地下流體的騷動（一）：地震學演進的2500年
地震不只是兩塊大石頭（板塊）相互擠壓、卡住和碰撞，古人早就發現，在地震來臨前，井水會先變得不對勁，像是消失、混濁、甚至冒泡。直到二十世紀，科學家才開始認真傾聽這些地下流體的警告，把它們納入地震預測的工具箱。由於斷層並不是完全由乾燥的岩石組成，它還包含水和氣體等物質，也就是說，我們腳下的岩石就像是塊巨大的「濕海綿」，當你用力壓它，水會往哪裡跑呢？水是幾乎無法壓縮的，當受到擠壓而壓力飆升時，那會發生什麼變化？最新的研究更精彩，科學家發現在地底深處居然有個「流體儲藏室」！但地震並不是發生在這區塊，而是在它上方的岩層，這又是為什麼？
撰文｜A. H.
過去我們知道地震是兩塊巨大的岩石，也就是構造板塊，互相擠壓。它們彼此緊靠，然後碰撞，此時應力占了上風，斷層滑動，地面震動。然而，如果只是板塊之間持續的擠壓，為什麼斷層會在某個時刻發生滑動？為什麼它有時會以數十數百個小滑動「群」釋放能量，而不是一次大爆炸？
原來，我們忽略了發生這一連串事件中的一個關鍵角色。斷層並非乾涸，它充滿了裂縫，而這些裂縫中充滿了流體，而這些流體 (geofluids) 似乎才是真正的麻煩製造者。它是系統中的「油脂」，是決定斷層何時，以及如何鬆動的那隻隱形的手。
這次，我們關注的焦點就是地下流體和地震的關係。遠古時代，人們以為地震是天神在生氣，希臘人認為是地下洞穴中有風在吹拂，而古中國的說法則是「氣」被堵住了。歐洲人瞭解火藥後，開始猜地震是地下的火藥在爆炸。再後來，電學興起，有人說地震是地球在放電。真正改變思維的是1755年里斯本地震。英國科學家米契爾 (John Michell, 1724-1793) 觀察後指出，地震像地毯上的褶皺，是波在傳播。他還猜測造成地震的原因是水碰到火，產生蒸汽，進而發生地動。雖然這些想法沒有馬上改變地震學界，但它讓我們開始真正聽懂地球的低語。
自古代預兆至現代科學的推展
地震的主要原因是地球內部能量的突然釋放，通常與板塊運動有關，另外還包括諸多自然與人造的影響。若自地下流體的視角觀察，時光可以回溯至西元前600年，古希臘哲學家斐瑞居德斯 (Pherecydes of Syros) 曾因發現井水突然消失，而準確預測了錫羅斯島的地震。這些早期觀察逐漸融入自然哲學的思維中，如亞里斯多德提出的地下「風」或溪流引發地震的理論。
十七世紀，中國耶穌會神父龍華民 (Nicholas Longobardi, 1559–1655) 記錄了一系列極現代的前兆：地表異常氣泡、井水渾濁、水味改變等現象。這些記載可能受到希臘思想的間接影響，初步建立了地下流體與地震事件間的聯繫。進入十九世紀，研究者開始從觀察走向測量。在義大利，1870–1888年間利用許多「地震儀」組成了一套儀器網絡，可以用來偵測地殼的緩慢變形，並發現這一過程與流體壓力密切相關。
直到1911年，俄國王子加利津 (Borisovich Galitzin, 1862–1916) 提出一項真正科學化的跨學科地震預測計畫，內容涵蓋地震波監測、大地測量，以及關鍵的「泉水與水井狀況研究」。他將地下流體研究與地球物理學整合，為未來下一個世紀的研究奠定了基礎。二十世紀中葉，毀滅性地震促使各國政府啟動大規模研究計畫，如圖二所示。如今，主要的地下流體監測試驗場分布於中國、冰島、日本、俄羅斯與臺灣。
壓力下的濕海綿與化學指紋
地震前水位與氣體成分的變化，反映的是地殼中累積的巨大應力。我們腳下的岩石，就像一塊龐大的「濕海綿」，並非完全堅硬，而是充滿微裂縫與孔隙，其中充滿水、氣體與石油等，這些即是地下流體。當板塊擠壓摩擦，岩石會持續承受並累積壓力。在斷裂（即地震）發生前，岩石會彎曲、變形、受擠壓。那擠壓濕海綿會發生什麼事？水幾乎不可壓縮，卻必須尋找出口。即使是微小的擠壓，也會導致流體壓力劇烈變化，使深層含水層與水井成為高度敏感的「天然應變計」(natural strain meter)。當壓力飆升，地表可能出現以下現象：
- 水位變化：深井水位上升。
- 化學混合：不同岩層的流體混合，改變水中溶解離子與穩定同位素濃度。
- 氣體釋放：壓力改變載氣（如二氧化碳 (CO₂)、甲烷 (CH₄)）沿斷層向上移動的速率，並攜帶微量氣體至地表。
科學家如同尋找「化學指紋」的偵探，觀察哪些氣體正在冒出。首先是氡 (Rn)，自1950年代起即被視為經典的地震前驅物。氡由地殼中鈾衰變產生，平時只是靜靜存在。二氧化碳則是主要載氣，可能來自地殼的熱變質反應，或更深層的地函脫氣。地熱研究有助於辨識這些深層CO₂來源，通常與活躍構造帶或火山活動相關。當岩石受擠壓，CO₂或CH₄會湧上地表，將氡氣沖出，使地表氡濃度急劇上升。
接著是氦 (He)，一種極具示蹤能力的惰性氣體。氦有兩種關鍵同位素：氦-4來自地殼中鈾與釷的衰變；氦-3則是地球形成時的原始遺跡，幾乎完全來自地函。透過測量氦-3 / 氦-4比值，科學家可判斷是否僅為地殼流體移動，或已打開深層裂縫，衝擊地函。這是一種極佳的化學指紋，可追溯流體與熱量的真正來源。
地下流體引發地震的物理機制
近期（2025年）東京大學和東北大學等研究人員，試圖整合物理觀測方法，繪製地球內部的水流體和岩漿圖，揭示它們與地震和火山的聯繫。地下流體在各種地球動力學過程中，隱沒板塊噴出的含水流體可以與地函岩石反應，降低熔融溫度並產生岩漿。這些含水流體和岩漿會上升，並導致火山弧活動、地震活動和地殼變形，以及大陸地殼的長期成長。
首先，科學家在日本東北部一個地震非常活躍的地區地下10-20公里處發現了一個巨大的水性流體儲層 (aqueous fluid reservoir)，這不僅僅是一個裂縫，而且高達10%的體積是流體，還位於2008年岩手、宮城內陸地震震源的正下方。但有趣的是，2008年的大地震並非發生在此「流體儲層」內，而是發生在儲層正上方的岩石中。那麼，到底發生了什麼事？為什麼流體並沒有震動，而是「導致」震動？
地下流體圖告訴我們，就在這個「流體儲層」的下方，靠近地殼和地函的邊界有岩漿，這就是引發地震的關鍵。岩漿很熱，並且充滿溶解的水，就像一罐汽水充滿了溶解的二氧化碳一樣。隨著岩漿冷卻並開始結晶，它就無法再容納水分了，因此它會「呼出」這些富含礦物質的熱水。噴出的水會上升並聚集在10–20公里深處的「流體儲層」中，但下方的岩漿仍會持續不斷冷卻並「呼出」熱水和熱氣，導致越來越多的流體不斷地泵入這個被困住的空間。
壓力累積到超過一定的水準後，流體壓力如此之高，以至於它已經超過了其上方所有岩石的重量，而這些高壓流體必須向某個地方傾瀉，於是它會在儲層上方堅硬易碎的岩石中找到裂縫，然後注入其中。這就像水力壓裂，流體會將斷層「頂開」，使其變得脆弱，而原本靠摩擦力緊緊夾在一起的岩石就突然鬆動然後滑落，斷層斷裂，地震就發生了。
這就是為什麼地震會發生在流體儲層上方，不在裡面。在儲層內部，溫度太高了，而岩石是可塑的，就像太妃糖一樣柔軟，會彎曲變形。因此「破裂」必然發生在上方溫度較低、較脆的岩石中，而下方的壓力又來自岩石，所以，地殼應力條件謎團解開了。然而，流體和地震的故事不僅限發生於地底下，20年前《自然》的新聞標題是：「雨使大地震動：一個潮濕的周末可能足以引發地震」。另外，不是氣體，也不是液體，而是兩者兼具的「超臨界流體」(Supercritical Fluid) 又是什麼呢？它和地震又有什麼關係？（待續）
參考文獻
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- Iwamori, H., Ogawa, Y., Okada, T., Watanabe, T., Nakamura, H., Kuwatani, T., ... & Ichiki, M. (2025). Geofluid mapping reveals the connection between magmas, fluids, and earthquakes. Communications Earth & Environment, 6(1), 373.
- Ball, P. Rain makes the ground shake. Nature (2006).
✨延伸閱讀：氡：CHEBI:33314；氦：CHEBI:30217；關於ChEBI知識本體地介紹，可參看作者過去的文章——《多變多巴胺——第一部：ChEBI:18243》