地球科ㄎ學-podcast

2015年4月22日 星期三

感謝終於有人關心到地震成因



關於4/20花蓮外海的地震,還有很多更重要、值得關心的事啊!譬如從台北盆地的放大效應,探討台北還有多少建物不符合耐震標準?也沒有人討論已經斷了半年以上的海纜地震站,因為它是離震央很近的測站啊!少了一個站,我們也少了一次機會看看多一個海底測站對地震預警的幫助。而關於斷了線的海纜,也是幾天前就聊過的事,在此就不細談,我們就著重在目前多數關注焦點:地震的成因。

先簡單的提一下,地表的侵蝕作用可能會刺激地震發生這篇文章和土壤鬆軟導致地震發生兩件事是毫無關聯的,更不用說前者可以證實後者有可能,當你若知道地震發生的機制就會明白這當中的差異。而實際上還有很多迷思是大家沒注意到,譬如斷層、地震、板塊、地殼這些看似基本,卻只認識字而不知其內涵的東西。

關於地震成因,很少人知道來龍去脈
地震真正的成因,是還未完全明瞭的,如果知道的話,那我們等同於可以「預測地震」(勿斷章取義,還有下文)。至於地震發生的「機制」,卻早有科學家從野外觀察、實驗、論證等各種嚴謹的科學方法提出理論:彈性回跳理論,簡單來說就是岩石受力產生破裂會產生錯動,形成斷層,破裂過程中釋放出的彈性波,就是我們感受到的地震。彈性回跳理論是美國地質學者李德(Harry Fielding Reid)在研究1906年舊金山大地震時提出,此時科學家連板塊是什麼都還不知道(韋格納在書中整合大陸漂移說也是1911年的事了)板塊學說則是經過了數十年的發展修正的學說,從大陸漂移、海底擴張、地震分布三種獨立的觀測結果,加上不斷的修正一些小錯誤,而成為現在熟知且中學教科書也常見的理論,而此理論正好可以解釋大多數因岩石受力破裂而發生的地震。

關於彈性回跳理論解釋斷層錯動機制,以平移斷層為例


到底有什麼因素會與地震成因有關?
好,至於為什麼岩石會受力的「原因」,包括很多的「因素」,像是板塊運動、地表侵蝕、岩漿活動……它是有像A+B+C+D+E….這麼多的因素,但科學家僅能分開來探討分析關聯,而每一個因素扮演的角色和尺度都不同,而板塊運動的部分可以特別拿出來提,是因為它的作用的時間、空間、提供的作用力等尺度都是最大的,自然也成為「最主要的原因」。



用打電動來比喻,地震的能量累積就很像是電玩角色的仇恨值,一旦仇恨值滿了,就可以放大絕(地震),但多了一些因數要考量,譬如侵蝕可能會稍稍加速,當然也有一些是會加速特快的情況(譬如附近有發生某些大地震),所以大絕要放(地震發生)的確切時間就有可能受一堆參數影響~~所以接下來我們來談某些這次提到的「外在因素」。


那麼新聞上說水庫、侵蝕、頁岩氣會誘發地震是為什麼?
這個問題的解答十分複雜,但可以訴諸科學,只是很難很難講的容易,因為我有嘗試卻失敗了。但現在還是要把這件事拿出來說…就是「庫崙破壞定律」和Byerlee’s law,前者會利用下圖的方式來詮釋岩石受力的情況,我們把岩石受力行為畫成下圖裡的半圓(這張圖是非常、非常、非常簡化的示意,其實還要包括岩石在三軸受力的情況,請自己google一下Mohr Circle Faliure,很多岩石或材料力學都會講的比我的細又精準)。簡單來說當那個半圓越大,也就是正向和剪向力(參考下圖的第二部分)都變大時,一旦碰到紅色那條包絡線,岩體就會破壞,同時依尺度不同會釋放不同規模的地震波,這是用工程上物理、數學的方式來說明「斷層的破壞」。而會讓那個半圓改變大小或位置的因素,包括了孔隙水壓(就是岩石或土壤裡的空隙塞滿水後還產生了壓力)、上方的荷重以及水平的力量;而包絡線的斜率代表了斷層強度,當強度越弱時就越接近水平,就會呈現很少有地震但穩定的在滑動的現象。包絡線和X軸的截距,則是岩體的內聚力,當岩石越強,包絡線也會上移,越弱則向下移動。
如果您看不懂以上那一段也無妨,簡單來說任何對於地震力學的參數研究,無論是侵蝕、水庫、頁岩等等,都要去推估該參數對於岩體破壞的影響。以台灣的case來看,最主要的受力都是長期的板塊作用力,這個力量是穩定不變的,會變的就是其它外在因素,像是侵蝕旺盛就會減少上覆岩體的重力,但前提是「長期」的作用力下才會讓它的效果顯著,也就是數百年甚至更久的尺度,不是今天你雨突然下大了之後它就馬上發生地震了。反而水庫突然的蓄水所增加的應力還比較大,但是!也不是說蓋水庫就會有地震,而是得考量到當地的岩石性質和有無既有的斷層,因此建壩前,要先作地質評估,而建壩後也需要不斷的監測其誘發地震的特性。


所以,到底是颱風、大雨、侵蝕「 引發」地震,還是板塊作用?
因此,寫這篇文章的用意,在於簡單的說明「數量級」和「尺度」上的問題,有時我們容易被簡化報導給誤導方向,以颱風與慢地震的研究來說,如果看一下真正的慢地震的定義,其實會發現它的釋放能量方式、地點與我們熟知地震發生的位置差很多,至於「慢地震會減少大地震發生機會」,又是另一個對科學研究的誤解,以
劉啟清老師的研究來說,它的重點在說「因為發現了慢地震的現象,所以解答了我們原先對當地板塊運動與斷層之間能量累積計算差異的原因,所以讓我們對於當地發生大地震的疑慮減低。」對我來說這樣的誤解就有如之前常聽到的「常發生小地震,就不易發生大地震」的誤會,因為小地震和大地震的能量等級差很多,不是說小的地震多就一定不會發生大的地震,只是長期小地震也必須是加入計算。
關於隱沒作用地區的慢滑移(慢地震)易發生位置示意,為圖中綠色部分,而紅色則為多數脆性變形產生的地震好發處。圖片來源


地質時間的尺度很難想像,上百年累積的作用力在一瞬間全部釋放,本來對人類來說就是很難理解的事,但大自然就是要花很多時間、心力去相處的事。好在我們的科學前輩也已建立基礎,只是另外要提醒一件事:站在巨人肩膀上看世界時,你也得確認你站的是正牌的巨人肩膀。講白一點就是:要先有科學精神、要先懂得立論基礎!


延伸閱讀與參考文獻
關於彈性回跳理論的細節數位典藏學習

關於地震機制的paper
Scholz, C. H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting 439New York: Cambridge University Press, (1990).

關於彈性回跳理論的paper
Reid, H.F., The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C. 1910

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