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地理眼》「地震!」:我不是地質系,但可能可以談一談

地震與豪雨是再熟悉不過的天然現象了,人類本就對於未知的事物感到畏懼或好奇。根據知名偶像(2015)的觀察得知:「連日未雨,暴雨將原本乾燥的土壤浸潤,造成地質鬆軟進而導致地震不斷。」這是一段個人觀察,雖不見得是真理,但也不一定是謬論。

楊啟見(臺灣大學地理環境資源所博士生)

4月21日一早,花蓮東部外海發生規模6.3的淺層地震,一天之內五次規模大於5的地震與豪雨接連出現,不禁讓人開始嘗試歸因這奇特現象,但是臺灣民眾自幼教育與親身經驗,地震與豪雨是再熟悉不過的天然現象了,又為何會引起這麼大的騷動呢?

1916年的南投地震(圖片來源/維基共享)

不過這也許是一件好事,人類本就對於未知的事物感到畏懼或好奇。根據知名偶像(2015)的觀察得知:「連日未雨,暴雨將原本乾燥的土壤浸潤,造成地質鬆軟進而導致地震不斷。」這是一段個人觀察,雖不見得是真理,但也不一定是謬論。

我不是地質系,但我也想懂!

要談論到地震之前,想先從臺灣的自然環境談起,似乎可以讓大多數「非地質系」出身的民眾,有更親民一點的出發點。臺灣島位於菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊的聚合邊界,此區域為世界三大造山帶之一,除了地震、火山之外,同樣為臺灣帶來每年約5至8毫米的提升速率,此外臺灣所處地理位置特殊,位於世界上最大洋與最大陸的交界,深受海陸差異性質影響,加上臺灣位在西太平洋颱風的主要侵襲路徑上,平均每年受到約3至5個颱風影響,在氣候、地質、地形等多重條件的催化下,臺灣形成了豐富且動態的自然景觀。

圖片來源/阿簡,Flickr

更深入一點來說,受到菲律賓海板塊每年約8公分、由東南往西北方向碰撞速率的影響,地震頻繁且地質相當破碎,加上臺灣高強度降雨所致,是造成地表沖蝕劇烈的主要原因。我雖非地質系,且非地震相關研究者,單純就地學粗淺的認知,對地震做了一些資料蒐集工作與大家分享。

震這種用肉眼看不見的未知現象,自古以來,被人類用已知、熟悉的東西描述,像是常聽見的地牛翻身,民間相信地下有地牛,當大地牛身體發癢時,翻動身體就會發生大地震。我相信21世紀的今天,隨著地震科學的相關研究與分析儀器的成熟與發達,地牛翻身這樣的說法,應該已經不被接受了,但是地震的主要原因究竟是什麼呢?

地牛翻身的原因

臺灣主管地震預報的中央氣象局所定義的地震,地震可分為自然地震與人工地震。自然地震,依其發生之原因又可分為:

(1) 構造性地震:全世界多數地震都屬於此類型,因為岩層受到應力擠壓,產生形變,當岩層無法承受應力時,岩層發生斷裂放出地震波,造成地震。

(2) 火山地震:在地底的壓力過大所造成的火山爆發,岩漿上湧所造成的地面震動。

(3) 衝擊性地震:如隕石撞擊。

總結來說,因為地球內有一種推動岩層的「應力」(stress),當應力大於岩層所能承受的強度時,岩層會發生錯動(dislocation),而這種錯動會突然釋放巨大的能量,並產生震波(seismic waves),當它到達地表時,造成地殼震盪,稱之為「地震」。

更精簡地說,當岩層發生錯動,而這種錯動會突然釋放巨大的能量,而這股能量造成的地殼震動,似乎就可以稱之為地震了。例如,地震學家在1940年左右發現,當水庫建築完成後,區域的地震活動有增加的現象,原因是水庫增加其周圍地層的負荷。但是,通常這只是一種暫時性的自然現象。此外,近年來頁岩氣量暴增,原因就在於水力壓裂法(Hydraulic fracturing)的研發成功,但這種開採方法須在開挖時大量注水,這可能促使深層岩石滑動,引發地震(編按:此方法因有環境疑慮,在美國引起反彈,民主黨眾議員提出法案限制)。 

究竟降雨與地震有沒有因果關係呢?

關於地震成因的描述,似乎都侷限在內營力、地外營力或是人為因素,那麼「外營力」呢?

「氣候指的是,在幾十年之長的大氣-海洋-陸地系統之狀態的統計匯集(Climate: A statistical ensemble of states of the atmosphere-ocean-land system during a time period several decades long。)」- A. S. Monin(大氣物理學者)

中研院地球科學研究所兼任副研究員劉啟清研究團隊,在臺灣東部首度監測到慢地震訊息,並發現慢地震往往伴隨颱風來襲而發生,這種長期而緩慢的地殼破裂,有助於釋放大地震的能量。」(《自由時報》,2009年6月11日

研究指出,颱風造成大氣壓力降低,減輕斷層上盤陸地壓力,結果斷層的一邊微微升起,釋放出斷層內累積的壓力。我相信很多人對於「慢地震」不是很熟悉,包含我在內,簡單來說(應該是吧),颱風就好像是一臺吸塵器一樣,經過陸地時將地殼吸起,把那些積壓在地殼間的應力給慢慢地宣洩出來,沒有了應力累積,因此降低了日後大地震的發生機率。

莫拉克颱風造成大量土石沖刷(圖片來源/維基共享)

說到底就是卸載

除了颱風扮演為地殼舒壓的角色之外,「去角質」是不是也能勝任這位置呢?前文提到,臺灣每年擁有5至8毫米的提升速率,玉山應該不斷長高才對啊!根據臺灣大學地質科學系(登楞!真地質系出現)徐澔德教授與國外研究團隊,於2014年在期刊《自然通訊》(Nature Communications)所發表的研究顯示1

「根據臺灣地區活動斷層調查所得的資料,搭配文獻中記錄的臺灣地區侵蝕速率,運用力學模型模擬的方法,證實了地表的侵蝕作用可以對於活動斷層造成顯著的應力變化,進而影響地震活動的發生。舉例來說,臺灣西南部具有每年高達一公分以上的侵蝕速率,其所造成的斷層應力變化,大約可以使得斷層發生下一次大地震的時間提早十分之一。」

簡單來說,當覆蓋在斷層面上盤的岩層受到外營力侵蝕後,導致重量減輕(卸載)時,斷層活動的阻礙將會降低,便更容易誘發地震活動。過去的研究顯示,臺灣上游集水區中平均的沖蝕率達每年6.4公分2,其中侵蝕最為嚴重的區域當屬臺灣西南部泥岩區,平均沖蝕率可達每年911公分3,流經泥岩區的曾文溪與二仁溪皆為臺灣年輸沙量的主要供應來源,其中二仁溪則是全臺灣單位面積含沙量最大的河川,根據經濟部水利署2012年的水文年報顯示4,二仁溪南雄橋測站在天坪颱風期間,單日測得輸砂量就高達14401公噸。此外,臺灣西南部泥岩區域位於造山帶前緣褶皺逆衝帶,是臺灣板塊活動旺盛的區域,加上地表侵蝕如此旺盛,對於地震的發生機制產生的影響,值得投入更多的關注。

這麼說來,降雨引起地震這句話,雖然看似滑稽,但並非全然錯誤,只是中間需要更多的過程,更多的證據,更多的個人觀察。

那麼除了臺灣之外,世界上有沒有其他區域同樣位於造山帶,又擁有極高的侵蝕作用呢?在全球尺度下,喜馬拉雅山、黃土高原都是世界主要的地表侵蝕區域,主要原因是外營力作用旺盛,例如冰河凍融作用與降雨侵蝕,除此之外,東亞、太平洋小島等地區,涵蓋面積小但卻是世界主要泥沙輸出區,地球科學家Lyons在2002年提出「高聳島嶼」(high standing island)的概念,其意義代表高泥沙輸出區,範圍包含西南太平洋的海島國家,例如:印尼、馬來西亞、巴布亞紐幾內亞、紐澳,上述國家皆具有地勢陡峭與高強度降水等環境特徵,然而高輸砂量隱含著高侵蝕量,而這些地區又大多位於環太平洋造山帶上,未來是否有更多的證據說明下雨與地震之關聯,就待更多科學家的努力挖掘了。

參考資料》

1. Steer, P., Simoes, M., Cattin, R., & Shyu, J. B. H. (2014). Erosion influences the seismicity of active thrust faults. Nat Commun, 5. doi: 10.1038/ncomms6564

2. 簡碧梧 1989。 從自然環境談臺灣的水土保持。水土保持教材。行政院農業委員會特刊。24: 95-116。

3.Higuchi, K., Chigira, M., & Lee, D.-H. (2013). High rates of erosion and rapid weathering in a Plio-Pleistocene mudstone badland, Taiwan. Catena, 106(0), 68-82. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2012.11.005

4. 水文年報101年度,經濟部水利署編印。p.402。

5. Lyons, W. B., Nezat, C. A., Carey, A. E., & Hicks, D. M. (2002). Organic carbon fluxes to the ocean from high-standing islands. Geology, 30, p. 443-446.

6. 中央氣象局地震百問http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/eq000.htm

7. Liu, C., Linde, A. T., & Sacks, I. S. (2009). Slow earthquakes triggered by typhoons. Nature, 459(7248), 833-836. doi: http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7248/suppinfo/nature08042_S1.html

本文經授權轉載自地理眼GeogDaily:「地震!」:我不是地質系,但可能可以談一談

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