2017年1月13日 星期五

【國語日報專區】地震專題:來自地球另一端的振動

如果美國的加州發生大地震,最快到達臺灣的地震波會是走哪一條路呢?答案是:地底下的路。

地球內部是地震波走的最短路徑
因為地球接近球體,光看球體表的部分,總會覺得加州和臺灣的最短距離是一條弧線。但如果我們把球切開,就會發現最短的距離不是走球的表面,而是球的內部,地震波其實「走」的,其實是這條地底下的路!



地震發生後,朝著四面八方傳送的地震波中,可依傳播的路徑分成兩大類:表面波和實體波,沿地表傳遞的波稱作表面波,而實體波則可以在地球內部傳播、穿透地下。

會造成災害的地震波,多半以表面波為主,它造成的搖晃較大,容易使房屋「共振」。共振指的就是房屋對某些地震波動頻率「特別有感覺」,表面波會因此讓房屋搖得會比實體波來到時還要大,而共振的程度越明顯,對房屋安全就越危險。

穿透地下的實體波,通常比較小,但它能像細水長流一樣;只要地震夠大,即在使地球的另一端擺放儀器,還是能收到微弱的震波。

地震波的實體波會穿透地球,所以加州發生的地震,最快的地震波會從地球內部傳到臺灣

地震儀就像超大聽診器
現代的地震儀器非常靈敏,還可以分得出不同的地震波頻率,前面提到的實體波,它就算傳到地球的另一端,某些頻率會保持在固定的範圍,這樣科學家就能「認出」這種波動,也能確認它過來的時間、甚至可以分析它穿過了哪些不同的物質,而科學家就像是把地震儀當作聽診器,了解地震波穿過地球內部時產生的變化來猜測地球內部的樣子,地球每年都會發生幾次規模大於7.0的地震,科學家歸納了許地震波穿透地球時的規律性,加上觀察其它行星、從太空中掉落到地的隕石和地表石頭的差異,還有實驗室的各種分析,才能斷定地球內部可以分成三層。
科學家運用地震波中的P波,穿過地球時的不同偏折,了解地球內部的分層構造。圖片來自中央氣象局地震百問。

地震波除了會穿透,還會反射
雖然往地下鑽一口井是最直接探測地震的方法,就像我們切開蛋糕看裡面的夾心一樣,但鑽井的難度高、秏費的金錢非常多,加上地底下其實十分複雜,就像有千百種的蛋糕口味般,要完全弄清楚,地面早就桶成蜂窩了!這時地震波就可以派上用場,有時科學家會利用炸藥或撞擊製造人工震波,利用震波遇到地層反彈回來的波,來了解局部的地下狀況,通常用來尋找石油、礦產等資源。

利用地震波研究火山的構造
此外,天然的地震還有不同妙用,雖然小地震傳不遠,還是可以幫助我們了解小範圍的地下構造,而且天然地震的好處是,能量還是比人工地震高,所以探索的範圍也較大,像是用來研究火山底下的岩漿庫,就很有幫助。今年四月,臺灣的地震學博士黃信樺參與的一項研究也提出重大貢獻:研究團隊發現美國黃石公園地底下的岩漿庫比過去想像的還大得多,也讓人們藉此研究更清楚怎麼運用地震波研究火山。

所以無論是穿透的地震波、反射的地震波,科學家總能想出研究的方法來探索地底,雖然看起來可能像瞎子摸象一樣,但經過不同的科學方法驗證,即使我們無法親眼看見地底,還是可以有很接近的推論呢!


知識小百科:
地震波的頻率是什麼?

一個完整的波動會上下或左右振動一次再回到原點,而地震頻率就像是「一秒振動多少次」的概念,當頻率很高時,看到地震波的樣子就很緊密,可能一秒振動數次,而頻率低時,地震波的樣子就稀疏,就有可能數秒鐘才來回振動一次。

2016年12月30日 星期五

【國語日報專區】地震專題:地震地底進行式



地球上山高水深的千變萬化、臺灣島從海底隆起成高山、三天兩頭總是發生地震,都和一件事情緊密相關,那就是「板塊運動」。那麼板塊又是怎麼動的呢?

活躍的大地
二十世紀初,科學家已經了解大多數地震是由斷層錯動引發的,其它的包括火山、隕石等引發的地震數量可以說少之又少。雖然如此,但科學家還是又花了幾十年才了解地震、斷層與板塊運動的關係,建立「板塊構造運動」的模型,也就是板塊運動時會在某些特定的地方累積能量,而累積到一定的程度而突然破裂時,同時也釋放出能量,讓大地隨之搖晃。

為什麼板塊運動可以累積能量?
岩石不是完全硬邦邦,而是有一點點彈性的,雖然不像橡皮筋一樣充滿彈性,但是岩石受力還是會彎曲變形,同時累積能量。全年無休的板塊運動,每年一點一滴的移動幾公分,有時累積了幾百年才會一口氣釋放,所以有些地方幾百年發生一次地震,就會一下子移動幾公尺。二○一一年日本東北發生大地震時,有許多地方就一口氣移動了數公尺呢!

板塊是什麼?
板塊指的就是我們地表的一層堅硬的「岩石圈」,也就是地表岩石圈是由許多的板塊組成的,而堅石的石頭就浮在稍微軟一點的軟流圈上活動著。有時候兩個板塊間的運動是相互分離的,板塊和板塊的交界附近便會裂開,底下的岩漿會形成新的地殼。而有時候則會相互靠近,最後不是向上擠壓成高山,就是向下進入地球內部,這樣一出一進,地表就像輸送帶一般移動。而無論是板塊相互擠壓或分離,岩石也會因為受力而容易發生地震,而科學家也依此確認了板塊運動與地震的關係,加上科學觀測技術的進步,板塊構造運動的理論也越來越扎實。
 
板塊在地表的運動可以想像成輸送帶的表面,黃色為運動方向,但實際上地底下並沒有完全像輸送帶一樣,板塊會在中間向左右分離的地方新生,而在兩側處向下沉入地球內部消滅成為內部的一部分。


科學家怎麼研究慢慢移動的板塊?
板塊動的實在很慢,我們怎麼知道它在運動,又向哪運動呢?拜高科技所賜,常用來尋找道路位置的全球定位系統(GPS)此時就派上用場了。量測板塊運動用的GPS設備,和平常手機、汽車用的導航不太一樣,科學家需要更精密的運算、更大的天線,並且將接收天線牢牢的固定在地上,變成一個個觀測站,才能研究板塊運動。經由觀察、比較觀測站與若測站之間的距離隨時間的變化,就可以「偵測」板塊的相對運動方式。

臺灣位於歐亞和菲律賓海板塊的交界,經過科學家測量,兩板塊大致以每年平均7公分的速度相互靠近,這數字在世界上也算是名列前矛的呢!也由此可知臺灣也是世界上數一數二板塊運動活躍的地方,這也是為什麼我們地震頻繁,山勢高峻,畢竟板塊累積的力量也要隨時釋放啊!
圖中的右邊是測量板塊運動的GPS天線,左邊綠色的箱子是接收用的電腦主機(的箱子)

全世界的板塊又是怎麼動的呢?
地球的表面是有數個板塊組合而成的,而各板塊運動的方向各異,圖中紅線就是板塊和板塊交界的地方,而全球大多數的地震也都發生在板塊的交界附近。值得一提的是,在互相分離的板塊邊界,幾乎都位於大海的海底,而互相靠近的地方,很多都在海陸交界或是一些島嶼的附近,像臺灣島就位在歐亞和菲律賓海板塊的交界上。
世界上主要的板塊構造、臺灣附近的板塊構造示意圖