921地震20週年系列專題

921大地震科普知識

【科普圖解】穿越地心,透析921──地球告訴我們的地震祕密與防災之道

921地震驚人之處在哪?開啟了哪些地震相關研究新頁?我們又該如何與震共存?《報導者》取得台灣科學家團隊享譽國際的研究資料,帶你進行一趟科普之旅。

1999年9月21日,凌晨1時47分15.9秒,芮氏規模7.3的百年強震震撼全台。這場地震不但是20世紀台灣本島最大的地震,更寫下台灣地震史上傷亡第二多的紀錄:2,454人罹難,逾10萬戶住宅倒塌。

20年過去,台灣不只還在防災政策法規心靈創傷中努力重建,也在學習如何與斷層帶密布的島嶼和平共存。很多人不知道,因為921,提升全球對地震觀測的了解;因為921,台灣躍升至國際地震研究與預警的世界大國

《報導者》透過中央大學地球科學系教授馬國鳳及其領導的地震災害鏈風險評估及管理研究中心團隊、中央研究院地球科學所研究員許雅儒和李憲忠等學者的解析,從這群20年來默默守護台灣地心、偵測台灣島嶼情緒的權威研究者成果中,帶領讀者從地球科學視角,更深刻認識921,並且學習如何與地震共處。

1999.9.21的地震可怕在哪?

地震威力如46顆原子彈

921地震能量自集集向外擴散,尤其在北側石岡一帶產生巨大錯動量。(資料來源/李憲忠;整理/柯皓翔;設計、剪輯/黃禹禛)
這場地震震央位於南投集集,震源深度僅8公里,屬極淺層地震
地震震源深度在0至30公里者稱為極淺地震;30至70公里為淺層地震;在70至300公里者為中層地震;300至700公里者為深層地震。
,破壞力驚人,不僅全台有感,地震規模
根據《地震百問》介紹,規模是用來描述地震大小的尺度,依其所釋放的能量而定,以一無單位的實數表示,現已分為芮氏規模、體波規模、表面波規模及地震矩規模。
7.3、中台灣最大震度
根據《地震百問》介紹,震度表示地震時地面上的人所感受到振動的激烈程度,或物體因受振動所遭受的破壞程度,可透過加速度值來劃分,目前中央氣象局地震震度分為0至7級(正整數);2020年1月起,我國將採用新的震度分級,除了0至4級外,5級以上將細分為5強、5弱、6強、6弱、7級以上。
更達最高7級。「集集地震」(下稱「921地震」)不僅是20世紀全球最嚴重的地震之一,亦是地震研究上相當重要的世紀大震。

顯著有感餘震破紀錄,1個月內163次

【921科普篇】餘震(a2)
921地震後餘震發生、分布圖。(資料來源/地震災害鏈風險評估及管理研究中心;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)

921主震過後半小時內,凌晨1時57分、2時3分、2時16分,分別又發生規模6.4、6.7、6.8強震,使得921災情雪上加霜。

中央氣象局資料顯示,地震發生後1個月內,顯著有感地震
中央氣象局介紹,人體所能感覺到的地震稱有感地震,震度為1至7級;無感地震震度則為0級。
達163次。截至10月底,顯著有感餘震更多達205次,其中181個地震之規模在4以上,規模6以上者也高達10個。若從最大震度觀察,當時共有27次地震達5級強震標準
中央氣象局介紹,大多數人在此震度下會感到驚嚇恐慌;屋內部分牆壁產生裂痕,重傢俱可能翻倒;屋外汽車駕駛人明顯感覺地震,有些牌坊煙囪傾倒。
,其中又有5次地震的最大震度達最高的7級「劇震」
中央氣象局介紹,此震度下人因搖晃劇烈以致無法依意志行動;屋內部分建築物受損嚴重或倒塌,幾乎所有傢俱都大幅移位或摔落地面;屋外山崩地裂,鐵軌彎曲,地下管線破壞。

921餘震次數打破台灣地震觀測紀錄。中央氣象局數據顯示,截至10月底,規模2以上的地震超過20,000次(包含震度0級的無感地震),比1994至2011年間(扣除1999及2000年)每年地震平均次數10,837個,多出整整一倍。

逾10萬戶房屋全倒或半倒

【921科普篇】房屋倒塌(a3)
921地震全台房屋倒塌統計表。(資料來源/全國民間災後重建聯盟;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)

接二連三的強震,不僅造成路面、橋梁毀損,多地建築也發生倒塌或火警,彰化以北陷入一片黑暗、多達649萬戶無電可用。內政部消防署統計,集集地震共造成2,454人罹難、50人失蹤、11,305人受傷。全台有超過10萬戶房屋毀損,以南投縣、舊台中縣最為嚴重。

財產損失高居世界13

【921科普篇】災損
從世界地震災損排名表來看,921地震災損高達140億美元,截至2019年9月為止全球排名第13位。(資料來源/美國國家海洋暨大氣總署(NOAA),災損包含海嘯或火山爆發等影響,統計至2019年9月;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛;國旗來源/www.flaticon.com)

921地震造成的財產損失相當可觀,根據美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)資料庫數據,集集地震災損高達140億美元,截至2019年9月為止全球排名第13位。不過若截至1999年底,921災損排名高居當時全球第6。

921開啟什麼地震研究新頁?

滑移量破紀錄:車籠埔斷層滑移達12公尺

【921科普篇】車籠埔斷層(a5)
車籠埔斷層錯位方式屬於逆衝斷層。(資料來源/中央氣象局、地震災害鏈風險評估及管理研究中心;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)
這場地震起因於車籠埔斷層錯動。該斷層屬於逆衝斷層
斷層上盤向上移動所引發的地震,即為逆斷層地震。造成逆斷層滑動需要很大的應力,所以被抬起來的斷層通常會有比較大的搖晃,造成的破壞和傷亡也較大。
,斷層面向東傾斜約25至35度,這次錯動在地表產生長達約100公里的破裂帶,南至南投縣竹山桶頭,北至苗栗卓蘭。

馬國鳳指出,車籠埔斷層北邊埤豐橋一帶產生高達12公尺的滑移量,這是非常罕見的現象。由於過去的假說認為地殼所蘊涵的能量,最多為3公尺,巨大滑移量令國內外專家震驚。

監測:全球密度最高的強震觀測站

921地震是台灣地震學研究「承先啟後」的轉捩點。馬國鳳指出,921當年,台灣活動斷層的研究尚未拉到百年或是千年維度,科學家只能根據20世紀地震序列數值,包括1906梅山地震、1946年新化地震、1964白河地震在內,看到嘉南地區地震頻繁,921發生前,都把最可能發生大震的關注力聚焦在嘉南。

然而,中央研究院地球科學研究所創所所長蔡義本的遠見,促成中央氣象局1991年開始執行強地動觀測計畫;雖然科學家未預測到集集會發生大震,但地震觀測計畫卻為921留下珍貴的紀錄。此外,當時地震速報系統在102秒內便快速偵測出初步的震央及地震規模,事後連美日都來參訪。

地震研究:世界級的斷層深井鑽探計畫

為了探討車籠埔斷層北側巨大錯動量的力學機制及地質狀況,2004年台灣啟動世界級的「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」(TCDP),選在台中大坑進行2公里深的鑽探,取出斷層帶岩心。由於該斷層角度低且為逆衝斷層,提供鑽探絕佳天然條件。

【921科普篇】斷層鑽探流程(a8)
「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」研究流程。(資料來源/吳泓昱、自然科學簡訊;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)

團隊歷經超過一年的鑽井後,總算創造世界首見取出「新鮮斷層帶岩心」成果,帶動多項重要地震後續研究。(瞭解車籠埔鑽井計畫如何對國際地震研究造成重大影響,詳見〈斷裂的防災網:世界級地震研究帶頭,建築規範、應用產業慢半拍〉)。

【921科普篇】岩心(a9)
研究人員成功將1公里深的車籠埔斷層岩心取出,樣本完整度極高。(照片提供/地震災害鏈風險評估及管理研究中心)

由於岩心樣本相當珍貴,研究團隊後續在距離原井(A井)約40公尺處開鑿B井,並從B井再側鑽出C井。2006年更加裝「井下地震儀」,偵測地底深處發生的地震;並透過「雙井實驗」觀察流體滲透率。將鑽井效益發揮地淋漓盡致。

【921科普篇】鑽井(a6)
「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」在取出岩心後,更在井中放入地震儀觀測微小地震。(資料來源/地震災害鏈風險評估及管理研究中心、自然科學簡訊;整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)

深井鑽探計畫開啟更多地震研究領域,馬國鳳學生、中央大學地球科學系助理教授林彥宇從井下地震儀收集到的波形,觀察到只有P波(壓縮波)而沒有S波(剪力波),結合附近地質條件後發現,地下水在不透水斷層泥之下累積液壓、並在裂隙中解壓的過程,可能是造成微小地震的原因;這項研究也登上《科學》(Science)期刊。

地震週期推估:領先國際的GPS地表變形觀測

中央研究院地球科學所研究員許雅儒和其指導的台大地質所博士生唐啟賢則透過遍布全台、超過400座的全球衛星定位觀測系統(GPS)觀測站的位置變化,運算921後地表「移動速度」。當移動速度快慢不一時,地表就產生壓縮變形,最終引發地震。

團隊以地表震後位移量為基礎,透過物理參數演算及模型建立,解析台灣造山帶下部地殼變形特性。透過長時間的比對觀測,研究人員得以掌握斷層變形狀態,由能量累積愈久的地區、推測出未來地震高風險區。這是把GPS運用在地震觀測的創新研究。

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科普篇、地心、921地震、gps觀測儀
圖為GPS觀測站。透過其觀測地表位移,地震學家得以進一步掌握災害風險。(攝影/蘇威銘)

成果:產製世界第4多的地震研究論文

921地震為台灣地震研究寫下豐厚的一頁。截至2019年9月,根據國際地震中心(International Seismological Centre)統計,針對921地震發表的研究論文已達652篇,世界排名第4,僅次2011年日本311大地震、2008年中國汶川大地震及2004年印度洋大地震。

馬國鳳表示,大規模地震模擬、震源力學效應、多斷層破裂是進行地震危害度分析最重要的議題,台灣所站的位置不但可以解決這些科學問題,更可與世界共同討論。

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科普篇、地心、921地震、馬國鳳
馬國鳳(右3)與中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心團隊。(攝影/蘇威銘)

我們如何與震共存?

掌握斷層帶與我們的距離

自然災害可能永遠無法消除,但科學家的目標是期待災害發生的當下,能以最好的科學力量做到最大的防制效益,把災害衝擊降到最低。

馬國鳳團隊建構「台灣地震模型」(Taiwan Earthquake Model, TEM)彙整地質學家野外調查資料,把目前掌握的全台斷層帶孕震週期
多久會進行能量釋放。
納入考量,盤點各活動斷層及孕震帶可能的發震機率,讓每個人都能知道自己居住環境與斷層帶的距離,並且預估每條斷層帶未來50年發生規模6以上地震的機率(如下圖),做為社會、經濟、政府單位形成防災政策的參考,更讓全民都有風險管理意識。
【921科普篇】發震機率
馬國鳳團隊建構「台灣地震模型」,預估每條斷層帶未來50年發生規模6以上地震的機率。(圖片提供/地震災害鏈風險評估及管理研究中心)

地震景況模擬,提升防災精確度

馬國鳳團隊除致力將地震模型調整地更加精準,例如考慮盲斷層、海外斷層、震波傳遞路徑,或納入軟弱地盤的場址效應,計畫定期公布最新的地震潛勢圖,團隊目前也正進行更前瞻性的地震景況模擬。

地震災害鏈風險評估及管理研究中心研究員吳泓昱舉例,受地形限制影響,科學家對中央山脈的調查及瞭解較有限,希望透過模型模擬、給足地質或應力條件後,可以模擬1萬年來台灣島上大地震的發生情境,觀察是否能模擬出當年的921地震。若將模擬震源和目前已知的斷層比較,科學家有機會找到地底下存在、但未被發現的孕震構造或盲斷層,補足研究上的不足之處。

馬國鳳表示,一旦研究更成熟,未來可望在斷層還沒有錯動之際,就能模擬地震規模、滑移量、是否因地質產生放大,人們不只知道準備是否充分,也能以此分配防災資源。如在高機率斷層周圍、老舊建築多的地區,即應優先進行都更或耐震補強。

地震數值3D模型,即時監測、提早預警

中研院地球科學所研究員李憲忠近年致力開發「台灣地震數值模型」,這套系統具備強大電腦運算能力,可透過觀測紀錄、地下構造等數據,逆推震源的破裂過程、模擬地震波如何傳布。其中「即時地震監測系統」持續監測台灣附近有無地震發生,不僅可以快速產生地震報告,能以最短時間理解震源機制,方便專家判斷災害風險。

李憲忠舉例,琉球隱沒帶若發生大地震可能造成海嘯,台灣約只有10幾分鐘到半個小時的應變時間,該系統可以在地震2分鐘後知道災害的可能性,協助做撤離判斷。

透過模型輔助,可在震後找出災情最為嚴重的地方,作為救災人力調度參考,亦能評估是否影響其他斷層或引發餘震。該模型同時能根據歷史資料線索,還原早期發生的地震,或設定情境、模擬未來地震災害,作為防災規畫之參考。

中研院地球科學所研究員李憲忠透過「台灣地震數值模型」,還原2016年美濃地震發生過程。(資料提供/李憲忠)

從研究連結產業,進行防災準備

921後20年,台灣地震研究開創出更精準的災害模擬,不少科學家的研究成果都為防災的下一步奠定基礎,有機會落實於工程和社會經濟層面。

【921科普篇】防災(a7)
產業配合地震研究能實行的防災機制,包含風險管理評估、自動化系統防災、以及完善建築規範。(整理/柯皓翔;設計/黃禹禛)

台灣人一定要掌握的6個防災資訊

在台灣,約30年就可能會出現一次較大規模的災害,也就是,一個台灣人,一生至少會經歷2次大地震,」馬國鳳懇切說,也許沒經歷過921地震的一代,可能現在無法感受大震的威力,但住在台灣島上,時時刻刻都應有防災的意識和準備。

《報導者》整理出6個重要的防災資訊及監測管道,提供讀者參考:

【學習防災知識】 -報導者「地震防災保命指南」懶人包

【瞭解環境風險】 -經濟部中央地質調查所「台灣活動斷層查詢觀測系統及便民查詢服務」 -經濟部中央地質調查所「地質敏感區查詢系統」 -經濟部中央地質調查所「土壤液化潛勢查詢系統

【做好避難準備】 -「災防告警系統」地震來臨前提供預警廣播

【掌握即時訊息】 -中央氣象局「地震測報中心」公布最新地震資訊

特別感謝

本文感謝地震災害鏈風險評估及管理研究中心馬國鳳、吳泓昱、林彥宇、廖怡雯、吳少凱,以及中研院地球科學所許雅儒、李憲忠、唐啟賢,協助專業諮詢及素材蒐集。

索引
1999.9.21的地震可怕在哪?
921開啟什麼地震研究新頁?
我們如何與震共存?

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