「下雨地震說」是真的?紐西蘭研究怎麼說

Storyteller/米若可

下雨真的會引發地震嗎?(圖片來源:蓋瑞王)

促發地震的成因很多,曾經有藝人提到降雨濕潤土壤後,將提高地震的發生機率。最近,鄉民聚集地出現了一篇救世神作,告訴大家我們錯怪這位先知了。但在雙膝準備跪下去之前,讓我們先來讀讀這篇在紐西蘭(圖一)做的研究。

圖一、紐西蘭阿爾卑斯山區地質圖(a)與地質剖面圖(b)。阿爾卑斯山斷層為東北-西南走向(a圖紅線延伸方向),斷面向南傾(b圖紅線)。(修改自Menzies et al., 2016)

在本篇的研究推論,斷層中流體所造成的壓力會使周圍岩石破裂,並且會產生脆弱的次生礦物,使整體區域的結構弱化,並讓斷層帶附近的岩體變脆弱,以致於更容易發生斷裂。與我們在意的議題有關的是:降雨這個因素是如何影響地震?降雨隸屬於天水(meteoric water)的一部分,雨水落到地表之後,會下滲形成岩層中的液體,我們稱作流體,而流體在本篇研究中就有三種來源,並不只天水一種。若要討論降雨的貢獻,我們就需要來討論天水占活動斷層中流體的貢獻量。就像是一個全家共用的小豬撲滿,爸爸會投錢進去、媽媽也會、你也會,而我們現在想要知道的就是你(天水)投了多少錢進去,是不是小豬撲滿變胖的主要貢獻者。

我們要如何觀察流體呢?可以藉由測量流體的來源(fluid source)、流通量(fluid flux單位面積的流動量)與流動路徑(flow path)。拿小豬撲滿來說,便是觀察撲滿裡錢來自於誰、在平均時間內投進了多少錢、與這些錢需要經過哪些手續才能進到撲滿內。

本篇文獻的研究者關注紐西蘭活躍斷層帶中的流體。研究者認為紐西蘭斷層帶是一個快速造山、但沒有明顯岩漿活動的地方,因此流體的潛在來源應該只有三個:(一)天水,大氣中進入地面的水量,包含雨水、雪水等等;(二)岩石在經歷變質作用時,脫水產生的流體;(三)來自地函的流體。

流體中的同位素比值很適合用來進行流體的來源追蹤,不同區域的岩石會有不同的化學組成與同位素比值。當流體流經不同區域的岩石時,會與周圍岩石發生反應(fluid-rock interactions),使流體記錄區域中的元素濃度與同位素比值,因此可用於判斷流體的來源與計算出各來源貢獻量,類似來自炸雞店老闆手中的錢可能就會油油的、薪資袋裡面的可能就是沒有折痕、全新的紙鈔。

研究者藉由氦(He)同位素的比值推估流體來源,並利用地區的估計值與參數計算出地函的流體貢獻。另一方面藉由岩層厚度、岩石密度、板塊聚合速率、脫水速率、變質速度來估算自變質作用脫水反應的流體貢獻。

天水需要滲入地下後,才能對流體產生貢獻,研究者藉不同深度下的溫壓環境,會有不同的氫氧同位素比例,推估出天水滲入南阿爾卑斯山的中段地殼(約6公里)需要十萬年的時間。如此緩慢的滲透速度,卻貢獻了斷層中99%的流體量,遠超過另外兩種流體來源(圖二)。

剛剛我們都在聊撲滿的錢是誰的、有多少、從哪裡來,但這個可容納錢的撲滿是什麼?換句話說,這個讓容納流體的空間在哪裡呢?阿爾卑斯斷層帶可簡單分為不具滲透性的主滑移帶和其周圍10至60公尺寬的高滲透性破碎帶,不具滲透性的主滑移帶阻擋了來自下盤(footwall,斷層的下方)的流體貢獻;但高滲透率的破碎帶則可成為流體的活動管道。由於觀察到斷層上盤(hangingwall,斷層上方的岩體)的破碎帶具強烈水岩交互作用影響產生次生礦物的現象,以及氦同位素分析顯示有地函來源流體兩結果,說明斷層帶上盤的破碎帶提供窄小的流體活動通道(撲滿)。

圖二、斷層帶中流體來源、比例與遷移路徑概念圖。(修改自Menzies et al., 2016)

斷層中有著各方的流體,改變著斷層的物理與化學狀態,導致斷層更容易破裂而引起地震。在紐西蘭-南阿爾卑斯山段的活動斷層中,流體有極大的來源為天水(很大部分是雨水)。水下滲成為斷層中的流體所需時間相當地長,如果要給他一個期限,本篇研究認為大致需十萬年。

綜合上述結果,我們可以知道(一)流體具有讓斷層脆弱並產生地震的能力,(二)而這篇紐西蘭的研究結果指出天水是提供阿爾卑斯斷層流體的主要來源,(三)流體可以藉著斷層帶中的破碎帶遷移,且本篇研究發現遷移管道集中在斷層上盤。但這篇文章是否支持下雨引發台灣地震的理論?或許可以從更多的面向去思考:像是流體來源在台灣斷層帶和紐西蘭斷層帶是一樣的嗎?台灣的地質條件是否能讓天水更快速地進入斷層帶中,而非需要十萬年這麼長遠的時間?或許我們會有機會更精確地討論這個議題,讓先知不再寂寞。但至少可以確定的是,本篇研究文章與雨水導致地表土質鬆軟,造成地震的論述,仍有極大的差異。

 

參考資料:

Menzies, C. D., Teagle, D. A. H., Niedermann, S., Cox, S. C., Craw, D., Zimmer, M., Cooper, M. J., and Erzinger, J. (2016) The fluid budget of continental plate boundary fault: Quantification from the Alpine Fault, New Zealand, Earth and Planetary Science Letters, 445, 125-135.