2017年6月5日 星期一

斷層「動靜之間」的學問—關於「潛移斷層」

作者:陳卉瑄  教授     (國立台灣師範大學  地球科學系)

家鄉在台東的我,小時候沿著卑南鄉的頂岩灣到市區,沿著彎彎的山路下去時,爸爸就會跟我講這個故事。
「山下有個小學,上課的時候,腳下的地層一直在滑動呢!父親指著遠方的惡地泥岩地形,有聲有色的跟我說。

這一大塊都是抓不住樹根的泥岩,一下雨,整塊地都會「古溜」地滑落。

這種滑動或許就是人們熟知的「山崩」,如果真的有機會目擊大規模的山崩,可能會發現在數秒之內,地塊一口氣崩塌的景象。假如這種土石滑動的規模增加數十倍甚至百倍千倍,並且一路延伸到地下的情況會是怎樣呢?

或許看不到,但多少我們都會體驗過:斷層滑動與瞬間發生的地震

動盪的地球: 地震與斷層
如果能將地球剖開一半,我們將會看到「活的」地球。就像我們有體溫心跳一般,地球內部有軟流圈以下的熱對流,和上方緩慢的板塊運動。細細分析可以發現,地表各處「運動」的方向速度不一,即使是剛硬如石頭的板塊,有些地區也會像彈簧受力壓縮一般,長期受力的作用累積「應力」,這些應力累積的地方,就是遲早會破裂的區域。若發生破裂,這個破裂面就是斷層面;斷層錯動時還會伴隨釋放能量,造成地震。

常有小地震的地方會因能量釋放光了, 而相對安全嗎?

事實上,小地震釋放的能量、斷層大小和大地震比起來,只是冰山一角,我們用簡單的數學幾何方式來呈現,如圖一所示。

圖一、不同規模地震釋放能量的大小與斷層面積成正比。
如果要用較小的地震填滿一個規模6.0地震的斷層面積,你要有約30個規模5.0的地震,或是約1000個規模4.0的地震,或是三萬多個規模3.0的地震這樣算起來,如果它原本會發生錯動的斷層面極大,即使小地震發生很多,也無法降低規模7.0以上地震發生的可能性哪!


況且,地震的觀測資料有限,過去幾年全世界的大地震,往往發生在令專家跌破眼鏡的地方,例如:應力累積非常緩慢的四川盆地周邊(2008年汶川大地震)、以及從未有同等規模紀錄的日本東北地震。這些例子也告訴我們,大地震難防之處,在於它不常發生,而斷層難研究之處,在於它特性複雜。

不過,不是所有斷層都蠢蠢欲動的在醞釀地震,令人較為擔心的,是一萬年內活動過的,分類中屬於「第一類活動斷層」的斷層。據中央地調所的公告,台灣共有33條這樣的斷層。這些斷層活動特性各異,有些總是躁動不安,但多半都以小地震草草了事;有些則是平常看似平靜,但卻蓄勢待發等待驚天一震的(這種最可怕);還有一些更為特別的,平常緩慢滑動,但卻沒有地震發生 --這樣的斷層,叫做潛移斷層(creeping fault)。假如斷層長期都在緩慢移動(釋放能量),會不會較不易發生大地震、不易致災呢?

惱人的潛移斷層
可以確定的是,就算不發生地震,潛移斷層也是惱人的搗蛋鬼!

我們將鏡頭轉向美國加州,加州大學柏克萊分校旁的足球場,正巧被潛移斷層切穿(圖二紅線)。這個平常一直緩緩移動的斷層,使得足球館的西側以每年0.47公分的速率緩緩向北移動。造成台階、牆壁等硬體設施錯位,翻新的總金額高達32億!
圖二、潛移中的Hayward fault。這個斷層切穿了加州大學柏克萊分校足球館(Berkeley Memorial Stadium)。虛線標示了斷層線,而箭頭指示著斷層兩側相互運動的方向(右移斷層)。圖片來源: Roland Burgmann

 回頭來看台灣,我們也有個因高速滑動和特殊的斷層型態而聞名世界的潛移斷層池上斷層(圖三)。斷層造成其中一側以每年平均2.4公分的速率抬升,有個住在池上的友人,每隔個5年,他家就得重新修補台階 (超過10公分高差),更不用講有條斷層在底下默默經過的房舍了。斷層的作用像強力千斤頂般,逐漸累積的地面錯位,對路面、牆壁、管線甚至建物都造成了顯著的破壞,如圖四之一&四之二所示。
圖三、潛移中的池上斷層。這個向東傾的逆衝斷層,是目前全世界最活躍的逆衝型潛移斷層。圖中紅線指出了池上斷層的位置,紅色三角形的指向為東方,說明這是一個向東邊傾的斷層。圖來源與圖之製作: 牟鍾香。
圖四之一:因長期斷層潛移而受到損壞的排水管,地點於圖三所示。照片來源: 朱傚祖。

圖四之一:因長期斷層潛移而受到損壞和磚牆,照片來源: 朱傚祖。


潛移斷層比較安全?
潛移斷層,過去的研究認為,由於斷層帶具有特定的岩石組成成分(像蛇紋石、黏土礦物和鹽等等),大幅降低它在承受變形時的強度,於是在大地應力不停推阿擠的,斷層面上的錯動穩定地、不間斷地發生。這樣的滑動,又稱作穩定滑移(stable sliding)

和潛移斷層完全相反,甚至相異到極致的另一種類型,就是推不動的鎖定斷層(locked fault)。這種和穩定滑移相反的鎖定區(locked),則有足夠的強度,平常時它「零變形」,但其實正在累積著應力,等待破裂的臨界點到來,這一刻,就是發生「大破壞」之時。而這所謂的大破壞,就是我們熟悉的大地震

這樣說來,潛移斷層,一推就動,應力無從累積,也就不會有地震了?
這一個說法看似正確,但是我們必需強調一點:不能小看斷層面的複雜度!


代誌沒這麼簡單,潛移沒這麼單純
斷層面的性質並不是完全均一的。

在數公里長、寬的斷層面上,有的地方在穩定滑移、有的在鎖定狀態。這就是為什麼潛移斷層仍能發生規模6.0以上的地震。

什麼!?要怎麼解析那裡在鎖定、哪裡會 穩定滑移呢?首先需要有很多的地表位移測量,越多點位,越能推測複雜的斷層行為。

圖五表現了三種不同行為的斷層分類,分別為: (a)整段都在潛移 (b) 部分鎖定、部分潛移 (c) 整段完全鎖定。潛移的區塊,每年以數公釐至數公分的潛移速率D緩緩地移動著; 鎖定區雖然目前不動,但是它可是蓄勢待發的!如果我們知道斷層鎖定區過去的活動性,便可以向前追溯前幾次在這個區塊發生的地震。

把地震當時的滑移量和發震時間作圖如(d),可以先得到一個「階梯狀」的變化圖,每一階的變化可以視為地震當下的錯動量。而下一步,我們可以拉出一條斜率為L的斜線(虛線),它代表這個鎖定區長期的滑移速率。如果L算出來是每年三公分。那它跟你說的是: 嘿!雖然我不動,但這100年我就存了300公分的位移量,在哪裡存呢? 就說在一個圖四(c)的鎖定面積吧! (30 km x 65 km ), 那麼,當我動了,可以製造一個規模8.7的大地震啊! (算法請參照參考文獻1,註記為[1])
圖五、地底下斷層在任兩個觀測時間點的位移(震間變形),可以忠實地被沿著斷層面擺放的GPS所記錄下來。(a)整段都在潛移的斷層。潛移的方向如灰色箭頭所示,而地表GPS記錄到的位移場方向,則由黑色箭頭所示。(b)部分潛移、部分鎖定的斷層。當斷層面有某一塊區域被鎖定,則其上方的GPS就會紀錄到幾乎不動的地表位移。(c)整段都被鎖定的斷層,上方的位移場幾乎為0(d) 一個鎖定的斷層,幾百年才錯動一次,每次錯動的滑移量和時間作圖,就可以描述這個斷層長期的滑移速率。


但是,如果一個斷層上同時有鎖定區和潛移區,那,潛移區塊扮演甚麼角色呢?
當你用L代表鎖定區的滑移速率,用L減去D代表穩定滑移區的滑移速率,這時候估計出來的可能地震規模就會變小,這是為什麼過去,專家們一直常把潛移斷層認為是相對安全的。

隨著大地測量、地震儀架設的點位越多,斷層的哪一個部分在穩定滑移/鎖定?怎麼滑? 隨時間有沒有變化?這些問題的答案漸漸浮現。對於斷層行為的了解越多,照理說應該越安心,但科學家們卻發現了另一件隱憂


潛移斷層vs.大地震
前文曾提到斷層面積、釋放能量與地震規模的關係,所以地震可以「長」多大似乎受控於斷層破裂面可延伸多遠,那麼,這些斷層面上的穩定滑移區,會控制大地震發育?
利用斷層模型進行模擬,科學家們發現,這些多為「穩定滑移區」的潛移斷層,在地震發生時,讓斷層面上的錯動更無障礙的穿越,也就是,潛移斷層可以讓大地震更「大」 ! [2]。而有許多的觀測證據都陸續發現,在鄰近有大地震發生而伴隨著斷層面的高速滑動時,「穩定滑移區」潛移區可能會轉換成鎖定區  [3],使得鎖定區域範圍加大、大地震潛勢增加。這樣的發現,是對身處潛移斷層區的居民敲了警鐘,「沒有不危險的斷層」,專家如是說。
身處活動斷層密集區的我們,更需要知道: 地底下的變形、斷層面的特性隨時間一直在改變,沒有絕對安全的所在,也沒有「地震周期可以預測」的具體證據。面對這困境,更高密度的監測儀器,將能幫助我們釐清各種不同斷層特性,如何影響著大地震的行為。 

事實上,全世界不少地方有潛移斷層的發現:如美國、墨西哥、義大利、土耳其、以色列、阿富汗、巴基斯坦、中國、菲律賓、日本和台灣。可惜的是這些被文獻所紀錄的潛移斷層,絕大多數都是走向滑移斷層,僅有一例為正斷層型態(菲律賓的Alto Tiberina Fault),一例為逆衝斷層(台灣的池上斷層),不同斷層型態的潛移特性,所知仍然非常有限,「潛移斷層和大地震的關係」 這個重要的課題,尚待更多研究人員的投入和充分探索。全世界潛移斷層的分布和證據請見[4]


隨著科學和科技進步,或許大家會期許研究能帶領我們了解斷層、預測地震,但新發現同時也告訴我們,探尋越多才知道人類了解的其實很少。所以,加入地震研究領域,現在正是時候!

後記與致謝
感謝震識發起人馬國鳳教授的強力邀稿,和主編潘昌志先生的專業編修。這一篇文章的構想,是由本人與Roland Burgmann五月發表在Review of Geophysics的評論文章而來[5],本文的圖一和圖二就是源自該處。本文的初始文稿編修,則感謝黃大銘學長、陳耀傑、陳奕尹和陳淑俐幾位的寶貴意見。原稿稍微多一點專業用語,並包含較多個人情感和搞笑口語,有興趣參考的請連結至[6]

參考文獻
2.      Noda, H., and N. Lapusta (2013), Stable creeping fault segments can become destructive as a result of dynamic weakening, Nature, 493, doi:10.1038/nature11703.
3.      Uchida, N., K. Shimamura, T. Matsuzawa, and T. Okada (2015), Postseismic response of repeating earthquakes around the 2011 Tohoku-oki earthquake: Moment increases due to the fast loading rate, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 259–274, doi:10.1002/2013JB010933.
4.      Harris, R.A. (2017), Large earthquakes and creeping faults, Rev. Geophys., 55, 169–198, doi:10.1002/2016RG000539.
5.      Chen and Burgmann (2017), Creeping faults: Good news, bad news?, Review of Geophysics, 10.1002/2017RG000565.

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