断层上的短暂瞬间:动与不动之处

很多断层都会分段或是断层面上会有分区的现象,断层面上的某些地方是较「粗糙」的,会以弹性回跳理论的概念,反覆累积形变后错动,而有些地方相对较平滑,并不会累积形变的位能

地震是一个复杂的系统,即使专业人员对它了解的也非常少。本文最初发表于“震识”,全文通俗而又专业,适合不同层次的人阅读,经得台湾国立中央大学地球科学系马国凤教授的授权转载于此,供国内读者参考。另外,文中提到的“Asperity”, 在国内研究人员通常称之为“凹凸体”。

【文/阿树(潘昌志)】

两个多月前写的这篇《地震是怎么来的》一文,与大家简单介绍了关于「弹性回跳理论」,而这是地震主要的发生机制。由此可知,地震的成因与断层其实脱不了关系,而在《断层「动静之间」的学问—关于「潜移断层」》一文中却又告大家,有些断层可能因为只有缓慢的潜移,虽然岩层会因此断开错移,但却不会发生剧烈的地震,而文中还进一步说到,有时有的断层会是「一部分潜移,一部分锁定」,有些地方会缓缓的错移,有些地方却又会累积能量发生地震…

或许你会说,怎么这么复杂?所以我这样到底是该要担心断层还是不要担心啊?

那些断层面上的复杂之事

老话一句,复杂的事情没有简单的答案,所以我们还是要先细说背后的科学。首先,「弹性回跳理论」是种「概念化的模型」,它并不是代表所有的断层都是以这么「单纯」的方式在动。理想情况下,断层受外力作用时会先累积形变,就像橡皮筋和弹簧一般,直到超越最大静摩擦力时才会滑动,但实际上有些断层面是很「平滑」的,就是外力不会累积形变,而是推多少它就动多少,它就是我们前面的潜移断层。

即使是这样分成两类,还是非常粗略,因为真实世界的情境远远复杂许多!

Welcome to the real world….

真实世界常见的情况是,很多断层都会分段或是断层面上会有分区的现象,断层面上的某些地方是较「粗糙」的,会以弹性回跳理论的概念,反覆累积形变后错动,而有些地方相对较平滑,并不会累积形变的位能。

所以我们如果要用个简单模型来想像真实世界中的断层样貌的话,就会是这个样子:断层面上会是有一些地方长期被「锁住」(locked) 的地方,而地震往往就是当这些被锁住的地方突然间滑动的时候发生的事情。

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

至于这些锁住的地方突然滑动是什么概念,我们先用一个影片来解释:

(取自https://youtu.be/sYaXGlwopiI )

 

虽然影片中的弹性行为是在手握的那条弹力带上,但实际上它在诠释的就是岩石的「弹性行为」。套用在自然界中时,地震的作用确实也是以这样的模式在发生,每一段时间一定会发生一次滑动,但滑动发生的时间间隔并不十分固定,而时间不固定也代表着累积的形变也不会每次一样,所以滑动量也并非完全固定的,这代表地震之间的周期不太固定、大小也不太固定啊!

如果我们把影片看得再仔细一点,可以发现前方的红色块体会是直接的受手拉弹立绳的应变影响,但蓝色的块体受力和运动的情形就复杂得多。当红色块体突然滑动时,蓝色块体并不一定会随着滑动,而这两块之间的落差也是以形变的方式储存起来,等到累积到一定程度的时候才会发生地震,而且这种类型的储存释放能量方式可怕得多,往往会有更大的错动,产生更大的地震。

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

上图中的形变与时间关系表中呈现了形变随时间会累积并释放能量发生地震,虽然和弹性回跳理论的概念一样,但变成两个块体就复杂许多

所以,即使我们理解了地震发生的「模型」,但要借此「精准预测」地震,也会因为断层的行为过于复杂而变得不可行。但话说回来,正好就是有这样的规律性,比较明显躺在地上又会不断累积形变而孕育地震的断层,某程度上是可以估算地震发生的长期潜势的。不过这个概念谈到此要先暂时打住,往后我们会接着谈长期地震潜势评估的事,今天的主题我们先聚焦在断层上的事情。

一个不易诠释的概念性名词

刚才说断层上较为粗糙、容易锁住的地方,它有个专有名词”asperity” ,它似乎很难用个中文译名( 本文中暂以其中一种译法「地栓」称之) ,因为它不仅止代表上述的意义,还用来解释地震发生时的现象:在断层错动发生地震时,它会被用来指「断层上地震矩最大的地方」( 断层面上错动最集中的地方) 。

虽然从名词定义上看起来很复杂,但其实在谈论的概念是横跨地震发生的过程与机制。当在谈断层面上的物理特性时,地栓所描述的就是那些突起粗糙的孕震区,而当地震发生时,断层面上的这些点自然也是其中的一个或数个地栓。此时我们若要谈论地震时错动最集中的地方,用地栓正好也可以说明,毕竟依照弹性回跳理论和asperity model 来看,错动最集中的区域在地震前当然也是那个粗糙、摩擦力大而累积形变最多的点。所以它用来指涉的现象会因地震的时空而有些差异,但不变的是,它是专指断层内性质差异和地震的关系的概念。

所以,实际上一个断层或隐没带上,其实拥有许多复杂的物理现象需要考量,从上个世纪初到世纪末之间,我们也只从「确认断层和地震的关系」发展到「发现并找到断层面上不均匀之处和地震的关系」而已。而这项科学最难之处是它必需先从天然地震的观测得到一些假说,还得从天然地震来验证。理所当然的,要了解大地震,势必也只能从大地震来着手,然而大地震除了给学者更多研究资料,却又常带来惨重灾祸,因此阿树也觉得研究地震之人确实是「苦其心志」啊!

最后,如果有兴趣去google ”asperity” 一词的话,会发现在材料科学上,asperity 也是用来描述表面或是界面上的「粗糙度」的名词。而最初将此概念运用在断层、地震上的学者,其中一位在前几周的文章也曾提过的金森博雄教授( 提出地震矩规模计算方式的学者) ,金森教授与Thorne Lay( 文章第一作者) 在1980 年针对索罗门群岛地震发表研究论文时,便以此模型解释地震的特性。但Thorne 和金森教授是如何用模型解决问题,以及aspeirty model 在地震研究上的贡献。

斯斯有两种,主震也有两种

像台湾这种位于板块边界附近地震频繁的区域,多数无感地震是「看似随机」分布。通常在发生较大的地震时,才会出现时间、空间上相关性极高的地震分布。而我们会将这样一群接近的地震称为「地震序列」,序列中最大的那个地震自然而然就是「主震」,而在它之前的小地震就是前震,之后则为余震。当然这也是有例外,像是有时会突然发生一大群规模2~4 之间的群震,而没有较为明显的主震,但这种状况并不是今天要谈的,所以也先跳过…

还有一种特别的情况,那就是「双主震」,顾名思义,当地震序列中有两个发生时间相近( 数秒到数分钟,顶多几个小时之内) ,且震源位置、地震规模相近时,我们会称它叫「双主震」。由于地震规模的计算本来就有些容许误差,计算上差个0.1 、0.2 的情况并不能真正分出哪个才是最主要释放能量的地震,所以最简单的处理方式就是让它并列为主震。

可是案情并不单纯… 断层只有一个怎么会有「双主震」?

是的,没代没志不会随便就发生双主震,如果一次大规模的断层错动会产生一次较大的主震,也就代表双主震等于有「两次大规模错动」,问题来了,这两次到底是发生在同一个断层上?还是在不同的断层上呢?

实际上,双主震发生在同一断层或不同断层上皆有机会,或许先以「发生在不同断层上」来切入理解会简单一些:可以想成这个地方的地下可能有几个潜在的断层,两个都面临着能量累积快要到极限发生地震的情况下,当一个地震发生后,极有可能诱发第二个地震。

至于在同一断层面上发生双主震的情况,就得回溯到前上一篇文章介绍的「地栓」(asperity)概念,断层面上往往并不均匀光滑的滑动,也不是整块一起「锁住不动」,外力( 如板块作用力) 多半集中在数个地栓区块上,而这些区块有大有小、或许都有各自累积能量的极限。譬如有些较小的地栓可能隔段时间就会滑动发生小地震,而较大的地栓则会累积得久一点才释放能量。

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

断层面上可能有好几个大小不同的地栓,如果正好有两个差不多同样大小的地栓差不多同时累积到临界点时,有可能会一同发生地震,或是其中一个开始滑动时进一步诱发了另一处发生地震,因为两地栓的大小、累积能量相近,地震规模也会大致相当。但如果两者相去甚远,我们可能就会把较小的那个事件当作前震或余震来看待了( 端看发生的先后顺序) 。

要怎么辨认出双主震?

我们不可能看得到断层上的地栓,所以唯一的资讯就是「地震波」,但要怎么藉由地震波了解的细节,可能一言难尽,在此也仅简述基本的概念。首先,仪器收到的地震波,其实里面隐含了震源破裂时的特性、震源到测站间的地质条件等等,而现在的地震波分析的方式已经可以逐一分析这些参数,而前些日子在本站谈震矩与震矩规模时,也提到了「地震矩」是从断层面的位态、断层特性与断层面破裂情形所综合出来的参数,所以「断层是怎么破裂的」其实也与地震矩规模的发展几乎是同时开始的( 约莫1970 年代未、80 年代初期)。

Thorne Lay 和金森博雄[1] 在1980 年针对索罗门群岛的两个双主震地震序列分析后,提出了两种不同的地栓分布(asperity distribution) 的模型,其中索罗门型式(Solomon type) 的地栓分布图显示,其隐没带的地栓为许多规模相近的地栓所组成,所以发生的双主震多是独立的地栓,会产生规模相当的地震,但其它地区多半是非均匀分布的(heterogeneous) 情况。

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

两种地栓分布模型,图片摘自Lay, T. and Kanamori, H., 1980.

而这非均匀分布的地栓,其实也帮助我们合理的诠释多数地震的发生情况,在有前震的情况,多半是较小的地栓发生破裂后,接着才发生大规模的错动较大的主震。此外,当较大的地震发生后,也会连带的影响到断层面上其它的地栓,发生「藕断丝连」的情况,这时也可以从余震分布推测断层的延伸位置。如果套用在大型地震规模大于以上时,甚至会发现断层面上数个地栓连动的现象,譬如2011 年东日本大地震的断层面上就至少有个地栓区域,而921 集集地震也可看出两个地栓分布区下图

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

集集地震的震源模型,虚线为断层的主要错动区地栓所在

这些研究对我们有什么重要的?

这两篇文章说明了近代断层与地震间关系的研究进展,让我们至少从抽象的弹性回跳理论慢进展到「具像化地震发生的瞬间」,阿树也要特别提醒,毕竟这些资讯都是来自于科学家对于地震波的解析,加上为数不算多的地质资料而的理论结果,这些研究也有一些极限:譬如2016 年发生在高雄 — 台南的地震,也在地震发生了好些天后,学者才从地震波的分析推论「双主震」的可能性,像这样两起超近的双主震事件,仍无法在地震当下就厘清,因此这类针对断层与地震的研究,最大目的其实是在追寻地震好发处。

试想一下,如果我们有机会了解断层面上易发生地震的地方有哪些、它的能量累积释放情形与地表观测资料的连结,这样我们多少就有机会评估它未来发生地震的可能性,还记得我们站中的首篇文章吗?文章中提到的「未来发生的地震机率」,有一部分的发展就是利用本文提到的地栓研究,提出震模型,加上再现时间与震度分布等相关研究计算求得,像这样看似纯学术的基础研究,也是能进一步运用到民生之上的。

断层上的短暂瞬间:动与不动之处

未来50 年内,机率10% 以上的振动强度的分布图。可用于长期的防灾规画评估参考。资料来源:台湾地震科学中心

随着科技进步,这些理论可能会有更好的应用,也可能会修改或发现新资讯,抽空了解这样的地震新知,或许可以给我们的防灾愿景增添正向力量!

参考资料与延伸阅读:
IRIS的地震模型说明与影片连结
Lay, Thorne  and  Kanamori, Hiroo  (1980)  Earthquake doublets in the Solomon Islands. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 21 (4). pp. 283-304. ISSN 0031- 9201.
[1] Lay, T. and Kanamori, H., 1980. Earthquake doublets in the Solomon Islands. Phys. Earth Planet. Inter., 21:283-304
MB
维基百科 (アスペリティ )
断层上的短暂瞬间:动与不动之处 (上 )
地震大小谁说了算?Part II:更「先进」的地震规模算法?
从美浓地震看盲断层与双主震——《科学月刊》

断层上的短暂瞬间:动与不动之处「震識」是由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格,我們希望透過淺顯易懂的分享方式,讓地震知識走入日常生活中。Facebook 页面,Blog 主页

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