地震與我們的距離Podcast
地震科學家馬國鳳的地震科學關鍵字：世界首次取出斷層帶岩心揭開的奧祕？台灣會有規模8的地震嗎？地震模型如何提供避震資訊？
刊出日期 2024.08.27
我個人是做科學的，以地震科學來講，最常被問到的問題就是，我們有辦法做地震預測嗎？很可惜，目前為止還沒有辦法做地震預測，因為我們到現在還沒有很清楚地理解地震是怎麼開始，又是怎麼結束的。
無法預測地震，可以推估地震潛勢
以說今年（2024）4月3日的地震為例，它的震央在花蓮外海，在花蓮外海的哪個點，是什麼時候要發生，這部分我們事實上是沒有辦法預測的，但是我們可以算出它的潛勢。那潛勢的意義就是說，我知道一個斷層大概每300年活動一次，上次發生假設是250年之前，那我大概只剩下50年的時間，它的潛勢就是會比較高；如果今天一個斷層它是1,000年發生一次，上次是250年，那它還有750年的時間，它的潛勢就是低的。
要了解整個地震斷層的潛勢分析，很重要的是需要有斷層帶的資料，提供地震發生的特質。所以在1999年9月21日，大家或許會聽過，這個地震是由車籠埔斷層所發生的，它從震央集集一直往北破裂，到台中豐原一帶。這樣一個「逆斷層」的特質，讓我們有機會打一個比較深的井，直接打到車籠埔斷層底下的位置。
在921地震之後，我們在國家科學及技術委員會做了車籠埔斷層的深鑽計畫，那這也是全世界在當時唯一打到斷層帶的。就算是現在，包括東日本大地震、中國的汶川地震，他們也有做相關的工作，但是真正打到斷層帶的還是車籠埔斷層，我們那時候叫做TCDP（Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project，車籠埔斷層深井鑽探計畫）。剛提到，我們沒有辦法做地震預測，但是我們在做很重要的工作，是「預估地震動的特性」，也就是地震還沒有發生，但是我知道我靠近斷層帶，它（地震）如果發生的話，距離斷層帶1公里、10公里、20公里，你的感受分別會是如何。
＃斷層帶
第一個關鍵字是斷層帶。大家都知道地震的發生跟斷層是有關的，斷層會累積釋放地下的能量，斷層帶最主要的成因，是因為板塊運動的時候，會把一些力學跟外力聚集在斷層帶附近。斷層帶受到長年累積的能量之後，如果沒有辦法承受這些力量，就會釋放產生地震。
斷層帶可以是很廣的，就是所謂的破碎帶或是變形帶，我們在地震科學裡更精確的斷層帶是，斷層本身在滑移的那個面，它的厚度可以是幾公分，甚至到幾公釐（millimeter），這也是我剛剛早先有提到車籠埔斷層，或是等一下會介紹的「深鑽」，就是要看出地震的斷層帶，主要的能量聚集是多厚？
為什麼我們要考慮它到底多厚呢？因為愈厚的話，能量的分散會變得比較廣，但是它的力量會減少；如果是很窄的話，代表力量全部在這個非常窄的區域裡面發生，它可能產生很大的熱跟很多變位的能量。所以厚度的大小，事實上在我們車籠埔深鑽之前，在全世界是一個很大的辯論。
我們這個研究非常重要，是因為我們可以把斷層帶大概只有幾個，真的是滑移帶大概幾公釐、大概就是0.5公分，這樣能量聚集區域造成的破碎帶或是變形帶，把這個區域定義出來，在法規上面就可以有相對應的防震準備。
另外，地震的大小跟斷層長度有一定的關係。例如說：2004年印尼蘇門答臘地震，這個地震是引起全世界非常大的海嘯，比2011年東日本大地震的海嘯影響更大的一個地震，它的破裂長度達到1,600公里。各位大朋友、小朋友可能對於1,600公里還是沒有概念，台灣島的長度是400到500公里，所以這個地震規模9.5，破了大概3個台灣的長度。你可以想像，這個力量有多大！因為它是在整個印度洋上面，所以造成海浪往上抬升了30公尺。海浪一抬升之後，因為能量不滅，它就會一直往外面傳，所以全世界都收到海嘯的訊號。
那以整個台灣來看的話，東日本大地震之後最常問的就是「台灣會有像日本那麼大規模的地震跟海嘯嗎？」我們台灣島本身不大，就我剛提到的500公里長，在島內斷層帶的長度大概就是100公里左右。也就是說，對於台灣島內的地震，它的規模大概是7.6左右，這是我們預估的，島內的地震當然不會引起海嘯。
島外的地震像是琉球海溝或馬尼拉海溝比較可能會有海嘯。琉球海溝跟台灣是垂直的，所以海嘯發生之後往北傳，就是有點往日本，台灣是在跟它垂直的區域，所以斷層高度不會像東日本大地震那麼高。而日本的大地震是因為他們的海溝跟日本島是平行的，你可以想像我動的時候，一直往前面跑，就剛好跟日本島會有直接的衝擊。所以簡單來講，台灣在海嘯方面相對沒有像日本有那麼大的危險，這是可以直接跟大家做相關結論的部分。
921地震之後當然大家可能還看到的是2018年花蓮地震更早之前，2016年的美濃地震，這部分就是我們在做地震工作的時候，會想說我如何把這些島內的地震可能的衝擊做比較好的規劃。尤其是斷層附近的限建，這也成為全台灣目前，在一些斷層的規劃活動裡面滿重要的依據。
那怎麼樣才能夠知道我們居住的地方是否在斷層帶周圍，甚至有沒有斷層帶通過呢？現在在經濟部地質調查及礦業管理中心的活動斷層網，你大概都可以查到。地礦中心它的活動斷層是指地表看到斷層的部分，那如果做地震的話，就是地表沒看到的斷層也要做一些相關的演算，那這也是我們地震科學在做的事情。
＃深井鑽探
知道斷層帶本身的厚度，控制了整個地震震動的行為，那它到底有多厚？如果你沒有鑽到下面，其實一切的數據通常都是揣測的資料。但是鑽探本身是滿貴的，因為你要鑽到下面，還要把岩心取出來，這個過程其實說實在的，它沒有特別的經濟效益，但是它是很重要、能了解科學根源的手段。
所以921地震之後，日本學者就特別跟我討論說，這個很重要的科學議題，就是斷層帶本身的特質，一直還沒有直接的證據，車籠埔斷層或許是提供這樣子的模型很重要的科學證據。所以我們跟日本、美國、德國、義大利等國際各種不同的學者，提出一個國際型的深井鑽探計畫。
因為這種機會不大，所以如果有機會打到斷層帶的岩心，全世界都會很想看，同時我們也覺得，台灣的科學不是只站在台灣這邊。我一直在思考，台灣的地震科學是在哪一部分可以在國際上被看到，而且覺得它是一個很重要的貢獻。所以回到這種深井鑽探它很重要的部分就是，我可以把斷層帶的岩心拿出來之後，看到一個岩石的顆粒，如何從最大的顆粒磨到非常小，因為我一定可以算出它的能量，同時我可以看到車籠埔斷層大概多頻繁地被擾動。
也就是像921地震這樣子規模的地震，車籠埔斷層大概每300年就會動一次，而且它動一次的行為可能會跟這次是一樣的。所以這給我們另外一個科學很重要的一個依據就是說，我可以做地震潛勢分析，300年之後，我們大家都不在了，但是我們的子孫應該還在台灣島上面，所以這樣子的經驗是要傳承的。
以鑽探來講，剛剛提到說921的時候我們做了鑽井，然後放了井下地震儀，在2018年的花蓮地震，我們還做了一個很重要的工作，就是在20年來科學的進步下，很多訊息已經變成是用光纖了。光纖它圍著全台灣島，甚至到海外都有，所以它本身的震動，就是你收到的訊息，它也可以是一個很重要的地震訊號。
所以在2018年的花蓮地震，米崙斷層它在2018年動過，上次動過是1951年，就是68年它就動了一次，這個斷層的活動比車籠埔斷層還要頻繁。在米崙斷層那邊，我們當初就做了沒有像車籠埔斷層那麼深的鑽井，因為它本身的規模是6.4，不像921這麼大的規模，所以它的滑移量沒有很大，但是跨過斷層帶的光纖讓我們知道，這斷層帶本身的任何風吹草動是滿重要的。
所以我們大概在3年前，在中央研究院的關鍵突破計畫，我們在七星潭那附近的米崙斷層擺了跨斷層的光纖，這也是世界上第一個跨斷層的光纖，一樣的我們做很重要的科學研究成果，2024年7月發表在《Nature》期刊上面。這也是做我們自己本身很重要的台灣議題之外，同時在國際上面，台灣也可以貢獻的地方。
＃地震模型
剛剛提到的深井鑽探它相對滿科學的，就是我拿到斷層帶的岩心，看到它的物理化學的變化，我看到光纖它震動的情形。一般的民眾會問，這對我有什麼影響？可以對我有什麼好處？當然不見得說是好處，但是相對來說，好像離一般民眾很遙遠的感覺。
那地震模型就不一樣了。地震模型是我把整個台灣的地震地表活動帶，包括沒有在地表、隱藏在地下的，像2016年的美濃地震，這個地震的發生，它的斷層沒有出入地表，但是它造成很大的危害。我們是不是可以靠我們剛剛所講的這些科學研究斷層帶的行為、地形的影響，鑽井之後看到它每300年動一次，米崙斷層每70年動一次，這些數據整個彙整起來成為「台灣地震模型（Taiwan Earthquake Model﹐TEM）」。
這些事情我一個人是做不來的，是一群人的合作。我的專業是地震科學，但是我剛剛所提到的很多問題，包括地形、岩心的岩石力學、物理化學、這是地質科學的問題。所以這個台灣地震模型是把我們全台灣地震科學和地質科學相關領域的老師們彙整在一起，每5年檢討一次台灣地震模型它的每個斷層「是不是有更好的數據」、「斷層長度的證據是不是更多了」。很重要的數據是它的「恢復週期」，是300年、500年還是1,000年，這是很重要的數據。有了這些數據的彙整之後，我們就可以算出台灣的地震危害潛勢圖，這個圖才有辦法給工程跟法規做更進一步的應用，才能夠用在我們每個民眾上面。
這個過程當然是很長的，台灣地震模型有點是我們科學研究的收斂，把它收斂起來之後，我們可以得到一個「台灣孕震構造發震機率圖」，以及了解這個區域會產生地震的特質，也就是所謂的「孕震構造」。由於台灣位在菲律賓海板塊跟歐亞大陸板塊交界，許多碰撞的能量是在地底下，所以我們要靠很多不同的地形，或者是大尺度的角度來了解孕震構造。
以民眾來說，可能關心自己一生中可能會碰到的狀況是如何，也就是大約100年內發生的機率；但對於房屋結構來講，事實上要看475年，就是我今天蓋一棟房子，希望50年之內只有10%的機率會不幸地倒塌，這是法規上面帶上來的規範。但是如果是核能電廠，或者是那種關鍵基礎設施，甚至要想到千年的尺度，需要用不同的風險、標準去做運算。台灣地震模型就提供這些不同規格的要求，做為相關數據的基礎，如何減少地震帶來的衝擊，也是我們科學裡面的重要任務之一。
＃地震規模
地震規模指的是一個能量的大小，簡單來說就是「斷層愈長，規模愈大」。斷層100公里大概規模7.6﹐斷層80公里大概規模7.2，就是有一個尺度上的關係。那我們這個規模當初大家在講的時候，有點是覺得說我沒有辦法去把它定義出來﹐說多少的振幅是多大的規模，所以大概在1920年代左右出現芮氏規模的稱呼。
芮氏規模實際上是加州理工學院的一個地震科學家芮克特（Richter），針對加州的地震測量設計。他想說一個地震，如果你距離到100公里遠，然後一個特定的儀器它的振幅如果是1公釐的話，規模就是5，就是有類似這樣的一個尺度關係。你比它的振幅大多少，你的規模就更大，所以它是一個指數的關係，我們就把它中文翻譯成「芮氏規模」。
規模當然是剛剛講到跟地震的能量釋放有關，可是我們民眾的感受，你會覺得說我靠近震央可能搖得比較大，離得愈遠搖得就比較小，這種感受叫做「震度」，這部分是一般民眾常常會搞混的。地震規模本身是沒有單位的，所以我們常常講說規模7.6，那震度就會有分級，就是3級、4級、5級，甚至5弱或5強。
有時候你靠近震央，一個最大加速度「啪一下！」很高但沒事，因為你搖得很短。我想大家都有經驗，地震發生之後，你搖愈久會覺得愈驚恐，因為搖愈久本身它產生的災害能量會更大。基本上就是，你加速度是瞬間的，速度是比較長時間的﹐所以才會分成5弱、5強。5弱大概還不會有什麼災害；5強可能一些比較弱的房子開始有災損；6弱的話，就是要啟動防災準備了。
這個單位除了民眾接收之外，很重要的是內政部消防署或者是村里長這類負責救災的相關人士，他收到6弱這樣的訊號，在他的區域裡面，就要有準備。包括水壩，水壩只要5強、6弱，他們就要去巡視本身的壩體有沒有受損。
所以簡單來說﹐台灣的震度分級分成10級，震度愈大，地震受到影響的程度也會愈大。在地震報告上通常也會呈現這2種資料在一起，讓民眾可以了解整個地震的過程，尤其是讓防災單位能完整地了解地震的影響。
很多人也會問我，要投入地震科學或是地球科學需要什麼樣的特質呢？基本上我覺得「有興趣」是最重要的一部分，如果你很自然地對這些地球本身的奧妙很想要了解的話，都非常歡迎你加入地震科學、地球科學的領域。我剛提到的地震科學是比較偏向防災應用的地震科學，另外一個地震科學的應用是了解地球內部的構造，都歡迎未來的學生們加入我們的工作。
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