【0403花蓮強震】科學探究 解讀斷層密碼|華視新聞雜誌

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花蓮縣 / 陳沿佐 採訪/撰稿 盧松佑 攝影/剪輯

2024年4月3日,花蓮發生規模7.2強震,至今餘震不斷,這也是時隔25年,繼1999年921大地震之後,台灣所發生規模最大的地震。花蓮這起地震,至今造成18人死亡,超過千人受傷。強震後第一時間,國內科學家們隨即展開調查,透過GPS定位發現花蓮沿海地面抬升高達45.1公分,甚至影響到船隻進出港口。另外由中研院地科所與專家合作,全球首例跨斷層光纖地震觀測研究,這個被稱為米崙斷層鑽井研究計畫,也在這次地震當下,清楚捕捉到來自地底的振動訊號。究竟這起地震,和哪一條斷層有關?未來的地震觀測,AI能夠幫上忙嗎?華視新聞雜誌記者陳沿佐、盧松佑,跟著科學家一同前進花蓮,全程記錄,帶您一起揭開斷層的祕密。

氣象署地震測報中心主任吳健富(2024.4.3)說:「7點58分,在花蓮縣政府南南東方25公里的海域,發生一個規模7.2,深度15.5公里的地震。」台灣大學地質科學系教授郭陳澔說:「這次的主震,基本發生在菲律賓海板塊邊界上,一般來講,在板塊邊界的斷層面活動,相對比較大,基本上就控制規模的大小,這個活動也可以說是,為什麼會有這麼大規模地震的發生。」

被稱為透視地震的科學家,中研院地科所研究員馬國鳳,正和研究團隊趕往花蓮,試著揭開斷層的祕密。中研院地科所特聘研究員馬國鳳說:「大家都知道地震是沒有辦法預測的,當然有幾個科學的問題我們想要去探究,首先是有沒有前兆。」

2020年,由地質學家、地球物理以及機械工程等專家,跨領域合作的研究團隊,在花蓮七星潭畔,啟動MiDAS花蓮米崙斷層科學鑽探計畫。穿越斷層,開鑿3口深井,將外層包覆金屬的光纖網路深入地底700公尺,不同於傳統地震儀只能以「點」記錄地震波動,光纖則是貫穿大地,全面掌握斷層脈動,以光纖跨越斷層觀測地震,這項研究創下全球首例。

2022年11月,華視新聞雜誌記錄下MiDAS團隊,成功將觀測儀器安裝就緒的歷史時刻,如今研究人員加快腳步,努力解開科學謎題。位於井B的觀測站,是MiDAS計畫的重要核心,眼前的i DAS光纖地震儀記錄器,成功捕捉到地震當下,光纖每段節點的振動訊號,令科學家們為之振奮。

馬國鳳說:「超激動的,比我剛剛看那個圖還要激動,這太美麗了。我解釋一下,這個時間就是地震那一天,是7點58分可能50幾秒的時候,我們時間是一直記的,顏色開始變深就代表地已經在動了。訊號是從最深700公尺的地方往上走,這是地表,然後看到顏色,這邊有個很紅跟綠的對稱的地方,顏色訊號變得非常非常強烈,那個是斷層帶。所以我剛剛才會覺得好激動喔,我直接就看到斷層帶。」

一段段波型,顯示地震起始時間及歷時變化,MiDAS團隊不只在斷層東西兩側垂直埋設光纖,更沿著七星潭,水平鋪設近2.5公里的光纖,3條線路連接起來將斷層完整包覆,不放過任何地震訊號。馬國鳳說:「一開始的訊號在這邊,很紅就是訊號完全滿格了,到後面變成固定的值,就是這個區域固定地被拉高了,大概就我剛剛提到的,50公分或是30公分。這是我為什麼這麼激動的原因,這應該是全世界第一個,看到這麼清楚的,斷震帶的訊號差異。」

馬國鳳說:「如果要看一個地震前兆的話,這個觀測站應該是最有機會的,問題是現在如果問我說,我們有沒有看到呢,我還沒辦法回答,因為我要回去資料慢慢去分析。以我個人的研究角度來看這件事情是,只有台灣在靠近斷層帶,又這麼多地震發生情形,我們可以對世界上這方面的科學理解,做最重要的貢獻。」

除了掌握地震脈動,研究人員更努力嘗試透過科學實證,找出大震來臨前可能的蛛絲馬跡。中研院地科所研究副技師林欽仁說:「這是國內第一次的嘗試,把光纖來量溫度跟振動,然後我們把它用在米崙斷層井裡。這個是熱池,溫度大概是50幾度,然後光纖就在這水池裡面,搭配一個傳統的白金溫度計做檢驗。」

林欽仁是中研院地科所研究副技師,具有機械工程背景,研究專長為地震儀器。他將光纖網路每20公分設置1個節點,透過不同深度的溫度變化推算地震能量。林欽仁說:「這邊是貨櫃屋內的溫度,就是我們現在的位置,現在我們所在的這個機櫃的,這個機房的溫度。這個光纖它下到700公尺的米崙井A,會有個溫度梯度,那我們當初規劃的時候也想知道,在斷層錯動的過程中,會產生多熱的溫度,然後這個溫度經過多少時間,會殘留在岩石裡面,光纖提供一個好的機會。」

米崙斷層平均每70年就會錯動一次,是世界上數一數二活躍的斷層之一,中央大學地科系教授郭力維,是實驗岩石物理學的專家,他正透過米崙斷層岩心鑽探結果,分析斷層活動特徵。

中央大學地球科學學系教授郭力維說:「這個是從490公尺上來的岩心,有白白的東西在裡面,那些是碳酸鹽的東西,大顆小顆的產狀,亂七八糟沒有規律,我們都叫這個產狀叫礫岩,米崙的礫岩。但是我們鑽到530公尺之後,這些顆粒變得超級細的,很多地方已經看不出顆粒了。可以看到一些層狀的分布,例如白色黑色白色黑色白色黑色,它在告訴你這些樣品,事實上是經過剪切,斷層作用剪切,讓它有這些排列造成的。」

郭力維說:「如果我們去分析這些石頭,大概可以提供一些資訊是,這個地震如何發生或者是為什麼會發生,這個是我們想要知道的事情。」

4月3日花蓮地震發生後第一時間,東華大學教授顏君毅,隨即在花蓮市區展開調查,試圖尋找斷層破裂跡象。東華大學自然資源與環境學系特聘教授顏君毅說:「這邊是在斷層帶上,這一個沿線包含這個路口,再過去菜市場的路口,在2018的時候都有破裂。本來就是想說這次地震會有破,看是不是米崙斷層破,4月3號的時候騎摩托車經過,其實都沒有看到破裂。」

2018年、2022年及2024年,花蓮連續發生規模6以上強震,人們從一次次災害中學教訓,將斷層帶上的建築結構補強。但是過去災情嚴重的地區,這次地震卻找不到斷層活動痕跡,花蓮是否還有其他孕震構造,未來會造成多大的傷害?是學者想要解開的科學謎題。

顏君毅說:「以往可能有破裂,那它破裂的位置在哪裡,每次破多少,這個我們如果都知道的時候,可以慢慢慢慢去約制說,它每次破可能規模會在哪裡,可能多久會破一次。但是我們不曉得別的斷層,會影響花蓮市區到這個樣子,那這個狀況就很糟糕了,花蓮的安全係數,要重新想過這些事情。」

儀器就定位,測量開始,當地震活動發生,岩盤受擠壓,地表就可能因此產生變形。透過GPS測量,從點線面為斷層活動提供關鍵訊息。顏君毅說:「這個算是相對來講,比較低階的測量儀器,我們把它叫做RTK GPS,它的精密度,座標可以弄出來,最後就可以放在地圖上,跟本來的數字做比較。」

強震後國土測繪中心發現,花蓮地區地表垂直抬升量,最高達到45.1公分,水平位移則是22.2公分,這些變化透露哪些訊息,引發研究人員好奇。顏君毅說:「現在要去花蓮漁港,今年年初日本的大地震,能登半島那邊有整個漁港乾掉,他們那邊抬了一公尺左右。因為想到這件事情,所以就特別去,後來就真的去看以後發現,好像有那個跡象。」

記者陳沿佐說:「0403大地震發生了之後,科學家們隨即在花蓮地區展開科學調查,想要尋找斷層活動的蛛絲馬跡,費盡苦心還是遍尋不著,最後是在花蓮港邊發現了明確證據。」

顏君毅說:「先讓你們看一下,這是花蓮未來30天潮汐預報表,這個是4月19日就今天,滿潮是3點58分,那現在是3點半,3點58分還差20分鐘滿潮,所以現在已經快滿潮了。」顏君毅說:「這些蚵仔它一定活在平均高潮線,不是最大的高潮,平均高潮線以下。那平均高潮線你看它大概就是在這邊,所以理論上之前海水面可能就是在這附近,所以它現在就是離開這個高潮線,差不多就差了30幾公分。」

離開水面的蚵仔上方,甚至出現殘破的陳年蚵殼,生物活動範圍變化也間接證實,過去花蓮地表可能不只一次抬升,地表隆起,直接造成花蓮港最低水位持續下探,影響經常進出港口,行船人的日常作息。花蓮區漁會理事吳世宇說:「最主要就是說它現在抬起來,那個離港站的設計比較淺,最低潮的時候,大一點的有時候就會觸礁了,現在商船好幾個碼頭都不能停了,不敢停了。」

平時遊客絡繹不絕,出海賞鯨的碼頭,上下船的位置已經出現明顯落差。賞鯨船業者呂世明說:「很明顯喔,那天地震完之後,我們到了現場來看這一條,沿著這一條的縫線整個全部是裂開,就感覺現在有點高低落差。」呂世明說:「這邊是賞鯨的登船處,現在地面上隆起,我們都覺得因為隆起之後,這裡很明顯地,位置跟登船的地點就相對地落差。那怎麼證明這整個的隆起,就是看旁邊的涵洞,以前像那種有水淹埋的,就是那些貝殼的地點,現在整個地這樣隆起了之後,都會看到這些貝殼裸露在外頭。現在這個最下面這個階梯,對過去的位置,大概就是已經快到船的2樓了。」

引發這起地震的板塊構造,究竟為何如此神祕?又具有哪些特性?台大地質系教授郭陳澔和國內研究團隊合作,透過AI技術來解密。郭陳澔說:「其實我們做了一件很簡單的事情,就重新再去檢視那些地震波,然後去重新定它的位置,每一個地震可能要用好幾個測站,去定出這個地震。它基本上如果沿著破裂面,會有線形排列,要點連成線,線可以連成面,我知道這個破裂面大概是什麼樣情況。」

2018年,國內科學家透過大數據整合,訓練AI系統深度學習,分析來自中研院及國震中心的地震資訊。這次學者運用0403地震後,超過3千筆餘震資料,成功推估出震源附近的地質構造及特徵。

儘管AI運算結果,還必須經過學術界檢驗,但人工智慧首度正式應用於地震觀測,被視為重要里程碑。郭陳澔說:「我們要先經過人為挑過的數以萬計的P波、S波,告訴機器說這個是P波、S波,然後它可能是在不同地震發生的樣子。當訓練集訓練好之後放在資料庫裡面,下次地震來,它很快就可以知道這是一個地震。」

過去學者在野外布設地震儀蒐集資料,再進行人工分析,至少得花上半年才能得知結果,如今AI一天就能完成所有工作,開創地震研究更多未知可能。

郭陳澔說:「只要資訊夠多,我們可以告訴說這個是正斷層,逆斷層、滑移斷層,然後下一步可以用這些資料,去做震波速度構造,就知道下面長得有點像是,我們在做電腦斷層掃描,到最後搞不好可以做到像4D的監測。當然最後是要能夠減少災害,比如說我們可以知道說,哪個斷層錯動它的規模可能多大,這個對於房子的強震耐震度是直接相關。」

天災地變威脅人命,每次大震,都帶給科學家們持續前進的研究動力。解讀斷層密碼是減少災害的第一步,正視地震潛藏的風險,是全民必須學習的生存課題。

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