地球情绪量测师 许雅儒

作者:研之有物

因为高中升学压力大,许雅儒回忆当时想着可以外出玩耍,于是大学选填中央大学地球科学系,硕士阶段继续钻研相关知识。(摄影/张语辰)

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用 GPS 观测地壳变形

地壳因断层活动,无时无刻皆在变化,与地震、海啸、山崩等现象更是环环相扣。“地壳变形”遂成为地震学家无法忽视的观察标的,就像地球展露情绪的迹象。中研院地球科学所的许雅儒研究员,其研究主要利用全球卫星定位观测系统 (GPS) 、地震及井下应变仪观测资料,综合分析陆地及隐没带断层在地震周期中不同时段之地表变形。

原先硕士毕业后并无进修打算,然而,来到中研院地球科学所当研究助理那年,恰巧碰上 921 地震,亲眼目睹断垣残壁和惨重伤亡,许雅儒步上探索地球科学奥秘之路,一路成为研究员,成为能看懂地球情绪起落的人。

从地壳变形 观察地球情绪

发生地震时,避难是当务之急。对许雅儒而言,第一件想到的事则是:全台超过 400 个 GPS 固定观测站往哪个方向位移。因为台湾位处隐没带,地震频繁,地球的“情绪”时常在地表数十秒震动、板块几公分的移动间,展露无遗。

位于台湾汐止的 GPS 固定观测站。半圆形遮罩为避免虫鸟、外力等因素造成天线损毁。(图片来源/许雅儒提供)

GPS 卫星定位系经由卫星量测地表测站的座标,测站座标随时间的变化可计算速度,推测地底断层的活动情形。台湾目前设置超过 400 座 GPS 固定观测站,测站的选址需具备良好透空度(仰角 10°以上无遮蔽物)、地质稳定、远离电磁波干扰源等。GPS 固定观测站大抵沿着主要断层带摆放,与断层垂直及平行方向皆有设置测站。

日常 GPS 导航的量测精度顶多是“公尺”,而藉 GPS 观测地壳变形却精准至“毫米”。

板块移动缓慢,一年仅移动几毫米至几十毫米,必须透过长时间的连续观测以换取精度。藉由观测测站的位置随时间之变化,取得测站的位移速度,反推地下断层的滑动情形(如下图)。

分析全台各地 GPS 测站的座标变化,得出 2003-2010 年间台湾地区的地壳变动。(图片来源/台湾地震科学中心)

以地壳变形最显著的“地震”而言,许雅儒说,平常测站呈现的是长期稳定线性运动,一旦发生地震时,时间序列会呈现不连续状(如下图)。藉由计算地震震央附近测站位移量,便可得知地壳何处变形,并推测断层如何活动、滑移。

GPS 测站的座标时间序列。纵轴的 U 为垂直分量、 N 为南北分量、 E 为东西分量。线条错开处为地震造成的不连续。(资料来源/许雅儒提供)

断层滑移 ≠ 地震

了解断层活动不能只看当下,因为断层滑移历史很长,可能长达数万年。断层活动是能量累积的结果。

许雅儒说,断层滑移主要有三个历程,如下图:

同震滑移、震后滑移、间震期滑移,可描述断层累积及释放能量的历程。(资料来源/Scholz, 1998)

伴随地震的断层滑移称为“同震滑移”,因为板块运动的关系,岩层的推挤或拉张都会造成地震。

上部地壳一般为脆性变形,下部地壳因为温压的关系产生塑性变形。板块运动会造成地壳不断变形,下部地壳变形行为像年糕,会一直变形,但一般不会发生大地震。下部地壳会推挤上部地壳,不像下部地壳,上部地壳可以积聚能量,当上部地壳承受不住便引发地震。若下层每年推进 5 公分,假设 100 年后地震能量才一次释放,便会产生位移 5 公尺的地震。

当上部地壳没有大地震发生、主要能量由深处断层缓慢滑移释放时,则为“间震期滑移”。

若在同震滑移后,地壳能量未释放完全,而于地震时产生破裂的周遭发生断层潜移、慢慢释放能量,称为“震后滑移”。许雅儒说,通常潜移是一种缓慢释放能量的方式,时间可能长达一、二年以上。不过震后滑移还是有可能引发较大余震。

为了更了解地震滑移的特性,许雅儒近期也着手研究“山崩”。她说,研究断层难度高,因为断层较深,讯号传到地表已经很微弱了。而山崩的滑动特性和断层活动有部分类似,山坡滑动面浅、在地表可以接收足够的讯号,能借此了解滑动行为随时空如何演变,间接了解地震孕震的过程。相关研究成果也支持许雅儒获得 2017 年台湾杰出女科学家“新秀奖”。

藏于海的地球脾气

除了陆地观测,隐没带海底断层活动也是不容忽视的一环。

海底监测同样透过 GPS 定位系统,不过因为卫星讯号无法穿透海水,所以必须藉由声波定位。陆地的 GPS 站先跟船的位置做一般 GPS 相对定位,船的位置再跟海床声波回应器做声波定位,由此得知海床声波回应器相对陆地 GPS 站的位置及位移速度。

海床声波回应器,将之放入海中。(图片来源/许雅儒提供)

许雅儒说,隐没带地震规模惊人,如 2004 年苏门答腊地震和 2011 年日本 311 大地震。许雅儒在苏门答腊隐没带的研究成果(注一),也是首次有近海沟的 GPS 观测资料,验证隐没带浅层之摩擦性质为速度强化,亦即随着断层滑动速度增加、摩擦强度也增加,并有显著震后滑移。

此外,台湾邻近海域还有许多大型隐没带海沟值得观测,包括琉球海沟(长约 2200 公里)、马尼拉海沟(长约 1100 公里)。她说,虽然自 16 世纪至今未见马尼拉海沟有大规模地震的纪录,但仍需持续监测,因为无法排除未来发生的可能。如同苏门答腊过往也没有相关纪录,地震发生后破裂却超过 1000 公里。

台湾位处欧亚大陆板块与菲律宾海板块交界处,有可能发生隐没带大地震。周遭海域有二大主要海沟:琉球海沟、马尼拉海沟。(图片来源/许雅儒提供 图说重制/张语辰)

相较于陆地监测可以随时驱车前往测站,许雅儒说海床监测工作碍于台湾研究船少,有时只能搭渔船。不仅要抢船期,还得避开海象汹涌的冬天与台风季。一年出海二次,一次一星期,研究人员 24 小时轮班,而且海床监测的定位误差比陆地监测大,所以监测海床更需要长时间的观察累积精度,平均需要五、六年才有研究成果。

海洋研究船、渔船的海床监测工作景象。(图片来源/许雅儒提供)

GPS 测站守护者的野外挑战

测站肩负感测地球一举一动的任务,而守护海陆观测站的工作得仰赖研究者的野外工作。许雅儒表示,海床声波回应器可能会被海底泥流掩埋而失联,难以回收,除非派机器手臂下潜维护。陆地上的观测站则容易遭雷击损毁,若一年有三座测站损毁即属非常严重。

许雅儒的野外研究,始于中央大学应用地质研究所硕士时期的南横测站工作。她说,观测站大多位于人烟稀少的地区,分为固定站和野外站。固定站每天都会回传资料,野外站平均一年去一到二次。观测工作不外乎设置脚架、量测、纪录等。野外研究更是一场场冒险,许多时候得学会砍草、劈树、挖地等技能,才能找到测站点。

许雅儒与团队前往宜兰太平山野外观测站,进行研究工作。(图片来源/许雅儒提供)

许雅儒表示,有次劈草开路,不小心与草堆中的坟墓照片四目相交,瞬间背脊发凉。抑或因为野外测站所在之处山路险峻,车子踩满油门却往下滑。更甚,设置好的测站因学校整地而被掩埋,必须亲自拿铲翻掘。野外活动也免不了与虫蚁过上几招,许雅儒曾于菲律宾野外研究,但因站点偏远,仅有零星住家灯火,因此必须架灯摆站,殊不知灯一架,虫黑压压地铺天盖地趋光而来,一张口吸进不少只,还外带了几只回旅店。

趣事不少,许雅儒强调,观测地壳变形是为了预防灾害,对预警有实质贡献。例如监测一路延伸至菲律宾的马尼拉海沟是否可能因地震引发海啸,对整个南海,包括印尼、马来西亚、越南等东南亚国家至关重要。若发生海啸,反扑至台湾西部海岸时,因海底深度较浅,海啸放大后也可能对台湾造成严重灾情。

预测地震,可能吗?

地震与海啸的破坏力固然让人恐惧,但不若诸多影视文本可怖。

电影都太夸张了,每次看都觉得导演很有想像力。

许雅儒笑说,民众对地震了解不够深入,地震电影时常“夸大”地震形象。即使地表破裂,人绝对不可能直坠地心,根本是无稽之谈。她转而正色且科学地解释:地壳的确会破裂,但随着深度增加,岩压就越大;所以不管张裂或聚合,深度增加时,岩压变大,裂面也会闭合。

人们无法透彻了解地震,带来诸多灾难想像。至于地震观测研究是否能达成“预测”、减少伤害?许雅儒坦言,难度很高。

因为地震孕震周期长,目前对地震观测顶多百年以内,但是地震周期可能长达千年,从小窗口看出去,难以窥其全貌。

许雅儒说,预测方法不同,感测程度也不同。目前可从地球化学、地震活动度、电离层、地球磁场等方法着手,不过要排除其它非地震因素可能造成的扰动才可能达成目的。最常谣传的生物表现也得经过严谨的测试,才能知道引发鸟鸣、马陆大规模逃出地面的唯一原因是不是地震。

“就像这栋楼不久前才测得倾斜 2 公分啊”许雅儒手指天花板表示,中研院地球所顶楼就有一个 GPS 测站,后方新建大楼挖地基,在尚未建造连续壁时,顶楼的测站资料显示地球所向南倾斜 2 公分。她说,若不晓得测站附近施工兴建大楼,可能会误判为其它因素。

预测难度高,主要由于断层讯号传到地表都很微弱,必须排除很多不相关的因素,因此要判断地震前兆还有一段艰辛的路要走。

然而,具备防灾观念比追求预测更重要。许雅儒说,预测或改善现有的预警系统是必须努力的方向,但不如从小教育地震防灾的正确观念,灾害来临时,伤害才能减至最低。以最简单的地震包而言,台湾仍然并非家家户户都有,甚至还是少数家庭才具备。

许雅儒的研究不只纸上谈兵,更深具社会责任。善用 GPS 和其他方法觉察地球的情绪起伏,虽仍不足以全面“预测”,却已能掌握地壳如何变形及断层活动的情形。她也将量测方法应用至了解滑坡、降雨及地下水位之关联(注二),藉以了解大规模崩塌潜势区域之滑坡活动,供防灾与避难疏散之用等等。

访谈末,想到正身处倾斜的中研院地球所之中,我的眼神似乎透露出“倾斜 2 公分颇严重”的讯息,许雅儒连忙笑说:“还好啦,已经建造连续壁,不会再倾斜了”。对这件事的轻描淡写不是忽视,而是许雅儒长期观测地壳变形培养而来的淡定。因为她惯于感测随时随地都在变动的地球情绪,靠的是准确定位、细心观察,再下结论的扎实研究功夫。

──转自中央研究院《研之有物》(本文限网站刊登)

责任编辑:杨真

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