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[科普天地][現象學觀察]颱風引發慢地震

https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3059
颱風引發慢地震
文/劉啟清2009-10【科學人2009 年第 92 期 10 月號】
重點提要
■台1970年代,地震學家發現了一種發生機制完全和正常地震相同的「慢地震」。它也會釋放原本斷層上所累積的能量,只是斷層破裂得比較慢,或是發生的時間比較長。
■台灣海岸山脈東邊的板塊擠壓,並未完全以地震或抬高海岸山脈的方式來釋放能量,可能正緩緩發生著慢地震。
■科學家發現,颱風的低氣壓可引發台灣東岸的慢地震,為地殼能量的累積與釋放,提供了一個重要的均衡管道。
前一陣子,台灣地震似乎特別多;颱風不來則已,一來就造成嚴重災情。理論上這兩件事應該沒有關係,可偏偏又讓人心生聯想。如今科學家可找到颱風與地震之間的某種關係了:颱風可以引發「慢地震」,而悄悄釋放地殼裡的能量…… 
颱風與地震是台灣的兩大天然災害,1999年的九二一大地震與2009年的八八水災都給台灣帶來重創,然而這兩種天然災害之間可能有任何關聯嗎?
相較於在大氣中形成的颱風,科學家對發生於地底下的地震行為,了解得實在非常有限。例如地球板塊如何擠壓碰撞?地震時斷層如何破裂?特別是地震發生時還有一大部份無法解釋的能量損失,這些問題都像是黑箱子裡的秘密。因此若能有辦法更仔細了解斷層的活動,或許有助於找出上述問題的答案。
地震學裡的暗能量
「地震」就是「地殼的震動」,然而要震動到什麼程度才算地震?剛好發生在某一地震儀旁邊的小震動算不算?因山崩產生的震動算不算?許許多多的疑問,卻也讓「地震的定義」越來越清楚:中央氣象局將其地震網儀器中有三部以上儀器同時記錄、且能定出震央位置的,才列入「地震目錄」中。然而過去40~50年來,地震學家也發現有一種輕微的地震活動,在地震儀器上完全記錄不到,可是其產生的機制完全和正常地震相同,也釋放了原本斷層上所累積的能量,那麼它是否應該算是「地震」呢?
地震學家將這種地震稱為「慢地震」,見文生義,就是斷層破裂得比較慢,或是發生時間比較長的地震。一般而言,典型的地震大約用數秒到數十秒來釋放其所儲存的能量,但慢地震卻花費數十分鐘、數小時,甚至數天到一星期來釋放其所累積的能量。例如1978年日本伊勢半島大地震後就有一連串慢地震;1992年美國聖安地列斯斷層於加州中部持續約一星期在應變儀上造成的一連串奇怪訊號,已證實為慢地震;甚至1960年南美智利大地震之前,也證實隱沒帶上發生過慢地震,並且在接下來發生大地震的震源區增加了額外的應力。
另外,在全球的幾個隱沒帶,如日本海溝、南海海槽隱沒帶,以及北美西岸的卡斯卡迪亞隱沒帶,都發生過多次慢地震。近年來,也有幾個報導證實GPS所觀測到的地殼變形,或應變儀所觀測到的變形,都未在地震儀上留下任何記錄,這些都被歸類為「慢地震」或「靜地震」。
慢地震在最近數十年來陸續發現、證實並逐漸受到重視,這也可以解釋在過去估計板塊碰撞過程中所產生的能量累積與能量釋放,為何經常無法達到平衡,慢地震可能可以解釋其中部份的能量缺失。
發現台灣的慢地震
為了研究台灣的地體構造環境,中央研究院地球科學研究所自2002年底開始陸續在台灣東部裝設井下應變儀,做為「台灣板塊邊界實驗室」(Plate Boundary Observatory, Taiwan; PBOT)的重要實驗儀器,期望能掌握發生在此地的菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊間碰撞擠壓、產生變形的物理現象。
會選擇台灣東部做為研究對象的另一個原因是,經由GPS觀測的速度場發現,台灣海岸山脈東邊(即海邊)的板塊位移速度,大約比海岸山脈西邊(縱谷)的速度快上約每年兩公分,亦即來自菲律賓海板塊的擠壓,應該經由某些方式吸收掉了。最一般的方式是由地震消耗大部份的能量,或是部份能量用來抬高海岸山脈,儲存於位能之中;然而實際的情況並非如此。
若仔細計算台灣東部的地震活動,小地震的發生次數遠少於四周地區;若是觀察大地震的次數,在整個板塊邊界,雖然板塊相對縮減率高達每年八公分,卻在百年內完全沒有規模大於8的地震,規模大於7的地震也只有六次。在日本,相同兩個板塊邊界的南海海槽,板塊相對縮減率為每年四公分,同樣的百年內卻有兩次規模大於8的地震,與八次規模在7.0~7.9間的地震。相較之下,台灣東部的地震發生頻率實在太低了,能量跑到哪裡去了呢?累積起來準備來一次超級大地震嗎?
當然,在台東玉里到池上間的地段,雖然在1951年有一次規模約7.0的地震,但大部份能量仍以蠕動(creeping)的方式釋放,在這一區以北的瑞穗、奇美地區卻未見有明顯的蠕動現象,因此中研院選擇井下應變儀的測站位置時,即首先考慮瑞穗、奇美地區,以尋找花東地區地殼微量變形的蛛絲馬跡。
果不其然,在2003~2007年間的觀測中,我們共偵測到20次慢地震,更令人意外的是,其中的11次慢地震發生在颱風接近台灣之時。為了解釋這樣的現象,我們經由「錯動理論」的電腦模擬,確認了斷層的錯動可以解釋井下應變儀所記錄到的「慢地震」,而颱風期間氣壓降低,有利於引發這些慢地震。
颱風如何引發慢地震?
這次研究中引用到的三個井下應變儀觀測站,分別位於瑞穗的猴子山、奇美與樟原,各站相距5~11公里。井下應變儀長約3公尺,鑽孔深度為200公尺(選擇岩層較為完整的深度),安裝時得先注入水泥,再將儀器垂直置入,讓水泥連結儀器與四周岩層,使儀器可以感應岩層的應變。井下應變儀的敏感度高達10-11(應變是一種比例,因此沒有單位,而且數值越小越靈敏),它不僅能記錄地殼岩石的微小變形,也能偵測大氣壓力的變化。
我們發現2004年12月初南瑪都颱風來襲期間,在12月1日~2日三個測站所記錄到的應變量有相當一致的潮汐變化,當2日下午氣壓降低時,應變儀也有正常的膨脹現象,但3日凌晨氣壓持續降低,儀器卻沒有膨脹。三個站同時記錄到的應變雖然大小不同,但重要改變的時間卻都一致,這表示三個站是同時受到同一事件的影響,只是因為地理位置不同,才會在應變量上有差異。
由錯動理論所發展的電腦模擬,可以有效計算地表的變形量,也可計算出井下應變儀所在位置的應變量。透過這樣的計算,我們提出了一個三階段的斷層破裂模式,可大致符合12月2日~3日三個觀測站的記錄,並描述斷層面破裂過程的細節。
在這個錯動理論模式中,前兩個階段的破裂速度大約在斷層面上以每小時0.3公里的速度發展,這相對於正常斷層的破裂速度為每秒2~3公里,差了三萬倍;而第三階段的破裂稍微變快,但是也只有每小時1.2公里。這個模式也證實了那幾天中此地發生的斷層破裂,是一次不折不扣的「慢地震」!
當一個地震的破裂速度如此之慢,表示它將大部份的能量消耗在位能及熱能上,其餘可傳播出去的振動能量就很有限,高頻能量也非常少,因此一般的地震儀才無法記錄到,或僅記錄到較低頻的震顫(tremor,近年來地震學家也開始注意地震儀中震顫的記錄,希望能藉此更了解地震的物理現象)。
一切肇因於壓力變化!
但是,我們還是要追究一個最根本的問題:為何颱風能在台灣東海岸引發慢地震?這可以用基本的物理原理來解釋。當大氣壓力降低時,井下應變儀可以很清楚記錄到伸張的反應,這表示地底下各深度的壓力都會降低。然而,如果你常去海邊,當可注意到,低氣壓時的海平面會稍高,這是因為水壓的準靜平衡:在水中,相同的深度水壓一定要相等,否則水就會由高壓處往低壓處流動,直到壓力達成平衡為止。
當台灣東部的氣壓降低時,海水就會由颱風範圍之外的遠處流往台灣海岸,直至海水面升高到能使每一深度的壓力都等同於較遠海域。於是在颱風來臨時,海域底下的地殼中壓力大致不變,而陸地底下的岩層則受壓減少(如右上圖),斷層若在海邊向西傾斜,則斷層上盤的壓力減小,而下盤不變,會使斷層面上產生一個上下的張力。這對引發此處的逆斷層活動有兩大幫助:其一是在沿著斷層面方向,上盤的地層會相對於下盤有往上的力量,即較易引發逆斷層活動;其二是在垂直斷層面上的是個張力,會降低斷層面上的正壓力,也就是會降低斷層面上的摩擦力,也有助於引發此處的逆斷層活動。
颱風的低氣壓有助於引發此處逆斷層的活動,但斷層面上累積的應力也必須達到破裂的臨界值,否則斷層活動還是不會被引發。反過來說,假如斷層累積應力已經在破裂臨界值,縱使沒有颱風到來,持續累積的應力還是會使斷層破裂。這也是為何在2003~2007年觀測期間,中央氣象局雖然共發佈25次颱風警報,但並不是每次颱風來襲都會引起慢地震,也並非每次慢地震都必須由颱風引發;而引發慢地震的颱風也不一定是要最大的,超級颱風也不一定會引發慢地震。
這是在台灣第一次發現的慢地震,也是世界上第一次明確觀測到由外力引發的慢地震,因此獲得學界的重視,並在今年6月登上《自然》。對台灣東部擠壓的板塊邊界而言,慢地震更重要的意義是,它為地殼能量累積與釋放間的平衡,提供了重要的均衡管道,也降低了這裡必然發生大地震的疑慮。陸續的慢地震觀測,將有利於地震引發過程與破裂過程的物理研究。
台灣東部板塊邊界在不同地區有不同的特性,中研院已陸續在往北太魯閣區域的板塊隱沒帶上方,設置另一個井下應變儀觀測網,並正在往南的池上、成功的板塊蠕動邊界地區設置另一個觀測網,希望能在未來提供更多的地震研究資料,揭開板塊邊界的各種奧秘。
分類:日記

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