地球情緒量測師 許雅儒

作者:研之有物

因為高中升學壓力大,許雅儒回憶當時想著可以外出玩耍,於是大學選填中央大學地球科學系,碩士階段繼續鑽研相關知識。(攝影/張語辰)

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用 GPS 觀測地殼變形

地殼因斷層活動,無時無刻皆在變化,與地震、海嘯、山崩等現象更是環環相扣。「地殼變形」遂成為地震學家無法忽視的觀察標的,就像地球展露情緒的跡象。中研院地球科學所的許雅儒研究員,其研究主要利用全球衛星定位觀測系統 (GPS) 、地震及井下應變儀觀測資料,綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。

原先碩士畢業後並無進修打算,然而,來到中研院地球科學所當研究助理那年,恰巧碰上 921 地震,親眼目睹斷垣殘壁和慘重傷亡,許雅儒步上探索地球科學奧秘之路,一路成為研究員,成為能看懂地球情緒起落的人。

從地殼變形 觀察地球情緒

發生地震時,避難是當務之急。對許雅儒而言,第一件想到的事則是:全臺超過 400 個 GPS 固定觀測站往哪個方向位移。因為臺灣位處隱沒帶,地震頻繁,地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間,展露無遺。

位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩為避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。(圖片來源/許雅儒提供)

GPS 衛星定位係經由衞星量測地表測站的座標,測站座標隨時間的變化可計算速度,推測地底斷層的活動情形。臺灣目前設置超過 400 座 GPS 固定觀測站,測站的選址需具備良好透空度(仰角 10°以上無遮蔽物)、地質穩定、遠離電磁波干擾源等。GPS 固定觀測站大抵沿著主要斷層帶擺放,與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。

日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」,而藉 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。

板塊移動緩慢,一年僅移動幾毫米至幾十毫米,必須透過長時間的連續觀測以換取精度。藉由觀測測站的位置隨時間之變化,取得測站的位移速度,反推地下斷層的滑動情形(如下圖)。

分析全臺各地 GPS 測站的座標變化,得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。(圖片來源/臺灣地震科學中心)

以地殼變形最顯著的「地震」而言,許雅儒說,平常測站呈現的是長期穩定線性運動,一旦發生地震時,時間序列會呈現不連續狀(如下圖)。藉由計算地震震央附近測站位移量,便可得知地殼何處變形,並推測斷層如何活動、滑移。

GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。(資料來源/許雅儒提供)

斷層滑移 ≠ 地震

了解斷層活動不能只看當下,因為斷層滑移歷史很長,可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。

許雅儒說,斷層滑移主要有三個歷程,如下圖:

同震滑移、震後滑移、間震期滑移,可描述斷層累積及釋放能量的歷程。(資料來源/Scholz, 1998)

伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」,因為板塊運動的關係,岩層的推擠或拉張都會造成地震。

上部地殼一般為脆性變形,下部地殼因為溫壓的關係產生塑性變形。板塊運動會造成地殼不斷變形,下部地殼變形行為像年糕,會一直變形,但一般不會發生大地震。下部地殼會推擠上部地殼,不像下部地殼,上部地殼可以積聚能量,當上部地殼承受不住便引發地震。若下層每年推進 5 公分,假設 100 年後地震能量才一次釋放,便會產生位移 5 公尺的地震。

當上部地殼沒有大地震發生、主要能量由深處斷層緩慢滑移釋放時,則為「間震期滑移」。

若在同震滑移後,地殼能量未釋放完全,而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量,稱為「震後滑移」。許雅儒說,通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式,時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。

為了更了解地震滑移的特性,許雅儒近期也著手研究「山崩」。她說,研究斷層難度高,因為斷層較深,訊號傳到地表已經很微弱了。而山崩的滑動特性和斷層活動有部分類似,山坡滑動面淺、在地表可以接收足夠的訊號,能藉此了解滑動行為隨時空如何演變,間接了解地震孕震的過程。相關研究成果也支持許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。

藏於海的地球脾氣

除了陸地觀測,隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。

海底監測同樣透過 GPS 定位系統,不過因為衛星訊號無法穿透海水,所以必須藉由聲波定位。陸地的 GPS 站先跟船的位置做一般 GPS 相對定位,船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位,由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。

海床聲波回應器,將之放入海中。(圖片來源/許雅儒提供)

許雅儒說,隱沒帶地震規模驚人,如 2004 年蘇門答臘地震和 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果(註一),也是首次有近海溝的 GPS 觀測資料,驗證隱沒帶淺層之摩擦性質為速度強化,亦即隨著斷層滑動速度增加、摩擦強度也增加,並有顯著震後滑移。

此外,臺灣鄰近海域還有許多大型隱沒帶海溝值得觀測,包括琉球海溝(長約 2200 公里)、馬尼拉海溝(長約 1100 公里)。她說,雖然自 16 世紀至今未見馬尼拉海溝有大規模地震的紀錄,但仍需持續監測,因為無法排除未來發生的可能。如同蘇門答臘過往也沒有相關紀錄,地震發生後破裂卻超過 1000 公里。

臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處,有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝:琉球海溝、馬尼拉海溝。(圖片來源/許雅儒提供 圖說重製/張語辰)

相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站,許雅儒說海床監測工作礙於臺灣研究船少,有時只能搭漁船。不僅要搶船期,還得避開海象洶湧的冬天與颱風季。一年出海二次,一次一星期,研究人員 24 小時輪班,而且海床監測的定位誤差比陸地監測大,所以監測海床更需要長時間的觀察累積精度,平均需要五、六年才有研究成果。

海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。(圖片來源/許雅儒提供)

GPS 測站守護者的野外挑戰

測站肩負感測地球一舉一動的任務,而守護海陸觀測站的工作得仰賴研究者的野外工作。許雅儒表示,海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯,難以回收,除非派機器手臂下潛維護。陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀,若一年有三座測站損毀即屬非常嚴重。

許雅儒的野外研究,始於中央大學應用地質研究所碩士時期的南橫測站工作。她說,觀測站大多位於人煙稀少的地區,分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料,野外站平均一年去一到二次。觀測工作不外乎設置腳架、量測、紀錄等。野外研究更是一場場冒險,許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能,才能找到測站點。

許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站,進行研究工作。(圖片來源/許雅儒提供)

許雅儒表示,有次劈草開路,不小心與草堆中的墳墓照片四目相交,瞬間背脊發涼。抑或因為野外測站所在之處山路險峻,車子踩滿油門卻往下滑。更甚,設置好的測站因學校整地而被掩埋,必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招,許雅儒曾於菲律賓野外研究,但因站點偏遠,僅有零星住家燈火,因此必須架燈擺站,殊不知燈一架,蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來,一張口吸進不少隻,還外帶了幾隻回旅店。

趣事不少,許雅儒強調,觀測地殼變形是為了預防災害,對預警有實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝是否可能因地震引發海嘯,對整個南海,包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家至關重要。若發生海嘯,反撲至臺灣西部海岸時,因海底深度較淺,海嘯放大後也可能對臺灣造成嚴重災情。

預測地震,可能嗎?

地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼,但不若諸多影視文本可怖。

電影都太誇張了,每次看都覺得導演很有想像力。

許雅儒笑說,民眾對地震了解不夠深入,地震電影時常「誇大」地震形象。即使地表破裂,人絕對不可能直墜地心,根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋:地殼的確會破裂,但隨著深度增加,岩壓就越大;所以不管張裂或聚合,深度增加時,岩壓變大,裂面也會閉合。

人們無法透徹了解地震,帶來諸多災難想像。至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害?許雅儒坦言,難度很高。

因為地震孕震週期長,目前對地震觀測頂多百年以內,但是地震周期可能長達千年,從小窗口看出去,難以窺其全貌。

許雅儒說,預測方法不同,感測程度也不同。目前可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手,不過要排除其它非地震因素可能造成的擾動才可能達成目的。最常謠傳的生物表現也得經過嚴謹的測試,才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。

「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示,中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站,後方新建大樓挖地基,在尚未建造連續壁時,頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說,若不曉得測站附近施工興建大樓,可能會誤判為其它因素。

預測難度高,主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱,必須排除很多不相關的因素,因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。

然而,具備防災觀念比追求預測更重要。許雅儒說,預測或改善現有的預警系統是必須努力的方向,但不如從小教育地震防災的正確觀念,災害來臨時,傷害才能減至最低。以最簡單的地震包而言,臺灣仍然並非家家戶戶都有,甚至還是少數家庭才具備。

許雅儒的研究不只紙上談兵,更深具社會責任。善用 GPS 和其他方法覺察地球的情緒起伏,雖仍不足以全面「預測」,卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯(註二),藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動,供防災與避難疏散之用等等。

訪談末,想到正身處傾斜的中研院地球所之中,我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息,許雅儒連忙笑說:「還好啦,已經建造連續壁,不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視,而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定。因為她慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒,靠的是準確定位、細心觀察,再下結論的紮實研究功夫。

──轉自中央研究院《研之有物》(本文限網站刊登)

責任編輯:楊真

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