地震是如何发生的?

自古以来有许多人尝试了解地震,不过因为距离理论仍太遥远,我们直接跳到较重要的一位主角:英国地质学家莱尹尔爵士,你可能没听过他,但他是在地质学和演化论的发展上皆扮演了重要角色

文/阿树

过去,如果有机会和对小朋友讲到地震成因时,我经常会提一个很简单又不简单的问题:

我:「地震是怎么来的?」

小朋友:「是板块运动!」

我:「那板块是什么?」

小朋友:「是我们脚下的地方」

我:「板块『运动』就会地震?那板块是地震时才运动?还是一直都在动呢?」

我可不是故意要刁难孩子们,而是在科普推广的经验中发现了许多常见的盲点,一有机会我就会想尽办法导正。过往许多教育或某些片段的科普知识,在「地震成因」的部分,经常会以板块构造运动的学说,来解释板块运动伴随而生的地震。

不过,事情才没这么简单呢!人们尝试用不同方式去了解地震成因的历史已有数千年,不过到了1906 年旧金山地震后,人们才连结了地震与断层的关联,至于1960 年代才兴起板块学说,也和地震的关系密不可分,板块学说可以用来解释地震,地震其实也是建构板块学说模型的佐证,今天我们不止谈科学,也谈历史,从地震的科学史来看人们探寻地震成因的脉络。

将地震和断层掺在一起的第一人:莱尹尔爵士

莱伊尔
莱伊尔爵士(1865~1870 之间拍摄照片) 由John & Charles Watkins – ,公有领域,维基连结。

自古以来有许多人尝试了解地震,不过因为距离理论仍太遥远,我们直接跳到较重要的一位主角:英国地质学家莱尹尔爵士,你可能没听过他,但他是在地质学和演化论的发展上皆扮演了重要角色,他支持赫登的「均变说」,觉得世间的许多地质的现象都是经年累月慢慢形成的,就像滴水能穿石般的缓慢…而后来达尔文在发展演化论时,多少也受到地质学的影响( 这又是另一个故事,我们之后再聊) 。最早的人们观测地震的状况,不过就是「地在摇晃」而已,但因为大地没事不会摇晃,加上古代人也不会知道地下除了石头之外还有些什么,所以也根本想不懂地震是哪来的。

回到正题,莱伊尔走遍大江南北,看了很多「断层」,他的想法是:

「断层不是一天造成的!」

我们在国中课本上看到的断层,经常都会看得出它的「错动」方向,但实际上很多时候断层长得又是另一种样子,甚至断层两侧是八竿子打不着边的岩层,认真一算,搞不好从古至今滑动了好几十公尺。所以,莱伊尔就觉得这应该是一点一滴累积而成的。

这时,恰巧有一起证莱伊尔想法的地震发生,1855 年地震发生时纽西兰虽不能算是殖民地,但也是英国的好朋友,莱尹尔就从纽西兰地震后得到的资料,确认了地震与断层的关联。

不过对于当时莱伊尔的想法仅止于找出「相关」而非「因果」,这就像是鸡生蛋在先,还是蛋生鸡在先的问题一般,到底地震是「怎么样发生」 ,还无法解释。

旧金山地震
1906 旧金山震后因断层错动变形的围篱, 图片取自USGS 

时间跳到近50 年后,1906 年旧金山地震造成加州湾区严重的伤亡,但也因为它发生在人们已充分开发的地区,所以有完整的测量资料,就像是我们现在家家户户都有画好地图地籍一样。地震后重新测量,发现有些地方的错动量十分惊人啊!不止掺在一起想,还想了合理解释

欸?不对啊,这件事不是跟莱伊尔看到的状况一致?到底是要怎么看出断层「怎么动」的?

这时就要感谢辛勤的加州的畜牧业者,帮我们记下了断层在地面留下的痕迹,如果要开个牧场,势必要盖围篱。有些牧场的围篱就正好盖在断层线上,在地震过后,正好就发现了这些先来后到的围篱,记下了截然不同的变形。

如果是已经盖好非常久的围篱,地震后几乎完美的截成两半,明显的看出断层的变形。不过,如果是地震前没多久才盖好的围篱,却是断成弧形的,这样太奇怪了!

型式一:完整的变形。型式二:同震变形。( 这两者差异于后面的文章中将说明)
型式一:完整的变形。型式二:同震变形。( 这两者差异于后面的文章中将说明)

然后,在1906 地震后多达一千六百多页的报告中,有一篇「地震的机制」,作者里德(Henry Fielding Reid) 阐述了地震与断层的关系,提出弹性回跳理论来解释断层上发生的现象和地震之间的关系…真要细讲应该写个三个星期都讲不完,所以还是先跳结论—- 断层错动引发地震的过程可以分成三个阶段:

第一阶段:断层未受外力的作用也没产生变形的阶段然后,在1906 地震后多达一千六百多页的报告中,有一篇「地震的机制」,作者里德(Henry Fielding Reid) 阐述了地震与断层的关系,提出弹性回跳理论来解释断层上发生的现象和地震之间的关系…真要细讲应该写个三个星期都讲不完,所以还是先跳结论—- 断层错动引发地震的过程可以分成三个阶段:

第二阶段:随着力量的累积,变形也慢慢的变化,而此时断层面因为摩擦力的作用,是整块卡住还没有断开的,整块地层像有弹性般变形。

第三阶段:断层上面的作用力和摩擦力的平衡达到临界点,一口气错动开来,并同时发生地震,地震就是释放突然错动产生的能量变化。

就加州的圣安德列斯断层来说,断层上的地震便以这样的方式周而复始发生,在一次大地震后,就有点像是重置这个循环回到第一阶段一样。这个理论不是随便说说,而是建立在精密的震后测量上,包括前面提到的围篱变形方式。

我们先来看看,弹性回跳理论的基本示意图:

跨圣安德烈斯断层的篱笆当断裂弹性回跳时造成的结果。(a)篱笆垂直穿过断层,地震前未发生形变。(b)构造力作用下横过断层的篱笆发生弯曲,两侧向相反方向移动;(c)在应变最大处发生破裂。
跨圣安德烈斯断层的篱笆当断裂弹性回跳时造成的结果。(a)篱笆垂直穿过断层,地震前未发生形变。(b)构造力作用下横过断层的篱笆发生弯曲,两侧向相反方向移动;(c)在应变最大处发生破裂。来源:防灾科技学院

 

而前面提到的「型式二」的变形方式与弹性回跳理论并不矛盾,反而是忠实呈现接近同震的变形:

我们可以想成在断层面开始累积应力与应变时,才盖上了新的篱笆,所以离断层较远的地方已经先变形了,而断层面在地震当下的错动才是最剧烈的!
我们可以想成在断层面开始累积应力与应变时,才盖上了新的篱笆,所以离断层较远的地方已经先变形了,而断层面在地震当下的错动才是最剧烈的!

 

更重要的是,上述用围篱的示意方式,不仅仅是个概念上的理论,还能用数学式子来解释。因此现在我们才能运用地震波、精密测量与地震后的观察纪录来研究断层的行为,虽然并不是每个断层的特性都相同,但多数经过重覆的观察后都可以简化成上述的行为与方式,这也是目前我们对于地震成因的认识。

虽然这个理论至今仍普遍用来解释地震的成因,不过其实当时的这个理论还没办法完全帮我们解开问题。从前文的脉络至少就可以列出几点疑问:

  1. 这个理论有没有例外?
  2. 让断层附近变形和错动的「外力」是哪来的?
  3. 理论上提到的状况是已经有断层了,那断层又怎么「从无到有?」

我们先来聊聊「例外」的情况,有没有不是循这种模式的呢?有!譬如火山地区岩浆库内的岩浆增加、移动或冷却时所造成的地震。而就算是与断层作用相关的地震,也不是百分之分就能分成这三个阶段,有些断层经常缓缓的错动,不发生地震或是仅发生规模很小的地震,有些断层则是既会发生大地震,也会发生无震的滑移或是小地震,这些差异受了很多因素影响,像是断层面上的摩擦性质、外力作用的大小与变化,甚至邻近地区的大地震,也可能间接改变了断层面性质与能量累积的临界等,这种种差异,也让现今科学家不断修正、调整各项理论的看法。

至于第2 和第3 点疑问?其实现今的科学已早有解答。板块构造学说用板块运动解释了「为什么会有外力」让地表附近的岩层产生各种变形,而断层怎么「从无到有」,则又可以从实验室中岩石力学的实验来验证。不过这两项又得再花个两篇文章来细说分明,就暂且卖个关子或请参阅延伸阅读略知一二吧。

读到这里,可以发现「地震成因」在科学上仍然是个待解之谜,我们还有更长的路要走,这些假说、理论都还有调整修改的空间。即使如此,也没什么好泄气的,更不要想「这些理论又不一定是真理」而认为地震学者都在做些无意义的事,起码这些层层叠叠的前人肩膀,逐渐长高到让我们越来越靠近真理。未来若有人能完全解开所有的地震机制之谜,可以想见他也是像牛顿一样,站在巨人的肩膀上吧!

延伸阅读

弹性回跳理论的介绍与互动动画 (英文网页 )

感谢终于有人关心到地震成因 (by阿树)

地震的原因 (台大地质数位典藏计画网页 )

关于地震机制的文献:

Scholz, CH The Mechanics of Earthquakes and Faulting 439New York: Cambridge University Press, 1990.

关于弹性回跳理论的文献:

Reid, HF, The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, DC 1910


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