山有沒有難忘的回憶?

我過去不是火山學者,而是做傳統地震的,天天都在研究地震波。十多年前接觸到火山地震,發現世界上怎麼有我一輩子投入,也不曾見過的地震波。這就好像小孩子每天關在房間玩,一不小心打開門,發現外面的世界完全不一樣。

不過,十幾年前開始研究大屯火山群,除了我和少數學者,沒有人相信它是活火山。但我覺得做科學,最誘人就是你的興趣,如果是喜歡的東西,你會不計成敗榮辱去研究它。

火山地震就這樣一直吸引著我。即使現在手邊有很多事,但每天動不動就盯著地震波看。地震波對我來說,勝過所有一切。也因為在中研院工作,讓我無後顧之憂做自己喜歡的研究,才能「十年磨一劍」得到如今的研究成果。

如果下輩子還可以再回來,我也要回中研院。地球科學還是超吸引我,一輩子還是做不完,如果還有來生,Why not?

「地震波對我來說,勝過所有一切。」林正洪眼睛發亮地說:「地底就像一間黑漆漆的房間,每個地震波像是房內突然一次閃光,讓屋頂上 (地面) 的我們有一次機會窺探房內 (地球內部)的秘密。」
攝影│林洵安

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為大屯火山群不可怕,可怕來自不懂它 — 專訪林正洪,泛科學為宣傳推廣執行單位

研之有物│中央研究院_96
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「人魚」探測 –活動型海底地震儀
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古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)
古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)

說中的人魚,是既神秘又有誘惑力的生物,兼具美麗、虛榮、殘忍與不幸的哀愁,如果在旅途中看見人魚,會視為即將沈船的惡兆。然而,海洋地質學家正準備將數百個「人魚」放回大海中,如果想要聽到這些人魚歌唱,就必須等待十天後浮上海面,除非有地震發生時,才能提前耳聞。

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在西元2011年時,由法國尼斯大學地質科學實驗室(The Géoazur laboratory at the University of Nice)所率領的團隊,將兩個海洋地震紀錄儀投入海中,並偵測到超過一萬公里遠、芮氏規模7的地震波。在經過數次的改良,以及被證明能區辨不同形式的震波後,於今年(西元2013年)十二月的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)的年會上,決議將放置數百個同樣的裝置,作為偵測海洋地震活動的有力工具。

目前地震活動的觀測站,多半設置於陸地,但海洋占了地表面積的70.8%,卻只有少數的偵測儀器,而且必須放置在海床上。這種固定式的海底地震儀,不僅要有耐壓外殼保護,而且收集資料的時間很長,往往超過一年的時間,等到紀錄容量飽和時,研究人員再出海將儀器回收。而活動型的紀錄儀器,利用浮力筒漂浮在海底七百公尺到兩千公尺之內,並裝設水中聽音器(hydrophone)接收與紀錄各種細小的聲音,再利用微過濾器辨識震波類型,十日後可進行回收作業。

這種活動型的紀錄儀器,與傳統的儀器相比更具優勢。首先,利用浮力進行活動性的偵測,能夠蒐集到更多的資料,增強對海底地震的認知,讓地震研究能真正拓廣到全球。其次,能夠節省架設海底地震儀的成本,固定式的海底地震儀光造價就高達五萬到十萬美金,還要加上架設與回收的成本;而根據MERMAIDs團隊的估計,每一個儀器成本大約兩萬七千美金。最後,這些活動型儀器能夠與既有的固定式儀器互補,而沒有銜接上的問題。

在實際的運用上,活動型海洋地震紀錄儀能夠掌握陸地上所偵測不到的地震活動,以今年11月5日於印度洋芮氏規模5.5的地震為例,當陸地測站僅偵測到兩次地震活動時,活動型海洋地震記錄儀偵測將近兩百次的擾動,可見該設備的靈敏度。然而,依舊有不少的課題需要克服,首先電力來自於電池供應,因此續航力僅僅十天,如果需要長期的資料,仍仰賴固定式的海底地震儀。另一方面,雖然儀器能夠依P波的特性辨識地震波,但辨識率約九成左右,仍有改善空間。

研究人員對下一代產品的計畫,則是希望能利用波浪所產生的能量提供動力,並朝向輕量化、能源純淨化發展。明年會在加拉巴哥群島設置十個儀器,監測附近海域的火山活動,推廣到全球海域後,希望能夠放置三百到四百個儀器,做廣泛的探測。 (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年12月)

 

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地震觀測者的工作是什麼?--《震識》
震識:那些你想知道的震事_96
・2017/10/31 ・2282字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

文/張建興|前中央氣象局地震測報中心簡任技正

筆者過去在氣象局從事地震測報的工作。某日在地震宣導走廊遇到兩位氣象預報的同仁,她們正在爭論剛才是否發生地震,遂就近找了路過的我當裁判,我指了指走廊邊的震波類比記錄器,短暫解釋約在三分多鐘前於宜蘭近海處有發生地震,從紀錄可判斷該地震規模小,可能地表強震儀都只測量到 0 級的震度,因而未發佈有感地震報告,但當時在較高樓層辦公的她們其中一人,確實感覺到這起地震。

處理了這場爭議後,頗有日行一善的欣慰。事後想想,在以前還沒有發明地震儀能記錄地震波的年代,如果發生了此類爭端要如何解決?筊杯嗎?找許多人來投票嗎?再想想,雖然我長年生活在多震的環境,還好臺灣現在設置了許多的地震儀進行科學觀測,對於震動較敏感的我不用憂慮是否身體有異,還蠻幸福的。

關於地震儀的歷史與科學

中央氣象局地震測報中心外的震波類比紀錄器,潘昌志攝影。

Technology always comes from human nature. 如果地球上沒有板塊運動、不會發生地震的話,我猜人類發明地震儀捕捉地震波的動機與構想可能會延後(也許在核武發展之後)吧?當然,這樣一來我們對地球內部的了解程度可能遠比現在少多了。在小學時的教課書中讀到,西元 132 年張衡創製了人類第一部地震儀(註 1),雖然該部儀器未能記錄地震波動,概具有判知於遠域發生顯著地震的功能,但仍為全球地震科研者推崇,論述人類地震科學發展時多有著墨。十九世紀的幾位學者們運用牛頓定律,結合重錘慣性與擺的週期運動的原理,研製了最初的機械式地震儀,在地震發生大地萬物皆處振動當下,成功地記錄了觀測點的地震波動資料。

隨著觀測資料增長,地震學者於未有觀測紀錄之前發展的彈性波動理論(註 2)逐步獲得實證,從早期的定性觀察邁入定量研究,健全了地震學的研究根基。二十世紀人類科技日新月異,在基礎原理之上,機械式地震儀進化成電磁式地震儀,使用方式越加便利、資料紀錄品質更加精良。回顧地震儀的發展,這項工具乃地震科學發展史上的重要角色。

近代地震觀測儀器仍持續推陳出新,除廣泛佈置於陸地地表、深入地下,並拓展至海域,功能也益加強化,搭配數位通訊即時傳輸,匯集一定數量網絡型式的地震觀測站資料,接收後經由人工智慧軟體處理,可快速進行地震定位、規模計算、震度量測與訊息發報。有些地震儀的設計更是新潮,直接將智慧軟體植入為配件,在地震時鳴放警報音效,甚可操控穩固電梯與升降機等機具。人類文明自古對地震就多有描述,從揣測、觀測、監測到今日可預測震度即時發佈警報,最主要的環節端在研究地震波所獲得的知識幻化運用。

「解析地震波」所帶動的地震學發展

在地球的自然界中,地震波可謂最複雜的波動之一,由於天然地震的震源絕大多數以雙力偶(double couple)模式產生彈性波動(註 3),釋放的能量在體波(包括 Primary 與 Secondary waves)特殊的輻射形式(radiation pattern)下,經過非常多樣的地下介質乘載傳遞,到達地表後又產生表面波(包括 Love 與 Rayleigh waves)持續擴散,其內涵(頻率、速度、方向性等變化)可能超乎我們經常接觸到的光波、聲波與水波。地震波動紀錄除了是證實發生地震的最佳科學資料,同時也帶出許多我們無法親眼目睹的地下形貌與地質資訊。

地震能量從震源發出經傳遞路徑與場址為儀器蒐錄,地震學者分析波動紀錄,從中求取震源破裂的幾何形態、路徑上的衰減效應以及觀測位置的場址反應,讓地震研究內容十分豐富多元(註 4)。地震科學研究增進了我們對地體構造的了解,於具有震災潛在威脅區域,更能實質進行事先防範災害的相關作為,以我們所處的環境臺灣為例,非常能夠親身體驗地震科研與防震科技的發展。

臺灣發生地震的頻率還蠻高的,感受地震是臺灣人共有的生活經驗,若造成嚴重災情也會留下長久的記憶。早在十九世紀末,臺灣就設置了地震儀開始科學觀測,百來年的觀測歷史,過程中有學習、有創新,地震防災事務也在經驗中淬鍊成長,我們從921地震可以看到臺灣在事件前的各項努力,包括有建築抗震法規設計、活動斷層調查成果、建置地震訊息迅速發佈系統以及救災動員規劃(註 5)。不可諱言的,921 顯著的地震災情可能掩蓋了許多事前的努力,但我們還是必須在地震相關科學研究與防災事務持續加強,以因應此類必然再現的地震事件。

註解

  1. 根據文獻記載,張衡的「候風地動儀」嚴格來說僅是「測震儀」,因為其不具紀錄效果。
  2. 米契爾(John Michell)在 18 世紀中就提出地震是彈性波的想法,而到 1820 年代帕松(Simeon Poisson)和柯西(Augustin-Louis Cauchy)以數學的方式推導出彈性波的方程式,這些研究都遠早於機械式地震儀問世(1890 年之後,也驗證了彈性波的理論)。
  3. 天然地震若以斷層錯動型態發生時,會依錯動方向而形成不同形式(壓縮或伸張)的波動,其空間上相對應的關係如下圖所示。

    震源(focus, F)發生錯動瞬間造成波動的質點運動示意。圖取自維基百科 Focal mechanism 條目,圖片作者與來源:Mikenorton-Own work, CC BY-SA 3.0。
  4.  前述內容如震源破裂幾何、衰減效應、場址反應等研究題材,皆為來自地震資料的解析結果,這些均屬地震科學的「基礎研究」範疇。
  5. 在 1999 年之前,臺灣因過去國內的數次震災與其它國家的借鏡下(如 1995 日本阪神地震),已開始啟動多項與防災作為有關的科學研究。雖然地震災情嚴重,但許多觀測和研究也藉由九二一地震有更長足的發展,如當時剛起步的強震警報與強震儀的設置等等(詳見本站「臺灣發展地震預警的過往雲煙」一文)。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震觀測紀實:一個地震觀測工作者的故事》,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》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。

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「人魚」探測 –活動型海底地震儀
李祖緯
・2013/12/25 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)
古雷普海底地震儀(Gurlap Ocean Bottom Seismometer),包含流剖儀、微差壓力氣與備用電池的精密儀器。(圖片來源:flicker用戶:Neptune Canada)

說中的人魚,是既神秘又有誘惑力的生物,兼具美麗、虛榮、殘忍與不幸的哀愁,如果在旅途中看見人魚,會視為即將沈船的惡兆。然而,海洋地質學家正準備將數百個「人魚」放回大海中,如果想要聽到這些人魚歌唱,就必須等待十天後浮上海面,除非有地震發生時,才能提前耳聞。

究竟是什麼樣的人魚,具有如此的功能?原來科學家所放回的人魚,是能感測海底震波的移動式偵測器,又被暱稱為人魚的獨立驅動式活動型海洋地震紀錄儀(Mobile Earthquake Recorder in Marine Areas by Independent Drivers,簡稱MERMAIDs,字同英文的人魚),能夠偵測到海底地殼的活動情形,並幫助科學家了解地函內部熱對流的過程。

在西元2011年時,由法國尼斯大學地質科學實驗室(The Géoazur laboratory at the University of Nice)所率領的團隊,將兩個海洋地震紀錄儀投入海中,並偵測到超過一萬公里遠、芮氏規模7的地震波。在經過數次的改良,以及被證明能區辨不同形式的震波後,於今年(西元2013年)十二月的美國地球物理聯盟(American Geophysical Union)的年會上,決議將放置數百個同樣的裝置,作為偵測海洋地震活動的有力工具。

目前地震活動的觀測站,多半設置於陸地,但海洋占了地表面積的70.8%,卻只有少數的偵測儀器,而且必須放置在海床上。這種固定式的海底地震儀,不僅要有耐壓外殼保護,而且收集資料的時間很長,往往超過一年的時間,等到紀錄容量飽和時,研究人員再出海將儀器回收。而活動型的紀錄儀器,利用浮力筒漂浮在海底七百公尺到兩千公尺之內,並裝設水中聽音器(hydrophone)接收與紀錄各種細小的聲音,再利用微過濾器辨識震波類型,十日後可進行回收作業。

這種活動型的紀錄儀器,與傳統的儀器相比更具優勢。首先,利用浮力進行活動性的偵測,能夠蒐集到更多的資料,增強對海底地震的認知,讓地震研究能真正拓廣到全球。其次,能夠節省架設海底地震儀的成本,固定式的海底地震儀光造價就高達五萬到十萬美金,還要加上架設與回收的成本;而根據MERMAIDs團隊的估計,每一個儀器成本大約兩萬七千美金。最後,這些活動型儀器能夠與既有的固定式儀器互補,而沒有銜接上的問題。

在實際的運用上,活動型海洋地震紀錄儀能夠掌握陸地上所偵測不到的地震活動,以今年11月5日於印度洋芮氏規模5.5的地震為例,當陸地測站僅偵測到兩次地震活動時,活動型海洋地震記錄儀偵測將近兩百次的擾動,可見該設備的靈敏度。然而,依舊有不少的課題需要克服,首先電力來自於電池供應,因此續航力僅僅十天,如果需要長期的資料,仍仰賴固定式的海底地震儀。另一方面,雖然儀器能夠依P波的特性辨識地震波,但辨識率約九成左右,仍有改善空間。

研究人員對下一代產品的計畫,則是希望能利用波浪所產生的能量提供動力,並朝向輕量化、能源純淨化發展。明年會在加拉巴哥群島設置十個儀器,監測附近海域的火山活動,推廣到全球海域後,希望能夠放置三百到四百個儀器,做廣泛的探測。 (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿/2013年12月)

 

責任編輯:鄭國威│元智大學資訊社會研究所

 

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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