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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。

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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。

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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。

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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

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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

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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未知的盲斷層,隱形的地震威脅
阿樹_96
・2013/06/20 ・1263字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

今年臺灣中部的地底下可不平靜,3月27日、6月2日接連的兩起地震,不禁會讓人懷疑,到底是哪條斷層在作祟呢?氣象局與許多學者都認為可能不是在地質圖上看到的斷層,而是地底下的盲斷層的錯動引發地震。所以,我們先來了解一下,何謂盲斷層。

盲斷層(blind thrust fault)示意圖,地底下的斷層並未出露到地表,在接近地表處產生褶皺(fold)。在深處發生錯動產生地震時,在地表並不會有斷層錯動的痕跡。圖片來源:USGS美國地質調查所。

盲斷層,顧名思義,就是我們無法看到它,但是地底下仍然受到強大的應力擠壓產生斷層,只是因為還未發展至地表,地質學家無法從地表觀察到露頭,因而無法確認其斷層位置。而造成這樣的原因,是地底下的岩體受到擠壓破裂產生斷層,但錯動無法完全貫穿上覆的岩層,僅造成地表有些許的隆起、背斜褶曲等現象。當然,有些時候,更難從多變的地貌,觀察到盲斷層所造成地表的些微變動。

多數的盲斷層型態為逆衝斷層,而在美國地質調查所USGS裡的名詞blind thrust fault就是特指為沒有出露地表的逆衝盲斷層。不過盲斷層未必只有這種型態,2010年3月4日發生在高雄,規模6.4的地震,就是走向滑移斷層型式的盲斷層所引起的地震。

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在1987年發生在Whittier Narrows 的地震,以及1994年的北嶺地震(Northridge earthquake),讓科學家們懷疑在洛杉磯附近存在一個盲斷層,除了利用震波測勘,也利用了GPS測量了地殼的運動變化(黑色箭頭),發現盲斷層的存在(紅色虛線)。(圖片來源:UNAVCO網站)

不會因為它是盲斷層,我們就完全無法觀察到。地震過後的餘震通常會沿著該次地震所破裂的斷層面發生,以上述2010年3月4日高雄地震為例,利用它的餘震分布,我們便可以得知地底下十幾公里處斷層大致的破裂情形,進而推估可能的斷層面,2010年3月4日高雄地震的震央附近的現地,在地震過後並無明顯的地表破裂,而過去震央附近也未觀察到斷層的露頭,因而無論在中央氣象局與中央地質調查所的公開報告中,皆認為這次的震源發生在走向滑移的盲斷層之上。

除此之外,利用震波測勘、大地測量等地球物理的研究方法,也可提供部分佐證。但要在地底下盲斷層錯動之前預先發現它,可以說是如同大海撈針,畢竟要針對一個地區做像震波測勘這樣的探測,也得要斷層面上先發生了地震,或地表有明顯的地質起伏才有深入調查的參考與根據,以目前的科技仍難以探測到未知的盲斷層,還有待科學家發展出更先進的探測或觀測技術。

雖然要找到盲斷層如同要去精準預測地震一樣困難,不過就目前的地震觀測的技術其實已經能偵測到許多小規模的地震,因此無論是今年3月27日的地震、6月2日的地震,皆能由餘震的分布找到特定的線形排列,也可以將當地過去的地震紀錄重疊起來,利用不斷累積的地震資料加以分析,隱身在地底下的盲斷層也會漸漸的顯露身影。

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(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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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。