破解地震發生時間

Storyteller/蓋瑞王   Painter/蓋瑞王

未來的某一天,我們是否能夠預測下次地震到來的時間?

深夜時分,一陣天搖地動,驚醒了無數正在沉睡中的民眾。大夥東奔西跑,想著曾經學過的避難方法:跑到空曠處,或是找個安全的角落躲著……直到好動的地牛翻身完畢,眾人才放了下心,但整個臺灣已到處滿目瘡痍。

想必這是921大地震時,很多人親身經歷過的場景。一直以來,位在歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處的臺灣不斷地受到地震的侵擾。相對於臺灣另一個常見的天災:颱風,其風速、雨量、移動路徑等資訊都能被精準的預測並預防;地震的強度卻時大時小,位置及深度難以追蹤,更重要的是,地震何時發生難以預期!這讓科學家一直飽受困擾。然而,地震真的是不可預測的嗎?

相對於大氣,地底有更多的變數影響著地震發生的可能性,包含:溫度、應力、岩石的組成及組織等,地球各地的地底特徵又全然不同,且我們無法直接用肉眼看見,地底下到底發生什麼事因而也難以掌控。但在近十幾年,科學家們已有能力一瞥地底下的世界,方法即是:鑽井。

 

聖安地列斯鑽井計畫(San Andreas Fault Observatory at Dapth, SAFOD)

位在美國加州,名為Parkfield的小鎮,正在進行深達3公里的鑽井計畫。這項計畫最初由國際大陸鑽井計畫(International Continental Drilling Program, ICDP)所資助,並由美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)及美國地質調查局(The United States Geological Survey, USGS)指導,希望能鑽透緊鄰的聖安地列斯斷層(San Andreas Fault),量測其物理參數,取得發震位置的鑽井岩心進行科學研究,以了解地震發生的機制,並進一步為地震預測的工作提供基礎的地質資料。但鑽井計畫可不是隨隨便便想鑽哪就鑽哪的,畢竟鑽井工程需耗費龐大的經費,選定在哪設置鑽井設備、要鑽多深等等,都需要有龐大的資料作參考,否則,胡亂地鑽井只是浪費金錢與時間。

選址是一門藝術

聖安地列斯斷層為綿延約1300公里的大斷層,位在太平洋板塊與北美板塊的交界帶。從資料上來看,Parkfield小鎮位於聖安地列斯斷層的直線延伸地段,附近曾經歷幾次規模6以上的地震及無數次的潛移(creep)。有趣的是,據觀察,在1857年之後,有六次規模大於6的地震出現顯著的規律性-大約每22年發生一次;此外,學者們觀察到1922、1934及1966年的大地震,其震波波型非常相似,說明它們由斷層同一處的重複性破裂而生,這樣的「地震重複性」使得科學家相信該區的地震或許是可預測的,也成為了科學家首選地震預測的研究位置。但是為什麼一定要鑽井呢?到底有什麼問題迫使我們突破技術、花費資源,只為了一看究竟?這要先說說鑽井之前的地震研究。

想像力是你的超能力? 眼見為憑更具說服力!

在有技術鑽入地底之前,地震的研究都很「表面」。自第一台地震儀於1875年發明至今,地震的觀測史也才推進了不到150年的時光。在研究初期,地震研究大多以觀測並歸納為主,我們藉由地震儀了解地震波的種類,藉不同的地震波物理特徵了解地底下的可能形貌,我們因此述說出地球內部其實有分層、我們發現了班尼霍夫帶(Wadati-Benioff zone)…但這些不過是藉著建立於地表的地震站而得知;至於地震的發震機制要歸功於實驗岩石學,畢竟從來沒人能看到地底下真實上演的戲碼,地震發生當下的狀況靠著實驗室模擬、野外露頭的觀察、以及一些合乎邏輯的想像,才能建立起我們對地震的基本認知。然而,若有能力,我們何不直接到地底下看看正在活動中的斷層呢?而這就是鑽井工作重要之處,如果你像我一樣很喜歡喝珍珠奶茶,你一定也跟我一樣喜歡把吸管一插,直搗杯底為了吸到好吃的珍珠;鑽井台就像一條大型吸管,而地球是杯飲料,最想喝到的是什麼,往地球內部插就對了!SAFOD的鑽井計畫讓我們能直接得到地底深處、斷層活動活躍處的岩石及流體樣本,同時量測當下的溫度、壓力、導電度等等的物理資料。我們因此可說:我們知道在地震發生當下的環境狀態、也知道物質因此有何變化。然後搭配實驗室的模擬,提出更佳的地震成因詮釋。這對於地震預測的目標而言,肯定是一大福音!

臺灣車籠埔斷層鑽井整合計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project, TCDP)

事實上,臺灣的車籠埔斷層(造成921大地震的罪魁禍首)於2003年也進行過斷層鑽井計劃,鑽井工程大約進行了兩年,針對車籠埔斷層鑽了兩個井,其岩心也被深入分析、了解。截至目前為止,SAFOD鑽井計畫已累積了175篇以上的學術成果,而TCDP於國際期刊上也有50篇以上的成果發表,包含了地震學、實驗力學、電腦模擬計算、岩石與礦物學、構造地質學、地球化學等,成果豐碩,甚至於2014年時,有文章針對兩者的成果共同討論。目前科學家大致有信心指出斷層活動及發震機制的控制因子、並能比對不同的斷層滑移特徵與所在環境及岩石組織之間的關係…這些結論都可透過研究鑽井岩心而更加確定。

 

地震預測已有展望?

國際上也有其他知名的斷層鑽井計劃,例如國際大洋探索計劃(International Ocean Discovery Program, IODP)其中一部分研究內容即是針對海洋底下的斷層帶鑽探;位在南半球的紐西蘭,也有一個斷層鑽井計畫…事實上,世界各地的科學家都開始試圖往地底下鑽,但我們是否因此有足夠的能力預測地震了?答案目前仍是否定的。以臺灣而言,一個小小島嶼,卻擁有非常密集的斷層帶分布,一條斷層帶的錯動,可能牽連到另一條斷層,因此光是車籠埔斷層的基礎資料還不夠套用在所有的斷層上;更何況就現有資料,針對同一個斷層的發震機制仍有很多待辯證之處,斷層帶的滑移方式不同也會影響預測結果…仍有太多變數的交互作用等著我們去釐清,因此,距每天新聞播報完後看到下次地震預報的日子還有一段很長的努力空間。儘管如此,科學家們仍不放棄希望,努力進行斷層的基礎研究,畢竟地震若能被精準預測,能避免我們承受更多災難。且讓我們對這些孜孜不倦的科學家們致上最深的敬意。

 

參考資料:

San Andreas Fault Observatory at Dapth

Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project

Janssen, C., Wirth, R., Wenk, H-R., Morales, L., Naumann, R., Kienast, M.,Song, S-R. and Dresen, G. (2014) Faulting processes in active faults – Evidences from TCDP and SAFOD drill core samples, Journal of Structural Geology, 65, 100-116.

 

延伸閱讀:

Wisconsin geologists go miles deep in quest to predict earthquakes, Geology Page, 2014.08.13

Drilling into an active earthquake fault in New Zealand, Geology IN, 2014.12.12

A new level of earthquake understanding, Geology IN, 2015.03.03