地下流體的騷動(三)：大雨大雪和超臨界流體
地震是地底的事，還是天上的事？一場地震，可能從天上下雨下雪開始？但水不是在地表嗎？怎麼會讓地底的斷層滑動？又怎麼會影響幾公里深的岩石？這就得從上回我們聊過的「孔隙壓力」說起。另外，隱藏在地底的科學怪咖「超臨界流體」(SCF)，科學家如何運用最先進的技術「看見」了SCF在地底的遷移路徑？就像壓力鍋裡的蒸氣，找到裂縫，一口氣衝出來。這次我們將科學場景移轉到日本的能登半島和九重火山，實際了解地震不只是地底的事，也可能是天上的事。
撰文｜A. H.
我們已知地底藏有水、岩漿、氣體等地下流體與不是液體也不是氣體的超臨界流體 (SCF)，在地底滲入岩石後會削弱其強度，促使板塊滑動、地震發生。當岩石間的水壓升高，就像灌入潤滑劑，使斷層更容易滑動而引發地震，這就是孔隙壓力的關鍵作用。也就是說，板塊隱沒時會擠出水分，與地函反應形成岩漿，進一步引發火山與地殼變動，這些流體是驅動地球的隱形齒輪。但流體引發的地震只來自地底嗎？為何大雨或大雪後地震反而頻繁？來自天空的水與地底的流體，是否會彼此呼應？
案例一：日本能登半島的大雨大雪和地震
2020年，日本能登半島這個地方突然地震頻發，地震頻率是正常頻率的10倍。發生了什麼事？麻省理工學院的國際團隊以及他們在日本的同事發現了能登半島的地震蜂群 (earthquake swarm)，這是一種多次持續地震的模式，沒有明顯的主震或地震觸發，但能解釋持續的地震。研究人員首先查看了日本氣象廳的地震資料，該資料提供了一段時間內全國各地地震活動的數據。重點關注了過去11年能登半島的地震，在此期間，該地區經歷了偶發性地震活動，包括最近的地震群。兩個關鍵驅動因素：一個位於深層，另一個則出乎意料地淺。
- 深層驅動因素：地下高壓流體區。地震影像顯示，半島深處存在一個低速區，這是局部高孔隙壓力或「孔隙流體壓力」(pore fluid pressure) 的明顯跡象。以實體模型模擬能登半島下方2012至2023年的孔隙壓力兩個異常高的壓力值，分別出現在地震群和持續地震群之前。這並非當地的地下水所造成；它的來源很可能是隱沒太平洋板塊脫水產生的流體，隱沒深度達數英里。其中兩個線索證實了這一上升：一是流體充滿了岩石，地震波速度持續下降；二是地表從下方垂直抬升。
- 淺層觸發因素：地上的雨雪累積。這種深層流體引發了地震活動，但究竟是什麼點燃了導火線呢？答案在於季節。研究人員發現，地震活動受到季節性調節。他們利用流體力學模型表明，當地降雨和降雪的變化直接影響地殼孔隙壓力。在諾托火山群爆發之前，出現了異常強烈的降雪。這場大雪及其隨後的融化提供了最後的推動力，擾亂了本已承受巨大壓力的地殼，並引發了斷層滑動級聯。
作者之一的William Frank解釋：
「當下雨或下雪時，會增加重量，從而增加孔隙壓力，使地震波傳播得更慢。…當所有這些重量通過蒸發或徑流被移除時，突然間，孔隙壓力會降低，地震波會更快。」
案例二：日本九重火山地底深處的超臨界壓力鍋
如果說能登火山揭示了地球對外部大雨大雪刺激的敏感性，那麼九州島的九重火山則揭示了其地球內部的戲劇性。科學家在九重火山地區觀察到地震時間似乎也與降雨事件有關。從2024年5月到12月，降雨事件和隨後的地震活動間存在大約9天的明顯時間滯後關聯。但這次東京大學和臺灣大學等合作的研究團隊，更進一步的利用先進的地震波勘探技術、3D視覺化和AI技術揭示了超臨界流體如何影響地震活動，展示了處於高壓超臨界狀態的深火山流體，如何被困住、遷移並經歷影響地震的相變，幫助人們「看到」SCF物理化學的轉換過程。
超臨界流體是此研究的關鍵。由於高壓和高溫，它們像氣體一樣容易流動，但能夠像液體一樣儲存和傳遞大量熱量。這意味著當它們通過不同介質或具有不同條件的介質時，如從緊密密封的區域到破裂的區域，SCF可以迅速加熱一個區域，從而改變該區域及其下方岩漿的行為。重要的是，SCF並不是與世界隔離的；它甚至會受到雨水的影響。主要作者Takeshi Tsuji說明：
「當大雨降臨時，地下水位上升，增加下方深處裂縫和斷層的壓力。如果這些斷層已接近破裂，這種增加的壓力可能會引發地震，…在火山地區，地殼被高壓流體削弱，這種影響可能特別強烈。我們的研究清楚地表明降雨量和地震活動間存在相關性。」
研究中強調了超臨界流體在「脆韌轉換」(Brittle–Ductile transition ,BDT) 區或稱「脆性–延展性過渡區」的路徑和相變。BDT通常是應力累積的機械「夾點」。它被認為是岩石圈中最堅固的一層，而和流體動力學和孔隙壓力的主要關係在於，被困在BDT附近的流體會增加壓力，削弱岩石並引發斷層滑移，尤其與深部地震和誘發地震活動相關。
圖三是模擬地下流體通過所謂的「透水窗口」遷移和BDT相變的示意圖。通過查看SCF運動的數據來解釋密封層，看起來是一個獨特的區域。SCF在遇到斷層的地方被破壞，這使得它在流體中顯得多孔，使其向上遷移，引起地殼振動。
若以壓力鍋的比喻來說明，地殼下介於BDT區域中有一個壓力鍋蓋（蓋層）封住超臨界流體。但這個壓力鍋蓋子並不完美，中間有裂縫（斷層）通過，形成一個「透水窗口」。鍋蓋下方因高溫高壓，促使流體向上遷移通過「窗口」。當超熱、超高壓的流體從窗口噴湧而出時，壓力會突然下降。流體瞬間變成氣體。這就像打開香檳酒瓶塞一樣，溶解的二氧化碳瞬間變成了氣泡。滲透窗口上方具有低P / S波速度比 (Vp / Vs) 的羽流狀區域，表明了相變產生的熱改變地層和氣體的釋放。因此在此壓力鍋區域附近引發相關的地震活動，而從研究的3D可視圖中，亦可知地震都聚集在「透水窗口」附近。
所以，斷層並非由單一因素引發地震，它是一個動態的管道系統，和地下流體的移動及相變交織組合與互為影響。流體可以導致相變；相變會為流體打開新的裂縫；地震可以打破密封，釋放出新的流體脈衝；然後雨雪給它最後的、微妙的推動。
流體、潛移與應力
這些案例研究表明，流體不論來自地表上方或下方，均是斷層帶的變數。Peng & Lei (2025) 將引發地震的物理機制分為三大類（圖四）：
- 無震滑移：斷層開始緩慢而無聲地滑動（慢滑事件，或稱為「預滑或前滑／preslip」），但不會引發地震。這種緩慢的滑動將應力集中在一個鎖定區域，然後該區域劇烈破裂。
- 彈性應力變化：就像骨牌效應，一次地震的破裂會為相鄰的斷層段增加應力，進而引發斷層破裂（「級聯」）。
- 流體流動：就像增壓器一般，流體在地殼中遷移，增加了孔隙壓力並引發滑動。其中就包括了雨水雪水、地下水、超臨界流體等因素。
關鍵是這三種模型並非互相排斥，它們是緊密交織在一起的。九重火山研究是流體驅動模型的經典案例。該系統就像一個「斷層閥門」壓力鍋，流體被困其中，直到壓力足夠高才能突破密封，並在逸出過程中引發地震。能登半島地震群則完美詮釋了混合模式，它很可能是由非震滑動和高位流體共同驅動的。深層流體導致地表隆起和蠕動（非震滑動），為斷層活動做好準備。地表融雪則提供了最終的「流體流動」觸發因素，將系統推向臨界點。
流體是關鍵環節，也就是「地下流體的騷動」這三篇系列文章關注的焦點。它們可能由工業活動注入、從地函遷移而來，或由一場普通的暴雨和暴雪滲入地下。無論哪種情況，它們都會改變斷層的應力，降低維持斷層連接的摩擦力，並可能在緩慢滑動和災難性斷裂之間形成複雜的相互作用。
參考文獻
- Wang, Q. Y., Cui, X., Frank, W. B., Lu, Y., Hirose, T., & Obara, K. (2024). Untangling the environmental and tectonic drivers of the Noto earthquake swarm in Japan. Science Advances, 10(19), eado1469.
- Study: Heavy snowfall and rain may contribute to some earthquakes, MIT News, May 8, 2024.
- Tsuji, T., Andajani, R. D., Katou, M., Hara, A., Aoki, N., Abe, S., ... & Inagaki, H. (2025). Supercritical fluid flow through permeable window and phase transitions at volcanic brittle–ductile transition zone. Communications Earth & Environment, 6(1), 752.
- 超臨界流體之地熱探勘：震波探勘技術開啟地熱能開發的新篇章，臺大新碳勘科技研究中心。
- Supercritical subsurface fluids open a window into the world, 東大新聞, Sep. 24, 2025.
- Peng, Z., & Lei, X. (2025). Physical mechanisms of earthquake nucleation and foreshocks: Cascade triggering, aseismic slip, or fluid flows?. Earthquake Research Advances, 5(2), 100349.