0

0
0

文字

分享

0
0
0

從美濃地震看盲斷層與雙主震——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/04/25 ・2622字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

文/郭陳澔|現任國立中央大學地球科學系助理教授、應用地質技師、美國紐約州大學賓漢頓分校地球物理及地震學博士。

640px-Weiguan_Jinlong_residential_building
2016 美濃地震災後 35 小時,倒塌的維冠金龍大樓。圖/由ScoutTz – 自己的作品,創用 CC 姓名標示-相同方式分享 4.0,wikipedia

2016 年 2 月 6 日所發生的美濃地震,確實衍生出許多我們平常所忽略的問題,在工程、防災與科學等層面上皆有,也需要讓我們在深切地思考後作出相對應的防護措施,以降低日後類似地震所造成的傷害。姑且不論工程與防災上的問題,在科學研究上也留下一堆問題待解決,例如,造成此次地震的地下斷層破裂形貌、發震原因與為何有如此強烈的地表振動等。一般而言,從主震發生後所產生的餘震分佈,可以用來解釋主要的斷層錯動方式,但光從美濃地震發生後餘震分佈的複雜性,就已經需要學者專家們花許多時間消化了。

不過,這也點出了臺灣島地底下的世界是多麼的變化多端,並非可用簡單的地體構造理論來解釋!此外,在媒體的關注下,對於此地震的不斷報導與討論中產生出一些對於專有名詞理解上的問題。地震發生後,學者與官方的發言不約而同說出了「盲斷層」,而後更有「雙主震」等名詞,這兩個專有名詞著實讓一般民眾十分的困惑,難道這個地震真的非常特殊或嚴重,才需要用這麼多的名詞去形容它!在地震之後的一次學術研討會上遇到氣象局地震測報中心主任郭鎧紋,閒聊之下也發現民眾對於這兩個名詞的不熟悉,在經由媒體大量的傳播後而造成的驚恐所打來的關切電話,紛至沓來,著實令地震中心的工作同仁們疲於應付。因此,值得對此兩個專有名詞源由與意義做更深入的討論。

何謂盲斷層?

blind thrust
盲斷層示意圖。圖/USGS, 2013

大家對於「斷層」的定義應該一點都不陌生,也常應用於一般的生活當中,通常是用來形容事件的不連續與間斷,例如,人才斷層、年齡斷層與知識斷層等。而在地球科學領域則指地層間不連續且有錯斷位移的地帶。斷層的發現在早期皆以野外露頭調查為主要方法,因此眼見為憑,劃定斷層的方法為依據地表有無相對錯動特徵來判定,而「盲斷層(blind fault)」則指位於深部的斷層並未破裂延伸到地表附近,因而在地表未能發現斷層的蹤跡。

在了解什麼是盲斷層後,接下來的問題是,我們是如何知道盲斷層的存在呢?究竟有多少盲斷層在臺灣島底下呢?這兩個問題確實很困難,因為我們無法在野外實際直接觸摸的到,必須依靠其它的方法,例如,鑽井、挖溝、地球物理探勘與微震觀測等四種。前兩種方法由於施測價格昂貴且探測範圍有限,一般以後兩種方法為先遣部隊,可以較廣大的範圍探測,之後確定其位置後再施以前兩種方法做精細的調查,但這也僅止於 2~3  公里深的盲斷層,更深的盲斷層調查則必須仰賴地球物理方法了。

這次的美濃地震深度約為 17 公里,因此須採用地球物理方法探測來了解盲斷層的幾何分佈。但由於地球物理探勘所獲得盲斷層的位置屬於間接方法,必須考慮其調查方法所產生的差量,其誤差量的大小取決於調查的方法與精細程度,各有其優缺點需要相互配合。

以目前的地球物理調查方法來說,反射震波測勘有最好的解析度,其誤差量可達數公尺內的等級,但因利用人工震源,其能量穿透力有限,僅止於十數公里深,也受限於現地的環境,並非隨處可測。若以微震觀測為手段,其解析度則取決於地震觀測網的密度與對於地下構造的掌握,地震網密度高與地下構造清楚將有助於提升微震位置的精確度,其誤差量為數公里,雖然觀測的深度可達數十公里,但此方法無法達到反射震波測勘的解析。

以中央氣象局所發佈的地震位置為例,在水平方面一般約有 1~3 公里的誤差,而在深度則約有 5 公里的誤差。因此,經由上面的敘述可以顯示出盲斷層調查的困難性。此外,由於臺灣身處於劇烈的碰撞環境,不論是地表斷層或盲斷層活動皆十分的活躍,從長期的背景地震觀測,深部盲斷層的分佈時有所見,只是在過去並未造成重大的災害,所以並不受到十分的重視,但近年來,不少深部地震的發生造成極大的地表振動且規模都在 6 以上,例如,2010 年甲仙地震、2012 年霧台地震、2013 年南投地震以及 2016 年的美濃地震。因此,值得進一步作系統性的分析到底有多少潛在的盲斷層。

美濃地震
美濃地震等震度圖。圖/交通部氣象局

雙主震是什麼?

「主震」已是大家耳熟能詳的地震專業用語,主震為在一地震序列中規模較大的地震稱之,而其地震序列可能包含主震來臨前的前震以及之後一連串數量與規模迅速衰減的餘震群。地震序列則是指空間與時間上連結緊密的一群地震。在極少數情形下,主震發生過後,在數秒或數分鐘後,發生一個規模大小相似的地震,發生的位置可能在同樣的斷層系統或不同的斷層系統,而稱之為「雙主震(doublet earthquakes)」。

臺灣在過去曾發生過雙主震,例如,2005 年宜蘭地區曾發生兩個規模 5.9 的地震,時間前後差約數十秒,距離也十分靠近屬於同一斷層系統。在 2006 年屏東外海也曾發生規模 6.9 的雙主震。但雙主震是如何發生的呢?在目前一般的解釋可分為兩種,第一種為發生在同一斷層系統,因第一個主震破裂不完全而伴隨第二個主震發生;第二種為發生在不同斷層系統,可能為第一主震發生後因應力的轉移觸發鄰近甚至或一段距離外已經非常脆弱的斷層系統產生錯動,若第二個主震因距離較鄰近城市區域則可能比第一個地震所帶來的災害更為嚴重。

2011 年,南美智利曾發生規模 7.1 的強震,經過 12 秒後,距離第一個主震 30 公里的地方觸發第二個深度更淺的主震,比第一個主震更有產生海嘯的風險。有趣的是,這個第二個主震的發現是經過 4 年後(2015 年)科學家仔細地研究地震波形後才發現的,主要是因為第二個主震所產生的地震波被第一個主震地震波所掩蓋相互交疊,需要花非常大的力氣才能將這兩個地震的訊號分離出來,也顯示即時偵測的困難性,因此在地震速報所要求的時效性上相當難以達成,屬於科學研究上的範疇。若要能夠挑戰這項快速的偵測任務,也需要學界做先期的研究之後並與官方合作找出可以偵測的技術方法,抓出隱藏在背後的第二個主震。


 

科月

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

 

延伸閱讀:

地震災害 誰來負責?

臺灣自製電離層探測儀 可望預測地震

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
科學月刊_96
224 篇文章 ・ 1765 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。


0

2
1

文字

分享

0
2
1

就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia