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【科學知識】甲仙斷層大調查

Written By: admin on 八月 24, 2010 42 Comments

大地震發生前後,往往是研究地震活動好時機。例如今年3月高雄甲仙大地震讓科學家發現了未知斷層,並且收集到地震前後地表下氣體的濃度變化情形,可做為地震預警的研究……

文/楊嘉慧
審稿/經濟部中央地質調查所構造與地震地質組科長 盧詩丁

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每當大地震發生後,相關單位都會收集各地測站傳回來的資料,以研判地震的特性及影響程度。以今年 3 月 4 日發生在高雄甲仙的大地震為例,一開始以為是潮州斷層活動引起,但資料收齊後,才知道它是一個未被發現的盲斷層。

 甲仙地震發生在高雄甲仙地震站東南方 17 公里的御油山、吉田山與鳴海山之間,震央正好在潮州斷層附近。不過該地震並非潮州斷層活動引起,因為從地震站求出的震源顯示,該地震的深度為 22.6 公里,但潮州斷層的發震震源深度不會超過15公里。

 此外,經濟部中央地質調查所構造與地震地質組科長盧詩丁表示,地震後兩天內 400 多次餘震與主震的分佈位置呈西北-東南走向,一般來說主、餘震多分佈於斷層的主要破裂面附近,由此可知其斷層為西北-東南走向,和潮州斷層的東北-西南走向不同,這也是甲仙地震非潮州斷層引起的證據之一。

 引發甲仙地震的斷層並未出露地表,目前只能從主、餘震的分佈位置、震波與應力分析解得的資料,算出該斷層是一條呈西北-東南、向東北傾斜約 40° 的逆斷層,同時伴隨走向滑移分量。至於斷層走向為何與台灣常見的呈東北-西南走向不同,由於資料有限,尚不清楚。

圖為甲仙主震與餘震的位置分佈圖。不同測站解出的資料均顯示該斷層為逆斷層伴隨走向滑移分量。下方的ML表示地震的震級,數字越大震度越強。(影像來源:中央氣象局)

斷層活動造成的影響

 這次地震對地表造成的影響,可比較幾個長期連續接收衛星訊號的全球定位系統(GPS)觀測資料計算出來。根據中央地質調查所比對地震發生前與地震發生後的坐標位移量,發現該地震最大位移量發生在震央西側約 15~16 公里,位移 量在 2~4 公分之間,位移量並由該處朝西北、西方及西南方遞減。

圖為以GPS測到的地震前後地表位移量,最大位移量約在震央西方15公里處。圖中箭頭代表位移方向,箭頭長度為位移量的大小。黑色箭頭為觀測到地表的位移向量,紅色箭頭是給定斷層破裂面(黑色方框)和破裂方向之模擬的位移向量。(影像來源:中央研究院地球科學研究所助理研究員 許雅儒)

斷層活動不只會改變地表面貌,也可能造成地殼深處的氣體,如氡氣、氦氣、氫氣、二氧化碳與甲烷等,沿著斷層帶散逸至地表。根據近幾年的研究發現,規模大於 5 的地震,方圓 60 公里內的觀測站多可發現土壤中氣體濃度有異常變化。盧詩丁表示,這次在雲林古坑、嘉義中崙、屏東潮州、台東池上等觀測站確實發現到地震前約 20 天,氡氣濃度異常升高,至地震發生前 5~6 天,才恢復到背景濃度,地震當時沒有出現異常值。這很可能是大地震發生前,地底下已經開始受應力擠壓,使得地殼深處的氡氣在地震前數天釋放完畢。不過,氣體濃度異常變化的研究資料尚不齊全,目前只能做為研究地震前兆的工具之一,還無法實際應用在預警上。

地震海灘球透露的斷層訊息

 了解地底下斷層如何活動的最佳時機,往往是在地震發生過後,因為此時通常可以從航照影像找出地表破裂面,分析斷層活動的範圍。此外,測站接收到的初達波(P 波)也能做出「斷層面解」,分析震源附近的斷層傾角,及斷層類型為正斷層、逆斷層或走向斷層等。

斷層面解是將立體空間的斷層錯動簡化成平面示意圖。假設在斷層面上畫一條通過應力點,且垂直於斷層面的「輔助面」,則斷層面與輔助面會把上、下盤分成 A、B、C、D 四個區塊(見右圖)。地震發生時,此四區受力的形態會分成兩組舒張區及兩組壓縮區。

 地震發生時,此四區受到應力的壓、張力量各不相同,因此各地地震測站在地面接收到的初達 P 波有些是向上跳動(地層受壓縮而向上拱),有些是向下跳動(地層舒張而向下陷)。若為正、逆斷層,地震測站只能偵測近地表的三個區域:正斷層測到的P波是中間為向下初動,兩側為向上初動,逆斷層正好相反。若是走向斷層,四個區域的舒壓分佈均可測到,且交替出現。之後根據測站顯示的資料,即可畫出分析地震常用的「海灘球」(beach ball)。

 典型的逆斷層海灘球是斷層面與輔助面將球分成三個區塊,圖中間像眼睛的地方上色,另外兩塊為白色,正斷層則正好相反;而典型的走向斷層是圓球分成四個扇型區塊,有色與白色區塊交替出現(見下圖)。此外,斷層的傾角不同,在球面上的投影位置會有差異,由此也能算出斷層的傾斜角度。

發生上盤向下滑移的正斷層時,地面測到的P波是中間區為舒張區,兩側為壓縮區。將斷層假想成一顆球,並將下半球的受力情形投影在一平面,得到的圓形圖就像一顆海灘球。(電腦繪圖:姚裕評)

?經濟部中央地質調查所構造與地震地質組科長盧詩丁表示,實際上地震發生時,從測站資料畫出的海灘球並無法分辨輔助面與斷層面。以南北向的正斷層為例,斷層面不論向東傾或向西傾,測站得到的舒張區及壓縮區分佈是相同的,亦即解得的斷層方向會有兩組。因此尚須搭配野外調查,或從記錄的地震波形及已知的活動斷層資料,才能確知斷層的傾斜方向。

(1)為逆斷層、(2)為走向斷層。海灘球除了可判斷斷層類型,上頭也會標示方位,以辨識斷層面或輔助面的方向。(電腦繪圖:姚裕評)

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