地球科學

認清發震構造的真面目

集集大地震的震央,為何不是位在地表破裂的車籠埔斷層線上?台大地質系陳于高帶領我們從地質學觀點,透析地震發生的原理與斷層活動間的關係。——編輯部

撰文/陳于高

地球科學

認清發震構造的真面目

集集大地震的震央,為何不是位在地表破裂的車籠埔斷層線上?台大地質系陳于高帶領我們從地質學觀點,透析地震發生的原理與斷層活動間的關係。——編輯部

撰文/陳于高


過去100年,台灣陸地上曾發生過七起規模7.0以上的巨震,其中五起又集中在20世紀的前50年間,伴生有地表斷層活動的則有四次,與1999年的集集大地震相隔了約有半個世紀。集集大地震是否預言了未來可能接踵而臨的連續強震?它讓我們有何啟發?


如果我們將集集大震所有地表產生破裂變形的點一一相連,會發現它們在地圖上可連成一條線性區域(參見下頁圖),它便是公認造成這次發震、綿延有近100公里長的車籠埔斷層。眼尖的人便會發現,這個地震的震源位置並不在斷層線正下方,而是在集集鎮北方約1公里、距離地表12公里深的地底。地震釋放之能量又轉成震波再向外傳播,整個南投縣最接近這個發生地,所以立即陷入恐怖的天搖地動之中。南投人無語問蒼天,心中吶喊:「為什麼是我們?」


這個問題是很有科學意義的。就地質上來看,我們立即覺得有異的不只是震央為何不位在地表破裂的斷層線上(而是位在地表破裂帶的東側),對於這發震位置並未在更東或是更西,也是值得探究的問題。地震過後,台灣的地震專家在破裂帶進行一連串的地表地質調查,這些調查,連同在1997年中央地質調查所李錦發所做的車籠埔斷層調查研究報告,都指出此斷層的斷層面乃一向東傾15~30度的斜面,上盤(車籠埔以東的岩盤)沿著具有高度塑性的頁岩層,向西逆衝。震央位在集集並非偶然,而可能是斷層面幾何型態上的必然,因為車籠埔斷層確實以低角度向東傾的方式,通過集集地底數公里深的地方。這與美國加州大熊鎮與藍德斯城地震,震央便直接位在斷層線上的情形有所不同,其發震斷層基本上是垂直地面的平移斷層。


如何解釋地震發生在集集地底而不在更東或更西的位置呢?蘇強(John Suppe,美國國家科學院院士、普林斯頓大學教授)在1960年代於台灣進行一系列的地質構造研究後,提出了一個讓他享譽全球的理論「推土機模型」。這個一向被視為「薄皮」(thin-skin)構造的理論架構,認為地表所有主要的斷層面,都會向下連接到幾公里至10公里深,較為平緩之一個或以上的「斷層滑脫面(decollement)」,而所有地殼變形也都會發生在此一滑脫面之上。這個滑脫面有兩個不容忽視的特性,一是在該滑脫面上的岩性十分特別,就像這次地震的滑脫面乃沿塑性極高的頁岩層而動;二是滑脫面會經過一個轉折接上「斷層滑坡」(ramp),再向上延伸至地表,此一轉折位置會成為岩盤向西逆衝時的阻礙,以及應力聚積的位置。若將推土機模型應用到此次集集大地震,則發震點所在的集集地底下,也許便是斷層滑坡與斷層滑脫面之連結位置,以致應力不斷累積於該處,一旦突破了靜磨擦力,便會挾巨大的能量帶動整個上部地殼向西向上移動。


新調、老調齊彈


1999年9月21日凌晨1時47分12.6秒,集集車站內的大鐘走到此時打住。在多數民眾業已入睡的這一刻,先是照明逐步消失,接著進入一片漆黑;同時,睡床上的人們會感到一陣上下起伏的波動,和前後左右的天旋地轉。尚未入睡、意識清楚的人們,或許更可感受到超過一次的震動,在原本以為地龍行將止息時,卻又毫無預警地再次翻身,教人在有如無止境的恐懼中掙扎。


從中央大學馬國鳳主任對地震當時斷層面上的錯動分佈,以及破裂波前的傳遞情形所做的分析可以發現,在主震發生後3秒,破裂波前仍停留在震央位置;3~12秒內,斷層同時向南與向北破裂;12~17秒時,斷層僅向北方破裂,且在最北端停留10秒,造成極大的地表變形。在短短30秒的破裂時間內,震波的傳遞情形卻有如此大的差異,這究竟代表什麼?


從地質的角度,也許可為這團謎題找到解答。台大地質系陳文山等人在破裂帶沿線做調查,發現依照變形與斷層上下盤岩層關係,可將地表變形分為四個活動區段(參見左圖)。在這四個區段中,只有南邊的草屯段與竹山段是沿著地質圖上的車籠埔斷層,垂直位移為1~3公尺;北邊的石岡段位在三義斷層的東側,主要傍山麓前緣出露,明顯地未承接南方的破裂,垂直位移最大,在3~10公尺之間;往北再接上卓蘭段時,此段破裂帶橫過大甲溪的埤豐大橋後,瞬間由南北向打橫變成東西向切過石岡,再向北終止於大安溪北岸卓蘭的內灣,垂直位移在數十公分到八公尺。更有趣的是,卓蘭段的破壞行為並非以斷層為主,而是一連串的急轉褶皺及小斷層的破壞。在這樣明顯非均一的破壞行為下,若以「車籠埔斷層」涵括縱長100公里的破裂帶,不如以「集集大地震破裂帶」稱之適當。



對於這樣不同段具有不同變形行為的認知,釐清了我們一直以來的一個迷思:地震造成的地表破裂,是否會沿單一斷層面而活動?集集大地震的事實告訴我們,同震之地表破裂,可能是主要斷層與其他主要、次要的活動構造,共同形成一個複雜的地震斷層系統。換句話說,「地質斷層」與「地震斷層」是有所不同的:前者指的是以地層的不連續、地層位態的轉變與破裂帶的存在所推論出的斷層,後者則指實際地震運動中,透過應力釋放,而觸發其移動的一連串地質斷層系統或是新的破裂面(這種情形可能較少,因為地質斷層是理論上的弱面,應力若能完全透過弱面釋放,要製造新的破裂面便屬不易)。


如果我們從斷層間彼此觸發的可能性看來,一種緊接而來的誇張想法可能是:會不會有一次地震,造成全台斷層連續大移動,甚至是台灣島的分裂?


地震斷層與10大區塊


這聽起來像是危言聳聽,實際上是不太可能的。地震斷層在運動上,並非毫無章法地胡亂觸動,而會有一定的規律。美國加州理工學院地球與行星科學系博士班研究生徐澔德於2001年提出一個引發許多討論的「十大區塊」(Ten Domains)(參見右圖),他整合台灣所有可能引發地震的地質斷層,依照彼此間的相關性以及引發地震災難的可能性,劃分出東部的宜蘭、花蓮、台東、蘭嶼/綠島,與西部的台北、新竹、苗栗、台中、嘉義、高雄等10個區塊。這10個區塊的劃分,主要是依據新期構造的理論主張。所謂「新期」,是最近的地質時間內曾有活動的構造,該理論主張新期的構造活動都會在地形上留下痕跡,因此透過地形的比對,將可以推得這些新期構造活動的方式以及大致的活動性。在這10大區塊中,地形上均顯現出不同的系統,暗示其下的斷層亦各自組成系統。各區塊中皆有一到數條可能的發震斷層,以及可能觸發的鄰近構造。「十大區塊」除了劃分在地形上乃至在構造上的區域活動特性,也暗示了現階段台灣造山運動由南到北的運動差異,以及各區塊可能出現的地震種類。



我們在此以1951年的花東縱谷大地震為例。1951年10月22日,花蓮近岸發生規模7.3與7.1的地震,同年11月25日,台東池上又接著發生規模7.1的大地震。這兩個時間、空間點上都相距甚近的地震,觸發了米崙、玉里與池上等幾條斷層。這些斷層都位於「十大區塊」中的花蓮與台東區塊,地形上則位於由中央山脈與海岸山脈所夾成的花東縱谷。連接從北到南等地形上明顯線性的位置,我們可得到名為「縱谷地震斷層」的發震斷層,但事實上它在瑞穗、玉里、池上各段卻也有不同的行為。從同震變形(coseismic deformation)調查中,我們知道瑞穗段的垂直位移約為1~2公尺,玉里段幾乎無垂直位移,池上段一般小於0.5公尺;在非同震變形(aseismic deformation)部份,以現有的大地測量資料,我們亦至少可區分出快速潛移的池上段,以及近乎不具潛移行為的玉里段(瑞穗段則資料不齊無法比較)。我們可從1951年的地震再次證實,一條發震斷層造成的震波可能會在幾條不同的斷層間跳躍,而且其同震與非同震變形行為都可能有所不同。我們亦推測,非同震變形較大的區域,如池上段以每年高達二公釐的潛移量持續消耗能量,在地震時地表破裂程度便會較低;反之則可能有顯著的地震地表破壞。這樣的理解便是在提示著,對於同一條發震斷層,不可一以視之,而當審慎了解其內含各斷層不同的變形機制,才能劃分出明確的禁限建區,針對瞬間破壞或是潛移破壞做出最適當的因應,以有效降低對民眾身家財產的威脅。


由地層記錄看地震


地震學家與地球物理學家運用各種能量累積、傳遞與釋放的物理模式,嘗試進行地震預測這件攸關人命的工作,而地質學家靠的是實際存在的記錄。對地質學家而言,地層是他們最重要的書,透過閱讀地層,地質學家學得一切他們用來認識這個世界的觀點。但地層在地面上如何可讀?除了自然出露,如山崩、河川切穿之外,還可以透過人工的方式,如鑽井、震測。但為了因應地震斷層研究對精確性的特殊要求,透過人工開挖,創造出一個完整的剖面,搭配各種定年方法的應用,這便是槽溝開挖(trenching)的工作。


在集集大地震之後,地質專家在車籠埔沿線首先展開一連串的槽溝開挖。一般唯有透過槽溝開挖,才能將斷層確切通過的位置定得更加精確,也更有利於禁限建區的劃定。此外,透過地層對比以及各種定年方法的應用,我們還可以清楚了解地震的回歸週期、水平與垂直位移量以及滑移速率,甚至是將地層中確實的斷層出露點與地表地形對比,亦可讓我們反向思考地形與地下構造的關係。



以在霧峰地區開挖的結果而言,發現了多次的古地震記錄,斷層活動在過去1500~1600年來大約2~3次,粗略計算其回歸週期約在400~700年,且這次(1999年)的垂直位移在2.2公尺,水平為3.3公尺(見上圖)。雖然透過這樣方式進行的地震預測仍無法告知下一個地震發生的確切時間表,但這種有如史書記載般明確而無可反駁的記錄,以及對地表破裂位置的精確定義,若應用在全台各主要發震斷層的探索上,都可提供無論是土地開法利用或是保險業者更具實際應用價值的資訊。


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