WFU WFU

2017年10月21日 星期六

歷史視角脈絡中的地震故事(上)

在《震識》還沒開始寫歷史地震題材前,我們發現了國立臺灣歷史博物館策畫了《「地震帶上的共同體:歷史中的臺日震災」特展》,當然要去參觀啊!參觀當日也有幸由策展人陳怡宏陪同導覽聊天,透過交流也多認識了更多人文角度觀點,由於本文為阿樹的觀展心得,免不了會透露一些展品資訊,不過,說不定讀完文章再去看展,會有更深的體驗!

從臺日地震交集回推的歷史故事
如果你是地科人,可能一到展區入口一看錯誤的板塊邊界線,會想掉頭就走。但請先留步啊!雖然這張圖有些問題,但我們不是來看地震科學的啊(),此時我倒是反思:如果人人在國中畢業後,不會客氣的把板塊運動知識送還給老師,或許不管是文組理組,都能正確理解臺灣附近的板塊環境與地震的關係,自然就不會畫錯邊界了。
特展入口處附近標出的臺日板塊邊界與歷史大地震的位置。

回到正題,臺灣和日本地質環境有一個共通點:同樣處在板塊聚合的邊界上,有著地震災害頻繁的宿命。而在歷史洪流中,又有五十年日治時期的交集,在這交集間也發生了上個世紀傷亡最為慘重的地震,譬如1923年的關東大地震、1935新竹臺中烈震。這些歷史與自然的巧合,或許就是這個展的發想緣起吧?
雖然是歷史面向的特展,
但以板塊運動架構帶入臺日地震的頗為特別。


不過只講臺日交集的地震,故事未免太短,所以展區還是有稍稍拓展時間軸,臺灣的部分就追到了上世紀的清領後期,而日本則是到江戶時代。不是說更早的時期就沒有地震,只像臺灣在清領初期、明鄭時期或是更早的時期,人口較少,紀錄自然也較少且不夠完整。
以前阿樹在演講分享時,總會舉幾個不同國家見過的地震傳說意象,不過我大多是舉「動物靈」的傳說為主,較為接近年輕學子,譬如大家熟知的月月(即哈士奇,來自西伯利亞的傳說)。不過實際上這種神話的傳說,除了動物靈之外,還會有「巨人靈」與「自然靈」(1),有趣的是,在臺灣的原住民傳說中三者都兼具,分別在不同族中。至於我們常聽到「地牛翻身的說法」,其實是「現代」才流行的(2)!那麼以前居住臺灣的漢人說法多是什麼?特展中有提到「陰陽調合」的說法,似乎頗接近道教融合民俗的觀點,當然常見的還有「上天示警」,甚至會涉及政權轉移等等,大地震的週期也接近數百年,而多數的政局更迭週期也差不多,拿來作為聯想也不令人意外,畢竟當時的人們還不知道地震的成因。
圖像化的各種臺灣原住民的地震傳說。
至於日本,或許有些人較常聽到以「鯰魚」為地震靈的說法,不過就像前面地牛的例子一樣,這傳說也是「進化」而來的,更早的時期早就有人直接拜「地震神」。而鯰魚「大紅特紅」則是自江戶時代的「鯰繪」開始,鯰繪中也有些寫著要以「要石」(一種靈石)鎮住作亂的鯰魚,方能平息或減少地震。而由這些資料以及相關祭拜的神社,多少也可以了解過去震災較為嚴重的地方,當然臺灣的宮廟也亦然,許多歷史地震的科學研究,也有來自廟裡的石碑廟誌的資訊。
哈士奇犬這麼可愛,現代人很難想像牠和地震有關了吧?

清領末期時的地震
在展區中的歷史地震開端是1839年的嘉義地震,接著是1845臺中地震、1848彰化地震、1862臺南地震。並非早期完全沒有史料或沒有地震,詳情可看臺灣地區歷史地震文獻資料庫中的資料,或許是受限於展區空間,僅選了數次代表性的地震來展示。而這些地區為當時臺灣主要的行政區,傷亡也較為慘重,歷史與故事的可著墨之處也相對較多,展示品中包括了廟誌的拓印,寫著民眾的重建善款,還有官員們上報朝廷的奏褶,以及政府的告示等等。

由過去的史料可以發現,地震多少會對政治、經濟、民俗等發生影響,而地震造成的影響除了跟它的規模、地點有關,也會因當時的背景而有不同的變化。譬如「新化十八嬈」的習俗出現,就與1862的台南地震有關,有人考究傳說中的說法是,或許是因為地震的搖晃劇烈,八卦蜘蛛穴中的蜘蛛精被「震」出來作亂,造成的的影響則是當地女性在接近元宵節(應該是隔年)附近時行為「怪異」,「怪異」的說法是比較保守,維基引用研究後的用詞是「放蕩浪漫」,而嬈字的台語念ㄏㄧㄠˊ,熟悉台語的人大概就能了解這意思了!而據傳說也在請示神明後,才有了新化朝天宮和傳承下來的宗教活動。
特展中直接用影片的方式呈現「新化十八嬈」
關於新化十八嬈的民俗背景,疑點重重,筆者、同行的鍾令和博士(於車籠埔斷層保存館服務)以及策展人陳怡宏研究員在展區中討論此事時,由於各自有看過不同的說法,對於這件事的想法莫衷一是。1862台南地震的時間發生在農曆五月,到隔年的元宵還有半年的時間,把這兩件事拉在一起也算有點牽強,至於它是不是有背後目的(譬如教化女性、以此為蓋新廟的契機),或許也很難考究了。不過也可以藉此看出當時社會民俗對女性地位的觀點,像是男尊女卑、對於情感態度的諸多限制等等。
奏報台郡震災勘捐卹由(故宮館藏,特展中拍攝) 

安政年間的地震
比起清領時期的臺灣地震,日本安政年間的大地震在特展中的史料,明顯多出許多,一部分是這三次地震真的都很大、影響也深遠(包括美國的黑船來敲門等事間,認為不吉利而在1854年改了年號「安政」,不然其實原來是「嘉永」年間的地震,但沒想到改完後1855又大地震),一部分是當時的日本史料對於天災的紀事已經頗有經驗,過去長期的與災共生,雖然不明白地震成因,但對於災情的記載仍十分豐富。

科學面來談,1854年的安政地震算是一個接連兩個大地震的地震序列,包括較北邊的「東海地震」和稍微南邊一點的「南海地震」(日本的東海、東南海和南海指的是日本本州中部到四國的南側海域,見下圖)1854年的1223日和24日相鄰的2天、不到36小時接連發生了兩次規模約8.4的地震,也造成了嚴重的災害,除了震災,還有伴隨的海嘯以及因地震造成的火災。簡單再提一點,從東海(Tokai)、東南海(Tonankai)、南海(Nankai)連起來,為一個連續的隱沒帶,這些地區時有規模8以上的大地震,前兩次大地震的間隔約100年左右,1854發生地震後就是1944年,因此是十分重要且需持續關注的孕震區。

至於1855的地震,又稱「安政江戶地震」,是屬於「直下型地震」,規模推估大約7左右,震度則有達6(日本的分級),雖然規模沒有前一年的地震來得大,但由於當時行政中心已有京都改為東京(即江戶),影響仍大。而這種地震其實也是地震預警難以提前警告的!(不過像P3這類的技術就能派上用場)
東海(Tokai)、東南海(Tonankai)、南海(Nankai)位置示意,來自維基
從人文的角度來看,這時期的地震產生了特別的藝術創作,那就是「瓦板」和「鯰繪」。很少在他國看到以地震為主題且當代十分流行的文創作品,後世的人來看這些作品,也可以更了解當代民間對於地震的想法。首先,瓦板看起來比較像是「新聞」的感覺,只是並非固定發行,但這樣幫大家整理資料卻有助於掌握災情,讓不在當地的人們也能身歷其境。而由於當時的印刷術較為普遍,瓦板和鯰繪便能大量製作並廣為流行,而且還有精美的多色套印,不失為一種藝術創作。
瓦板印刷,圖中為1855年安政江戶年間的震災情況,可見火勢驚人。
至於鯰繪作品,除了傳遞鯰魚與地震關聯的傳說,也間接傳遞出人們對地震的看法,包括大家因為不喜歡地震而在鯰繪上可見以要石壓制巨大鯰魚、或是人們追打鯰魚的概念。仔細看作品細節,還能看到更多東西,譬如各行各業不同階層的人們都不喜歡這些大鯰魚;在某些著名作品中,也會看到不止一隻大鯰魚,不同隻鯰魚分別代表不同次地震的「成因」,這點阿樹自己也覺得頗為巧合,因為的確這些相隔甚遠的地震,的的確確就是「不同斷層、成因也不盡相同」啊!
左上那隻鯰魚頭上寫著「信州」,下方則寫著「江戶」,代表造成兩次不同地震的不同鯰魚,大家正想辦法壓制牠們。
另外,附帶一提,特展中也有和災後重建有關的作品,就是一幅以弁慶(3)作為形象的木工武士,除了正史之外亦有許多傳說記載,傳說中弁慶收集了大量武器,使用「七武器」也是他的特色,故日文稱其具有「七つ道具」,而這幅鯰繪則以鯰魚著武士服背著數種木工道具,代表著重建的力量。而藉由策展人提示(並未寫在展示說明的部分),才知道原來「七つ」的日文發音「ななつ」(nanatsu)和鯰魚的日文「なまず(namazu)有諧音的梗在裡面(4)。也就是說即使深知地震可怕,但災害復興重建的正向力量,也是在這地震頻繁的島國必備的心態。

弁慶形象的鯰繪與背上的「七つ道具」

文化差異下對地震史料保存的差異
或許大家會覺得,怎麼日本保存的東西好多好精美,我們臺灣都沒多少?是我們比要沒有努力嗎?這方面阿樹倒有不同的想法,試想一下,如果是像前述的廟會文化,或是其它口耳相傳之事,其許多事情經過多人的傳播情況下,已不知加了多少油添了多少醋,就像我們已難以揣測新化十八嬈中的諸多疑點。另一方面,其實臺灣還有一種獨特的記載媒體,那就是「音樂」,像是我們曾介紹過林占梅的「地震歌」,便是一例,然而現在僅能留下古詩文字,譜曲就少了許多。此外,經過考證,其實也發現了許多地震的文獻記載,只是文字的傳播多少受限於知識水平的落差,是故也沒辦法像鯰繪般有兼具渲染、傳播與保存之功效。但古人也應該不懂多媒體傳播的理論,他們只是用最習慣的方式,將記憶流傳下去罷了。

至於歷史中的地震災害有什麼差別?像前述安政年間帶來大海嘯的東海、南海地震的類型,在臺灣並不常見,史料多多少也反映出過去受到海嘯頻率的差異,在日本顯然是較多的。而地震部分,則可看出不同的建築方式造成不同的災害種類,在日本多半較為嚴重的是火災,由於房屋多為木造,對於剪力的扺抗能力比單純的磚造房較好,然而木造房最怕的就是火災;反觀臺灣早期的漢人建築多以磚造為主,許多從閩南一帶遷來臺灣的人過去少有遇到地震經驗,這些磚造建築抵擋不住規模6以上造成的震度,雖未釀火災,但屋毀人亡顯然是更大的威脅。

受限於篇幅,故事還請待續,下週我們將來談談上個世紀台日最大的兩個地震:1923日本關東地震與1935新竹台中地震。

1:巨人靈也包括像類似人的形體的神靈,而自然靈則是指涉像天、地、水、火這類偏向環境的神靈。
2:地牛與地震的關聯說法考究請見http://think.folklore.tw/posts/709
3:武藏坊弁慶,為平安時代的著名僧兵,為源義經(平安至幕府時代的著名人物)重要的家臣武將。
4:相關的日文說法請見此

延伸閱讀:


2017年10月16日 星期一

地震預警的地震規模不準?別太苛責,因為那真的很難…

洪瑞駿 國立中央大學地球科學學系

2016年小年夜凌晨,南臺灣發生了規模6.6強震,成為台灣自九二一後,再一次的重災型地震。在此次地震中,學者注意到雖然震央在高雄美濃,在台南一帶卻出現異常大振幅的S(圖一),其中有些測站更出現加速度超過400cm/s2(相當於震度7)的猛烈數值,這種突然的強力搖晃,讓部分樓房不堪一擊而倒塌。為什麼離震央較遠處的地方震度仍這麼大呢? 而如果前個問題有科學上的解釋,我們有辦法從地震波剛開始到達,就得知地震後續的影響並加以預警嗎?

圖一, 美濃地震於新化量到實際的震波記錄,最大的S波並非在地震一開始,而是在S波後約4秒鐘。在震波還未出現就要預警正確的規模和後續的震度,確是難事(資料來源:中央氣象局)
地震源的能量表示震源時間函數

科技發展提高了地震紀錄品質,加上電腦技術的進步,現今科學家因而能夠利用觀測到的震波進行反演,回推地震發生時的情況。以美濃地震為例,除了得知斷層面上的滑移情形(圖二a),甚至可以模擬出破裂過程(圖二b)。回推出破裂過程隨時間的變化情形,就有辦法量化釋放的能量,若是我們從斷層開始破裂並能量釋放起,記下每一時刻釋放能量多寡,便可以畫出一條如圖三的紅色曲線,這條曲線便稱作「震源時間函數」,為單位時間下震源釋放地震能量的情形,而其曲線下面積則正比於地震整體能量的大小。
圖二(a) & (b),反演出美濃地震的斷層面破裂分布,顏色代表斷層錯移量,以公分表示。星號表示震央。(圖片來源:李憲忠,2016,會議簡報pp 10)
圖三,震源時間函數之概念。筆者自繪。

在地震不是非常大(例如規模6.5以下),一般觀測到的震源時間函數多半為三角形,因此若是可以知道三角形的高(最大釋放能量)以及底邊 (對應的時間),理論上我們是可以推估出該地震的能量的! 然而,每一個地震就像你我是不同的人,有著不同的特徵,有些地震的震源時間函數非常長且複雜 (例如20067月爪哇規模7.7地震,地震源釋放能量時間超過170秒!) ,因此地震發生當下,我們仍很難從一開始的震波推估到底規模要多大,通常需要數秒的震波紀錄來確定地震的震源時間函數。而要確知震源時間函數形貌和能量要釋放的最大值在何時,以現今技術要做出預估仍十分困難。至於如何困難,要回到地震破裂時的物理學來闡述!

斷層面上的地栓何時破?破裂要多大?

多數地震的成因,為岩層受到應力擠壓後產生斷裂並產生震波 (編按:可參閱斷層上的短暫瞬間:動與不動之處()),這點或許你已明白,然而若想進一步了解過程,就會等同於需要了解:
  •         斷層破裂面如何發生破裂?
  •         滑動如何增加、又如何停止?

事實上,這取決於破裂能是否夠大,能夠讓周圍岩石繼續裂下去(圖四)

圖四,破裂與材料體抗剪之示意圖。筆者自繪。
若是地震破裂能量大於材料體的抗剪強度(1),破裂中的斷層自然就會繼續擴張,繼續產生震波並釋放能量;然而若是能量小於抗剪強度,不足以推動斷層發展,破裂便終止,地震的能量也就不會再增加。至於岩石的破裂與否,則與地質材料組成、大地應力、材料體狀態(流變程度、含水量等)有關。另外,若是斷層破裂剛好觸發到原本擠壓應力較大的區域、或是接觸到較脆弱、潤滑的地區,便有可能引發突然巨大的滑移,這個位置稱作地栓 (asperity),而地震釋放能量主要也都在地栓滑動瞬間增加,進而導致強烈搖晃,而上述過程所釋放的能量,便反映在震源時間函數的曲線上。

過去許多地震造成重災的根本原因,即是因為大規模或大面積的地栓滑動而引發劇烈振動。例如1999年集集地震,斷層破裂將近100公里,大型的地栓滑動出現在斷層北段的豐原、石岡一帶,斷層面劇烈滑動了16公尺,地表也錯開了將近10公尺(三層樓高),造成石岡水壩損毀。長度較長或滑動面積較大的斷層,會讓震源時間函數也變得又長又複雜,也因此,要一開始就針對大型地震準確預估規模,難度會必較高。

2016年美濃地震,其地下的斷層從美濃一路破裂到台南,在台南下方也是因為出現這樣的大型錯動,形成強烈的S波,加上接近都市以及場址效應等因素而導致強烈的振動。雖然現今我們已有大致的概念了解到,地栓的範圍大概是整個斷層面的20%,然而要在地震發生前預先知道它的確切位置、發生破裂的時間點,以現在的科學來說,仍非常難準確預估。

救命的P波三秒
如果知難就不為的話,就不是科學家了!目前的科學雖有極限,但也能嘗試處理。若我們試著簡化問題,假設震源時間函數是個三角形的話,只要知道三角形的高(最大釋放能量)和一半的底邊(最大值出現時間),就能算出其面積(參考圖五),面積就是該地震釋放的總能量。根據過去觀測的經驗,地震規模小於6.5的斷層破裂較為單純,震源時間函數通常為單一的三角形。而此三角形底邊的一半大概就是3秒,因此地震學者只要觀測到震波開始的3秒,就能合理推估出震源時間函數,進而推出該地震的規模(圖五)。這便是所謂P波三秒的技術(請參考延伸閱讀1,3),這樣的方式可以補足區域型地震預警系統(仍需約十秒多)的不足。但畢竟僅用了3秒的地震波形,當地震更大、震源破裂更複雜時,則該方法便捉襟見肘。因此對於每一次的地震,科學家們仍持續努力,也期望隨著日新月異的科學與技術進步,人類能早日摸清地震源的科學奧秘。
圖五,利用P3秒解析震源時間函數進而推估地震規模之原理。(修改自Kanamori, 2005)

1: 抗剪強度指的是材料體受到剪切力量時,材料體變形的難易程度,越不易變形者,抗剪強度越高。


延伸閱讀與參考文獻

Kanamori, H. (2005), Real-time seismology and earthquake damage miti-gation, Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 33, 195 – 214, doi:10.1146/annure-v.earth.33.092203.122626.
Wu,Y.-M., and L. Zhao (2006), Magnitude estimation using the first three seconds P-wave amplitudein earthquake early warning. Geophys. Res. Lett., Vol. 33.,L16312.