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某科學の超電報

以衛星資訊解析 921地殼岩石變形,掌握更多地震動態

2019/04/10 |

快訊標籤921大地震, 地殼流變學, 地震, 應力, 應變, 和 斷層帶

  • 921地震教育園區內被震毀的操場,車籠埔斷層切過此處。圖/wikimedia

還記得 1999 年 9 月 21 日,凌晨一點四十七分,你在做什麼嗎?這個夜晚,臺灣面臨了一場驚天動魄的地震,地震之後,接連而來的是超乎想像的傷亡。

921大地震迄今已十九年,這些年來,為了解地震孕震過程、評估地震災害風險,以達到地震防災與減災的目的,包括中央研究院在內的許多研究機構,在全台佈設密集且連續的全球衛星觀測定位系統(GPS),長期監測地殼變形行為。

中研院地球科學研究所許雅儒研究員帶領的研究團隊,透過衛星資料,解析集集地震後地殼岩石強度的時空變化。此研究以衛星資料直接探測造山帶岩石圈流變特性,為全球首例。

地震產生的原因

許雅儒解釋,地殼岩石變形的速率,與地震周期應力(物體如果受了外力作用,為平衡外力,物體內部產生抵抗力來平衡外力)累積的過程息息相關。

地震前,斷層帶淺部通常呈現鎖定狀態,隨著溫度升高,斷層帶深部的岩石的變形特徵,轉為塑性變形。受到深部岩石變形影響,斷層帶淺層持續累積應力,承受不住時斷層便破裂而引發地震。

研究團隊也發現,集集地震後十數年的觀測資料無法由單一的線性來解釋地殼岩石變形,應力和應變之變形速率呈現非線性關係,且很有可能涉及地殼因短期受力後產生的暫態變形,以及後續的非線性變形。此結果暗示著岩石的強弱在地質時間尺度上有顯著的變化,而大地震過後短期內大量及快速的變形對臺灣造山運動亦有顯著的貢獻。

研究及分析方式

震後14年的累積地表位移。圖/中研院提供

  1. 透過衞星量測地表測站的座標,由測站座標隨時間的變化計算地表震後位移量,推測地底斷層與岩石的變形,直接解析集集地震後岩石圈強度的時空演化。
  2. 透過結合衛星量測的地表位移量,開發演算方法來計算地殼應變(物體受力後,單位長度或單位體積產生之變形量)分布。
  3. 為了解臺灣造山帶的變形,採用實驗室岩石試驗測量到的岩石參數計算地溫梯度。

衛星資料彌合實驗室與現實之間的差異

許雅儒指出,研究方式中〈採用實驗室岩石試驗測量到的岩石參數計算地溫梯度〉,對於研究臺灣山脈隆升的歷程十分重要,從臺灣西部平原到中央山脈的地溫梯度,大致由20°C/km向東遞增為30°C/km,與過去利用地質與地球物理方法所推算的數值相去不遠。這項發現說明:

雖然實驗室環境與大自然之間在時間與空間尺度上存在巨大的落差,岩石的流變特性似乎並沒有因為尺度差異的影響,而產生大幅度的偏差。

換言之,大地測量資料有可能彌合實驗室以及岩石圈尺度之間的差異,未來可研究地殼流變學和大地構造的演化過程,估算合適的物理參數以建立模型,作為地球動力學研究的參考依據,為地震孕震過程及臺灣造山運動提供新的見解與思維。

  • 本研究成果已於108年2月27日刊登於美國科學發展協會下的學術期刊《科學前緣》(Science Advances),文章標題為:「利用集集地震探討臺灣造山帶之下部地殼流變性質及地溫梯度」。(Tang, C.-H., Y.-J. Hsu, S. Barbot, J. D. P. Moore, W.-L. Chang, (2019), Lower-crustal rheology and thermal gradient in the Taiwan orogenic belt illuminated by the 1999 Chi-Chi earthquake, Sci. Adv., 5, eaav3287.)
  • 本文部分改寫自中央研究院地球科學研究所新聞稿,原標題為〈觀測921地震後地殼岩石變形 中研院率先以衛星資料解析〉

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