地底下的模樣：想像與現實

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

• 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。

• 文／洪瑞駿｜國立中央大學地球科學學系-地球物理研究所碩士，對地球科學充滿好奇與想像的南部仔，因為 2006 屏東雙主震搖起對地震學的熱誠，目前在地震源與構造實驗室當個快樂的研究助理，夢想是當科學家（菸）。

現在只要在 google 上搜尋地球構造，立刻就有上百張地球內部構造的圖片，這些圖片描述著地球有著地殼，包覆著厚厚的地函，然後中間有顆熾熱的地核，如下圖。乍看之下，地球就像是一顆雞蛋：薄薄的外殼、蛋白地函、以及圓潤的蛋黃地核。然而，真實的地球半徑大概是 6,400 公里，即便是那「薄薄的殼」都有 10~30 公里厚。這是如何知道的呢？

有些人會說為何不直接鑽一口井直達地心就好？眼見為憑是最直接的方式！ 雖然 2016 年里約奧運閉幕影片上，安倍首相藉著哆啦A夢的道具從日本鑽井穿越地球到巴西，但以現實來說，鑽井遇到的極端壓力及超高溫度，要直達地心仍是不可能（目前最好的鑽井技術大概只能剛好穿破地殼而已）。因此，也只有仰賴非侵入式的探勘了！

又不是帶地球看醫生，怎用「非侵入式探勘」？

當我們照一張 X 光時，部分的 X 光波會穿越身體並顯影出來，然而，如果 X 光碰到骨骼等硬物時便會反射，在影像上便無法呈現而留下空白（這也就是為什麼照 X 光時，醫護人員都會提醒項鍊要拿掉，你應該不希望項鍊亂湊一腳吧？），雖然我們無法直接拿醫療用的 X 光穿透地心，但卻可以運用同樣的原理探勘地球內部。如果我們能製造出穿過地心的波動，地球構造也可以像拍 X 光一樣來得到才對，答案很接近了！ 所以，我們缺乏的關鍵就是：要如何製造巨大的波動源？ 最好還要傳得夠遠、能穿進地球深處。

故事要先回到 1889 年 4 月 17 日，德國天文學家瑞布爾帕西維茲（Ernst von Rebeur-Paschwitz）一如往常地走到他在波茨坦電報山（Telegraph Hill）的重力觀測站查看天文引力（因為天體造成引力的變化）留下的重力紀錄。那天，不同於往常圓滑的波動，一個短暫而劇烈震盪的訊號被記錄下，如下圖，起初他十分困惑，不知道該如何解釋這個古怪的訊號。

不久，有消息表示，日本遭受了一場大地震，時間正是它觀測到這個訊號前的幾個小時，他立刻意識到原來這是遠自日本的地震波紀錄！ 這是世界上第一張遠震紀錄，地震波穿越了 1/4 個地球，搖晃了將近 9,000 公里外的儀器。至此，我們理解了地震發生時，震波其實是可以擾動整個地球的。完美的波動源找到了—地震！人體雖感受不到來自遠方的振動，但靈敏的儀器卻有辦法接受到。

偵測細微震波的最佳利器：地震儀

前面提到，天然地震提供了強大的震源能量，最好的接收器莫過於地震儀。

世界上第一台地震儀是 1755 年由義大利人所發明； 19 世紀起，高精度的地震儀開始量產，其中包括、威赫式地震儀、米爾恩-格雷地震儀等。這些儀器被安置在世界各地（但還不普及），開始了地震的科學觀測。1906 年舊金山發生規模 7.8 的地震，在克羅埃西亞札格瑞布天文台的地震儀也劃下這場地震的波動，當時的著名地震學家莫霍洛維奇（Andrija Mohorovičić ）很快就意識到，若要有更好的紀錄，必須要申請經費添購更多、精度更高的地震儀。

增設地震儀乃先見之明之舉，因為在稍後的 1909 年，札格瑞布南方 40 公里便發生強烈地震，他安置的幾部地震儀清楚記下完整的震波紀錄，根據不同位置的波動紀錄，他將地震儀相對於震央距離排開，並對齊地震發生時間作圖（走時圖，下圖，參考註1）。

如果波速完全固定、地底構造完全一致，則震波的走時曲線應該僅是單一的排列，但他發現有些震波到一定距離過後，其走時曲線出現明顯的不同（地震波傳遞速度突然加快）。由於地震站離震央越遠，震波掃過的深度就越深，他便理解到這表示在地底較深處有另一個構造，由於震波速度非常不同，它與淺部的地質材料組成應該非常不一樣（當時還未知其組成）。

這個邊界，正是區分地殼與地函（蛋殼與蛋白）的位置。後人為了紀念他的發現，便以他的名字命名，稱莫氏不連續面（或稱莫荷面），其中不連續的意思是指速度在此出現不連續，有突然加快的特徵。

是什麼讓地震波「加速」？

當地震發生後，震波在地球內部傳遞，一開始的波在地殼裡傳遞（以 Pg 波／Sg 波稱呼）。由於波傳遞越遠，震波掃過的深度會增加，當掃到莫荷面時，會出現反彈波以及沿著莫荷面前進的波（稱 Pn 波／Sn 波），這個波以較快的速度前進，因此在走時圖上便會看到另一條行進較快的波相（下圖）「超車」了，而藉由簡單的運算（距離÷時間）就可以算出波經過該介質的速度。

然而，在真實的自然界中，地球構造的複雜性，讓地震波更加複雜，而隨儀器逐漸精巧進步，也讓地震學家發現更多的波相，仔細再分可能地球內部還有好多不同的分層，自此往後幾年內，地球深部構造的探勘似乎成了熱門的議題。

所以接下來的另一篇文章，我們將隨著過去的科學家如何找尋深入地球核心的地震波，解釋地震學家是如何找到地球的蛋黃。敬請期待下回分曉！

註解

1. 走時圖指將地震波紀錄對齊某一個時間（通常是地震發生時間），並依照震央距離排開，地震學家可以藉由分析不同震波傳遞的過程來判斷震波經過的地底構造特徵（如上圖）。

參考文獻

• Herak, D. and M. Herak (2007) Andrija Mohorovičić (1857-1936)—On the occasion of the 150th anniversary of his birth. Seismol. Res.Lett. Vol. 78, 6.
• Shearer, M. P. (2009) Introduction to Seismology. Second Edition, Cambridge Univ. Press. New York.
• Zhu, L., Luis A. Rivera (2002) A note on the dynamic and static displacements from a point source in multilayered media. Geophys. J. Int. Vol. 148,3.

本文轉載自震識：那些你想知道的震事，原文為《幫地球照一張X光 (I)地震學家如何用地震波了解地球構造?》，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。