地底下的模樣：想像與現實

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

深海之下，有著許多的資源蘊藏在其中，例如天然氣、石油、金屬礦床等等，然而要找到這些珍貴的資源，就必須要先知道海床之下的地質構造，才能有效率地進行開採。怎麼樣才能知道海底下是什麼樣子呢？美國奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 的兩位科學家在近日發表了一種新方法，那就是聽鯨魚唱歌！¹

科學家如何透過神秘的鯨魚之聲，研究海底下的世界？讓我們先從地震說起吧。

地下構造長怎樣，科學家用聽的

要知道海底之下有什麼，最簡單的方法，莫過於直接鑽井下去一探究竟，但是在海底鑽井可是一門大工程，光是鑽一口井就會花費大量的時間及成本，因此在鑽井之前，必須仰賴其他的方式進行探測，而最常使用的方式之一便是所謂的「震測」。

震測顧名思義，就是利用震動來進行測量。當地震發生時，地震波會在地底下傳遞，而地震波在不一樣的地層之中有著不同的速度。這使得地震發生後，行經不同路徑的地震波，抵達同一個地點的時間會有差異，而也是因為這個差異，讓科學家可以藉此推測地底下的構造是如何。

然而地震的發生並不是人為可以控制的，因此除了自然的地震以外，有時也需要一些超自然人為的震動，其中最常見的方法就是用空氣槍 (air gun) 產生聲波，再藉由聲波在地層中的傳播來得到震測結果。

為了監測奧勒岡州外海的斷層，研究團隊 Kuna 和 Nábělek 等人在 2012 及 2013 年之間，總共施放了 54 個海底地震儀 (Ocean-bottom seismometer)。然而，除了地震波的訊號以外，他們意外地發現了一些不一樣的訊號。

海洋裡的大聲公：長鬚鯨

海底地震儀所接收到的神祕訊號，在 Kuna和Nábělek 的好奇研究之下，終於發現聲音的主人──長鬚鯨。是的，你不敢相信鯨魚在身邊~♪

長鬚鯨 (Balaenoptera physalus) 是僅次於藍鯨的現今第二大生物，體長最多可達 26 公尺，體重最高為 80 公噸，長鬚鯨也是海中數一數二的游泳高手，最快的速度約是 15 節（時速約 28 公里）。善於游泳的長鬚鯨會隨著季節進行長距離的遷徙，廣泛分布在全球的海洋之中，絕大多數的大洋中都可以發現牠們的蹤跡。

而被地震儀記錄到的，正是長鬚鯨的歌聲，它的歌聲不像大翅鯨的長音，而是類似於鼓聲的短音（歌聲在此），一唱便可以連續數十幾個小時，只有在水面換氣時會短暫停止。長鬚鯨的聲音最高的記錄為 189 分貝，相當於大型船艦航行時發出的聲音，巨大的聲響足以在海洋中傳播數百公里之遠。

發現了如此宏亮又長時間的聲音訊號，讓 Kuna 和 Nábělek 想到，是否可以利用鯨魚的歌聲來繪製震測剖面圖呢？於是發現了歌聲的主人之後，他們又繼續分析起鯨魚的歌聲。

來自鯨聲的震測剖面

Kuna 和 Nábělek 發現，訊號中長鬚鯨歌曲是由兩種頻率不同的叫聲相互交錯組成，一種是頻率約在 20-25 赫茲的高頻音，另一種則是大約 15-20 赫茲的低頻音。為了減少低頻噪音的影響，他們只選用高頻音作為分析對象，每首歌所包含的叫聲次數為 212-593 次，每次叫聲的間隔大約是 30 多秒。

而鯨魚的位置也可以從聲音來判斷，根據從直線抵達地震儀的聲音訊號，以及經過反射後才抵達的訊號間的時間差，可以推算出鯨魚和地震儀之間的距離。知道了距離之後，還需要方向與深度才能確定鯨魚的位置，地震儀可以記錄方位，但鯨魚的深度卻無法得知，還好長鬚鯨大多只在水下二十米以內的深度活動，因此 Kuna 和 Nábělek 假設鯨魚的深度為十公尺，這樣一來就可以推測出鯨魚所在的位置，也就可以正式開始震測圖的繪製了。

Kuna和Nábělek從三個地震儀中各別分析了兩首歌，總共有六首歌，也就是得到了六個震測結果。結果顯示在每個地震儀的兩首歌之間，所計算出來不論是 P 波和 S 波的波速，或者是玄武岩之上的海洋沉積物厚度，都有著相近的數據，代表了長鬚鯨的歌聲確實可以被用來作為震測的音源。

未來的震測資料，會變成鯨魚們的專輯嗎?

使用鯨魚的歌聲來繪製震測圖有許多的優點。事實上，傳統常使用的空氣槍，並非在所有地方都可以使用，而人造的巨大聲響更會形成海洋中的噪音污染。因此使用鯨魚的歌聲除了可以補足空氣槍無法使用的範圍，也可以減少海洋中的噪音，更是幾乎全年無休的自動訊號來源，最重要的是用生物取代非生物比較討喜啊，Pui~Pui~

雖然有上述的優點，但這款長鬚鯨震測仍有些缺點，例如長鬚鯨的聲音頻率偏低，難以得到高解析度的結果（作者表示聲音較高的抹香鯨很有潛力），因此只適合在地型構造較為單純的環境下進行。若要觀測複雜的構造，則需要搭配多個地震儀同時進行觀測，或者利用演算法來協助分析數據。

或許有一天，鯨魚的歌聲真的可以取代會造成空氣槍這個目前的必要之惡。到那個時候，如果在海下探險是你的願望，那就放下儀器向鯨魚問路吧！

參考資料

1. Kuna, V. M. & Nábělek, J. L. (2021). Seismic crustal imaging using fin whale songs. Science, 371, 731–735.
2. Aguilar, A., & García-Vernet, R. (2018). Fin whale: Balaenoptera physalus. In Encyclopedia of marine mammals (pp. 368-371). Academic Press.
3. 臺灣大百科全書：海洋震測

要知道地球內部的構造，最直接的方式就是鑽進地底下看看地底下長什麼樣！講是很容易，但實際起來操作可不簡單。5~6公里感覺不長，但請想像往地底下挖幾千倍的長頸鹿脖子的長度……呃不對，想像101大樓高的10倍長金屬管子往地下一插，超難的啊！！！

假如還是無法想像難度，那就看看好萊塢電影的想像方式吧！在電影《世界末日》（Armageddon）裡面，布魯斯威利很威的帶了一群鑽油工跑到小行星上面鑽井，結果不是卡鑽就是鑽到不明氣體引發爆炸；而電影《地心毀滅》（The core）雖然有更厲害的黑科技，擁有在越高溫高壓下會越硬的金屬，但鑽下去還是跟想像中的情況差很多，也一樣莫名奇妙的卡住或是掉到怪洞。其實兩個電影中，像是越鑽越硬的金屬、或是找鑽油工來鑽小行星是很扯的事，但會卡鑽、爆炸這些鳥事可是一點都不扯，現實上，鑽的越深，高溫高壓的情況就越難應付，而地質鑽井取樣的工具和鑽頭也不是在電影上面想像的那樣，像是地質鑽探常常需要取得柱狀的岩心樣本，代表不同深度的岩石性質，就必須需要有空心菜…不是是空心鑽頭，才有辦法取得樣本，就是像把吸管插到石頭中，再想辦法讓前面的地方斷掉、抽上來，才有辦法取出岩心。

這還不是最難的事，在地上還算容易，在海底的難度就更高了，鑽台也還好，最難的莫過於海洋鑽井船，因為風浪而使鑽井崩壞或是卡住的情形也十分常見，只是這麼吃力不討好的事，為什麼人們要做？好好的在一般地面上鑽不就好了？甚至…幹嘛沒事要鑽下去？地下岩漿噴出來怎麼辦？（其實真的要鑽到岩漿還不容易，而且就算讓我們鑽到岩漿，它在衝到地表前也早就固化堵死了！）

在了解人類為何要往下挖前要先知道的事

所以目前科學家了解地球內部的主要方式，是利用震波+岩礦實驗；地震波對地球物理學家來說就像是醫生看孕婦胎兒的超音波一樣。至於用波速變化分層來推測內部是什麼，運用的背景知識就是我們對地表地殼成分的理解、或是某些從海洋地殼抬升的東西、由火山帶到地表的物質，以及利用實驗室創造出高溫高壓的方式分析相同化學成分的結晶變化。

啊那不就跟猜的沒兩樣？當然不是，只是我們能用有限的資料能推理出來的結果是如此，課本還是許多科普書也都會寫著透過震波得到的結果：把地球比喻成水煮蛋，地殼相當於蛋殼、地函就是蛋白、地核就是蛋黃…但實際上，畢竟震波資料還是間接的資料，地底下到底「是什麼」，還是鑽井求解最直接。
而最近的鑽探目標就是莫氏不連續面：由克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇（Andrija Mohorovičić）觀察地震波速度資料，發現波速趨勢突然加快的地方，後來人們把這界面當作地殼和地函的交界面，如果是在大陸地殼的話就會可能比較深（厚度介於2~80公里），在海洋則較淺（0~7公里）

目前地表最深的垂直鑽井就屬前蘇聯/俄羅斯的科拉超深鑽井[1]，鑽了超過12公里深（~12662m），但可惜的是它鑽的是大陸地殼，而且是鑽很老、很厚的地區，所以即使有很多鑽井資料，但因為沒鑽穿莫氏不連續面，所以它對於我們了解地殼以下的物質還是沒有太大的幫助[2]。

除了遙遙領先的戰鬥民族，美國的科學家也有想辦法在海底鑽探鑽到地函的「莫荷計畫」（Project Mohole）。而這個計畫很快就因為政客很麻煩某些因素而停擺了，不過取而代之的深海鑽探計畫（Deep Sea Drilling Program，DSDP）最後反而支持了海洋擴張學說，也算是為後來的板塊構造學說打下基礎；而後的海洋鑽探計畫ODP（Ocean Drilling Program）和現在的IODP（Integrated Ocean Drilling Program）仍持續探索海洋地殼[3]，總說要功成身退的聯合果敢號，也仍和地球號分別在印度洋與太平洋上各自努力著。

所以地函或莫氏不連續面的研究進展怎麼了？

（雖然有點難，但因為很重要所以還是得講）

前面提到的地函和地殼交界又叫莫氏不連續面，這個定義未必會直接改寫，但可能會隨著即將進行的鑽探研究而可能要稍微調整，至於為什麼需要修正？在開始談到最新最夯的海洋鑽探研究前，我們還是得先回顧關於一些過往的研究。中學課本寫著海洋地殼平均約5公里，最厚差不多7公里，其實比大陸地殼來說，海洋地殼薄得多，且看起來厚度均勻，但實際上各地的「組成」樣子可能差異頗大，而過去也有各種不同的說法和模型，而這些推論也是根據過去DSDP和ODP的計畫鑽探所得到的。

簡單來說就是：地函和地殼的邊界長怎麼樣？是不是像莫氏不連續面可以一刀切開？還是漸漸改變的過程？這都是一個觀測數據還不夠、也還沒辦法吵出結果的東西。

這也就是為什麼要持續的鑽、用力的鑽，其實就如同各種太空計畫和宇宙探索一般，我們知道的東西永遠，永遠都不嫌多。所以關於海洋地殼不同的模型與研究，我們就先賣個關子，藉由下一篇介紹IODP Expedition 360計畫[4]的研究來認識，也了解科學家是怎麼看待地下世界的。

參考資料與延伸閱讀：

• [1]damin-interesting:科拉超深鑽井
• [2]維基百科(英文)：科拉超深鑽井
• [3]劉家瑄(2001)，海洋科學鑽探－成真的夢想。地球科學園地第十七期，地球科學文教基金會。
• [4]IODP Expedition 360計畫網頁

• 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。

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？

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。

在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。

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！

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

• 延伸閱讀：防震不是只有預警那麼簡單：大地震過後，下一步該怎麼走？

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。

要知道地球內部的構造，最直接的方式就是鑽進地底下看看地底下長什麼樣！講是很容易，但實際起來操作可不簡單。5~6公里感覺不長，但請想像往地底下挖幾千倍的長頸鹿脖子的長度……呃不對，想像101大樓高的10倍長金屬管子往地下一插，超難的啊！！！

假如還是無法想像難度，那就看看好萊塢電影的想像方式吧！在電影《世界末日》（Armageddon）裡面，布魯斯威利很威的帶了一群鑽油工跑到小行星上面鑽井，結果不是卡鑽就是鑽到不明氣體引發爆炸；而電影《地心毀滅》（The core）雖然有更厲害的黑科技，擁有在越高溫高壓下會越硬的金屬，但鑽下去還是跟想像中的情況差很多，也一樣莫名奇妙的卡住或是掉到怪洞。其實兩個電影中，像是越鑽越硬的金屬、或是找鑽油工來鑽小行星是很扯的事，但會卡鑽、爆炸這些鳥事可是一點都不扯，現實上，鑽的越深，高溫高壓的情況就越難應付，而地質鑽井取樣的工具和鑽頭也不是在電影上面想像的那樣，像是地質鑽探常常需要取得柱狀的岩心樣本，代表不同深度的岩石性質，就必須需要有空心菜…不是是空心鑽頭，才有辦法取得樣本，就是像把吸管插到石頭中，再想辦法讓前面的地方斷掉、抽上來，才有辦法取出岩心。

這還不是最難的事，在地上還算容易，在海底的難度就更高了，鑽台也還好，最難的莫過於海洋鑽井船，因為風浪而使鑽井崩壞或是卡住的情形也十分常見，只是這麼吃力不討好的事，為什麼人們要做？好好的在一般地面上鑽不就好了？甚至…幹嘛沒事要鑽下去？地下岩漿噴出來怎麼辦？（其實真的要鑽到岩漿還不容易，而且就算讓我們鑽到岩漿，它在衝到地表前也早就固化堵死了！）

在了解人類為何要往下挖前要先知道的事

所以目前科學家了解地球內部的主要方式，是利用震波+岩礦實驗；地震波對地球物理學家來說就像是醫生看孕婦胎兒的超音波一樣。至於用波速變化分層來推測內部是什麼，運用的背景知識就是我們對地表地殼成分的理解、或是某些從海洋地殼抬升的東西、由火山帶到地表的物質，以及利用實驗室創造出高溫高壓的方式分析相同化學成分的結晶變化。

啊那不就跟猜的沒兩樣？當然不是，只是我們能用有限的資料能推理出來的結果是如此，課本還是許多科普書也都會寫著透過震波得到的結果：把地球比喻成水煮蛋，地殼相當於蛋殼、地函就是蛋白、地核就是蛋黃…但實際上，畢竟震波資料還是間接的資料，地底下到底「是什麼」，還是鑽井求解最直接。
而最近的鑽探目標就是莫氏不連續面：由克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇（Andrija Mohorovičić）觀察地震波速度資料，發現波速趨勢突然加快的地方，後來人們把這界面當作地殼和地函的交界面，如果是在大陸地殼的話就會可能比較深（厚度介於2~80公里），在海洋則較淺（0~7公里）

目前地表最深的垂直鑽井就屬前蘇聯/俄羅斯的科拉超深鑽井[1]，鑽了超過12公里深（~12662m），但可惜的是它鑽的是大陸地殼，而且是鑽很老、很厚的地區，所以即使有很多鑽井資料，但因為沒鑽穿莫氏不連續面，所以它對於我們了解地殼以下的物質還是沒有太大的幫助[2]。

除了遙遙領先的戰鬥民族，美國的科學家也有想辦法在海底鑽探鑽到地函的「莫荷計畫」（Project Mohole）。而這個計畫很快就因為政客很麻煩某些因素而停擺了，不過取而代之的深海鑽探計畫（Deep Sea Drilling Program，DSDP）最後反而支持了海洋擴張學說，也算是為後來的板塊構造學說打下基礎；而後的海洋鑽探計畫ODP（Ocean Drilling Program）和現在的IODP（Integrated Ocean Drilling Program）仍持續探索海洋地殼[3]，總說要功成身退的聯合果敢號，也仍和地球號分別在印度洋與太平洋上各自努力著。

所以地函或莫氏不連續面的研究進展怎麼了？

（雖然有點難，但因為很重要所以還是得講）

前面提到的地函和地殼交界又叫莫氏不連續面，這個定義未必會直接改寫，但可能會隨著即將進行的鑽探研究而可能要稍微調整，至於為什麼需要修正？在開始談到最新最夯的海洋鑽探研究前，我們還是得先回顧關於一些過往的研究。中學課本寫著海洋地殼平均約5公里，最厚差不多7公里，其實比大陸地殼來說，海洋地殼薄得多，且看起來厚度均勻，但實際上各地的「組成」樣子可能差異頗大，而過去也有各種不同的說法和模型，而這些推論也是根據過去DSDP和ODP的計畫鑽探所得到的。

簡單來說就是：地函和地殼的邊界長怎麼樣？是不是像莫氏不連續面可以一刀切開？還是漸漸改變的過程？這都是一個觀測數據還不夠、也還沒辦法吵出結果的東西。

這也就是為什麼要持續的鑽、用力的鑽，其實就如同各種太空計畫和宇宙探索一般，我們知道的東西永遠，永遠都不嫌多。所以關於海洋地殼不同的模型與研究，我們就先賣個關子，藉由下一篇介紹IODP Expedition 360計畫[4]的研究來認識，也了解科學家是怎麼看待地下世界的。

參考資料與延伸閱讀：

• [1]damin-interesting:科拉超深鑽井
• [2]維基百科(英文)：科拉超深鑽井
• [3]劉家瑄(2001)，海洋科學鑽探－成真的夢想。地球科學園地第十七期，地球科學文教基金會。
• [4]IODP Expedition 360計畫網頁