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2020-08-29
慢地震解密:中央山脈的呢喃
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圖一、臺灣的慢地震分佈,集中於中央山脈南段。三種不同顏色圓圈,分別代表本研究團隊利用不同方法建置的慢地震目錄。對應的構造可能為中央山脈與西側屏東平原的構造分界線TuF(土壟灣斷層)。紅色三角形為使用的地震測站,藍色三角形為圖三所使用的潮位站,綠色三角形則為地下水及氣壓站。
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圖二、長微震(tremor)為慢地震在地震波的一種表現,左圖為濾波2-8 Hz的波形。右圖為圖一的A、B兩個深度剖面。背景地震(灰色圓圈)和tremor(彩色圓圈)的空間關係,說明tremor 發生在無震區。
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圖三、慢地震活動性與環境資料比較圖。(a)慢地震的持續時間 (b) 八個潮位站的平均潮位變化 (c) 大氣壓力 (d) 地下水位(紅線)和降雨(綠線)。

【本報導由地球科學系 陳卉瑄教授研究團隊提供】

沒有地震發生的地殼深處,有一種長得像雜訊(noise-like)的震動源,它們不動聲色地釋放能量,可對應到高達規模7的地震。這默默釋放的能量,提供了應力的傳遞,「牽一髮而動全身」,可能影響著鄰近地震的發生,在區域地震潛能估計裡,是不可忽略的一環。這種特殊的震動源,叫做「慢地震(slow earthquake) 」。而慢地震發生在哪裡?特徵為何?為什麼會發生?以下讓我們一探究竟。

一般地震,花數十秒至數百秒釋放能量,對應著斷層面上數公分至數十公尺的錯動;而慢地震,則需要花數小時甚至數週的時間釋放能量,它的錯動位移有限、破裂時間長,以至於僅有非常弱的地震波輻射,難以和背景噪訊分離。一般地震,發生在脆性變形的區域(施予力,材料不立即變形,卻累積能量直到破裂發生),大約是比30 km更淺的深度; 而慢地震,則發生在「沒有地震」發生的區域,更深,介於脆性和塑性變形的區域(施予力,材料立刻產生變形,像黏土一樣不能累積能量),大約可到達50 km深。慢地震不動聲色地釋放能量,可對應到高達規模7的地震,是評估區域地震潛能中,不可忽略的一環。

臺灣的慢地震座落在中央山脈南段的下方(圖一),發生在地震的空區(圖二右),說明了無震區,一點也不平靜。和世界上其他區域大多為數小時的能量持續時間相比,臺灣的慢地震更短、更微弱,2007至2012年的資料顯示,持續時間最長僅約半小時(如圖二左所示),在偵測上相對困難。為了克服偵測的挑戰,2013年陳卉瑄教授獲得科技部吳大猷先生紀念獎後,提出五年的科技部計畫,她與研究團隊的工作目標就是於慢地震震源上方──山勢險峻的中央山脈──擺設六個地震站,利用訊噪比更高的資料,深入探索這種獨特的慢地震活動在哪裡、什麼時候發生?為什麼會發生?以及和區域大地震有沒有互動關係?

過去研究指出,慢地震的發生並非偶然,它只挑特定的物理環境生存。最常見的,就是隱沒帶的高溫、富含水、和高孔隙壓的環境,在這裡達到岩石破裂的應力門檻很低,是醞釀慢地震的絕佳環境。然而在臺灣,慢地震發生在最高峰──玉山──的南方(圖一),下方正是歐亞板塊停止隱沒、開始和呂宋島弧碰撞的過渡帶,在這個地震不會發生、也沒有成熟斷層面發育的地方,慢地震的存在,成為理解地殼更深處變形行為的絕佳利器。陳教授的研究團隊長期建置了慢地震目錄(2007-2016),發現臺灣的慢地震與鄰近的群震有顯著時空相關性,即慢地震越活躍,淺部的群震也越活躍。除此之外,2010年發生了規模6.4的甲仙地震,在短短5天內也加速了慢地震的活動性,指出快-慢地震的互動不可被忽略,需要長期的分析和監測。

慢地震的發生受潮汐作用的影響,這一點在全世界不同的隱沒帶都紛紛證實。然而在臺灣,遠離海岸的山脈下方,這些慢地震是否真能受潮汐「調配」?利用統計手段percent excess number (PE),我們驚訝地發現,與東西海岸的八個驗潮站之潮位比較後,70%的長微震竟然都發生在較高水位期間(高於中位數)!進一步利用理論潮汐應力計算,我們更發現潮汐帶來的剪應力最高為4 kPa,剪應力越大,超過隨機值越多,在最高剪應力時PE值可達到150%,這個數值遠高於加州慢地震所得出的30%,為什麼會有這麼高的相關性?

其實,臺灣的慢地震有明顯的年週期性:慢地震活躍時,對應著氣壓較低、潮位上升、較低的降雨和地下水位(圖三)。利用簡單的應力模型,我們發現移除地表以下2m的水體,在慢地震震源區亦可帶來高達4 kPa的靜態剪應力,這說明「地下水位變化」帶來的應力擾動,可能和「潮位變化」帶來的一樣重要,時間上同步的兩者,其綜合效應可能更有效地加速了慢地震的活動性。

臺灣的慢地震,在中央山脈南段下方高度集中,沿著山脈走向,在這裏有更高的Vp/Vs值,其他地物資料亦表現出高地熱梯度、低電阻等特性,說明隱沒過程中變質脫水產生的流體在此區富集,而「向北漸進」經歷更多碰撞作用時,應力在深部局部集中,造成孔隙壓劇烈變化而產生長微震訊號,就好比地底傳來的呢喃一般,低聲地傳達著它生命的力量。

原文出處:研究發展處研究亮點網

原始連結:http://rh.acad.ntnu.edu.tw/tw/article/content/40

陳卉瑄 優聘教授 | 地球科學系陳卉瑄教授任教於國立臺灣師範大學地球科學系,其研究主軸在偵測分析各種特殊的地震訊號及其活動特徵,以探索斷層帶構造和地震行為之間的關係,她在地震斷層監測的研究成果不但已受到科技部吳大猷獎肯定,並致力於市民地震學的推廣,且積極發展跨域的合作計畫,為「臺灣地震學園」發起人。陳教授在2008年自國立成功大學地球科學系畢業半年後,放棄在澳洲國立大學三年的博士後研究職位,進入師大地球科學系任教,2010年起即在國際重要期刊(影響指數13.53的Review of Geophysics)擔任副編輯長達八年,後在Journal of Geophysical Research和 Frontiers兩個期刊擔任客座副編輯,在地球物理領域的國際舞臺上非常活躍。

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