921地震20週年系列專題

【921防災篇】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

2016年因高雄美濃地震倒塌的台南維冠大樓。(攝影/吳逸驊)

全台631個強震觀測站、距離斷層帶最近的不到7公尺,921之前,台灣就建置了全世界最密集、也最接近斷層帶的強震監測網絡,創下102秒即找到震央初步方向、驚豔國際的紀錄。豐厚的科學資料與依據,帶動建築法規的提升,內政部修改了「建築物耐震設計規範與解說」,規定全台建物抗震係數至少需達5級;2010年《地質法》,更進一步在斷層帶周遭劃設地質敏感區;近年學界也勇敢公布「台灣孕震構造發震機率圖」,預測未來50年各斷層帶發生大震的機率,讓不少科技產業視為避險指南。

然而,坐擁世界級的地震研究實力,台灣從政府到民間,對於防災的心態與腳步,卻仍未能跟進。

「地震速報:08/08 05:28左右東北地區發生有感地震,預估震度4級以上地區:宜蘭、臺北、新北、花蓮,氣象局。」

今年(2019)父親節清晨,許多人在睡夢中被地震嚇得跳起來,一起振動的還有手機,地震開始15秒內,國家級警報的「地震速報」就發送到每個人手機;5分鐘後,中央氣象局就公布了詳細的「地震報告」,全台民眾迅速得知震央在宜蘭東部海域,芮氏規模6.0,搖最大的是宜蘭縣武塔鄉,最大震度達6級,搖晃時間長達76秒。

921滿20週年前夕的的這場地震,彷彿是對台灣地震科研的試驗。對比1999年921地震,氣象局在102秒後獲得第一波地震訊息,得知震央初步方向,今年的宜蘭地震往前跨了一大步,台北市居民甚至在收到速報的7到8秒後,才迎來了這波地震的最大震度。這80多秒的距離看似短暫,卻花了地震學家20年青春;創造出地震地區人們可以逃命的黃金時間。

扎根:佈下全球最密強震觀測網

地震先趨蔡義本的遠見,美日都敬佩

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防災篇、中研院、地震研究
設置在中研院地科所頂樓的GPS觀測儀。(攝影/蘇威銘)

台灣位處歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊交界,註定了地震頻繁的命運,早在1935年新竹─台中地震發生後,台灣各地氣象觀測站便陸續增設地震觀測設備。但當時台灣觀測的斷層活動時間,尺度沒有拉到百年或千年以上,20世紀幾次嚴重的地震——1906年嘉義梅山地震、1946年台南新化地震、1964年台南白河地震,使得政府和地震學家都將下一次強震區鎖定在嘉南,沒有事先發現造成921地震的「車籠埔斷層」,一度引發民間批評。

所幸,早在1990年代,台灣地震學研究領頭羊、中研院地球科學研究所首任所長蔡義本就認為,台灣勢必會面對大地震威脅,說服政府廣佈強震觀測站,開啟了中央氣象局1991年至今的「強地動觀測計畫」,藉由高密度的強震紀錄,解析斷層帶沿線震動情形、斷層帶位置、如何破裂,進一步推估下次發生強震的區域、鄰近斷層處的建築該怎麼蓋。

根據中央氣象局和國家地震工程中心資料,921地震當時,全台就有631個「強地動觀測站(自由場)
自由場目的是觀測地盤的震動,相對於結構物觀測網,不在任何建築物內、不受建物影響的觀測點。
」,是世界上密度最高的全國性強震觀測網絡
強地動觀測計畫是什麼?

中央氣象局在1989年成立地震測報中心,隨即開啟「強地動觀測計畫」,以6年為一期,1991年7月到1997年6月是第一期,著重在全台強地動觀測站的鋪設。

強地動就是「強震」之意,強地動觀測站的地震儀屬於加速度型,記錄的訊號為地震造成地盤振動的加速度值,直接反映出震度,因此可以迅速得出地震資料、震度分佈,規劃第一時間搶救策略,也可作為耐震設計的重要考量指標。

強地動觀測站又可分自由場和結構場,結構場指的是橋樑、建物。根據氣象局和國震中心報告,921時各地觀測站收集到325筆品質很好的資料,而且距離斷層帶相當近,讓世界在近斷層帶強震紀錄一舉增加數倍,對世界地震研究影響深遠。

102秒內推估921震央方向,台灣資料不藏私

科學家的先見之明,一舉將台灣地震研究推上國際舞台。密集的監測站創下許多世界首例,當時所有國家都是「後知後覺」,強震發生後,才開始大規模監測引發該次地震的斷層,唯有台灣,強震前就密集在該斷層附近布設觀測站,離車籠埔斷層帶最近的觀測站僅約6、7公尺,創下世界紀錄

中央大學地球科學系教授、地震災害鏈風險評估及管理研究中心主任馬國鳳,靠著921研究在全球享有盛名。她解釋,當時車籠埔斷層幾乎每5公里就有一個觀測點,所以沿線的變形量都算得出來,是全球首次完整記錄「近斷層效應」
接近斷層破裂的區域就是近斷層。逆斷層錯動時,斷層上下盤附近的地表地震波不同,上盤鄰近斷層的地方,擺動的週期長,地表朝單一方向大幅移動,容易造成高樓倒塌。就像桌子上立著積木,若輕輕搖晃桌子,積木會跟著左右擺動不會直接倒,但如果直接將桌子往同一個方向拉動,積木就容易倒塌。
。如今近斷層效應已是全球顯學,建築師莫不想辦法透過工程技術減低高樓的近斷層效應,日本甚至開始打造「懸浮都市」,利用空氣緩衝地震帶來的影響,種種科技進展,921地震的紀錄功不可沒。

密集的觀測網絡也讓政府得以在102秒內就推估921震央方向,連地震研究強國日本、美國都敬佩不已。「如果沒有這件事情(布設觀測站),就不會有我,因為我沒有資料,什麼事也不能做,」馬國鳳至今仍相當感念前人的深謀遠慮。

台灣手握珍貴的紀錄,但將這份老天爺給的訊息完全公開為open data,提供全世界科學家研究,期盼讓台灣慘痛的經驗,轉化為全球地震學知識推手。

由於921是當時世界上最大的「逆斷層」地震
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。
,加上很少國家能這麼近距離紀錄斷層活動當下,921地震發生後,日本、美國、德國等全球一流地震學家,紛紛在路都還沒搶通時就挺進現場研究,徒步也不以為苦。

發光:女科學家重磅地震研究接棒

一戰成名,馬國鳳主持世界首見鑽井計畫

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防災篇、馬國鳳、地震研究
中央大學地球科學系教授、地震災害鏈風險評估及管理研究中心主任馬國鳳,以921地震研究在全球享有盛名。(攝影/蘇威銘)

台灣也不落人後,當時國家科學委員會動員了1,200多名地球科學和工程學教授與研究生,到現場調查、分析科學數據,許多人日後都成為台灣地震研究的中流砥柱,甚至在國際佔有一席之地。

馬國鳳就是其中之一。在921地震20週年的前夕,她獲選美國地球物理學會會士 (American Geophysical Union Fellow,AGU) ,讓她一戰成名的,就是921開啟的「車籠埔斷層深井鑽探計畫」(Taiwan Chelungpu-fault Drilling project, TCDP),鑽探2,000公尺深的地下岩心,觀察斷層滑動時產生的物理、化學變化。

這項計畫2004年正式在台中大坑展開鑽探,身為計畫主持人的馬國鳳每週台中、桃園研究室兩地跑,經常不眠不休分析資料。這是對家鄉的責任感,也是科學家對自己的期許,「我無法忍受大家在談論921斷層力學怎麽樣、錯動量分布,訪問的是日本人、美國人,」談起這段往事,馬國鳳仍略顯激動地說,當時帶著一點好勝心,「希望讓國際知道,台灣不只有災難,也有地震學家。」

由於斷層帶岩心非常軟,研究團隊比預估花了3倍時間,鑽了一年多才完成,「慢工出細活」的成果是岩心回收率高達90%以上,再次讓世界對台灣刮目相看。馬國鳳也因此證實地震有週期,車籠埔斷層可能400年後會再次發生,研究論文登上國際重量級期刊《自然》(Nature)

車籠埔斷層深井鑽探計畫是什麼?

日本1995年阪神地震後展開類似計畫,但造成阪神地震的斷層是垂直走向,滑移量深,不容易鑽探,車籠埔斷層在全球具有3項得天獨厚的研究條件:

  1. 30度傾角逆斷層:簡單來說就是車籠埔斷層是斜的,且角度低,垂直鑽井很容易打到斷層滑移帶。
  2. 斷層錯動大:車籠埔斷層在30秒內,讓苗栗卓蘭到南投竹山,出現長達105公里的地表破裂線,斷層也滑移了12公尺,馬國鳳指出,在此之前,全球最大的斷層滑移量約是3公尺。
  3. 位在陸地:許多斷層位在海裡,研究所需經費高,不確定性也高,車籠埔斷層位在陸地,相對好觀測。

以往斷層滑移不易在地底下觀測到,大多數只能研究地表上古老的岩石或地景,但有些已經風化了,或者被其他植物、土壤覆蓋,不易發現,像車籠埔這麼「新鮮」的地理教室全球罕見,鑽探岩心可說是最直接的證據。

馬國鳳指出,雖然後來許多地震也做了鑽探計畫,例如2008年四川大地震,但是否真的有鑽探到斷層滑移帶仍舊讓科學家存疑,至今台灣的鑽探計畫仍舊是唯一一個被世界認定最靠近斷層帶的鑽探。

取出岩心後,空在那裡的2,000公尺深井,研究人員也沒有浪費,放置了7部井下地震儀,馬國鳳和其學生因此觀測到,地下水可能也會引發微地震,提出「均向地震」理論,2012年登上另一權威國際期刊《科學》(Science)。至今這7部井下地震儀仍持續記錄著台灣地底下的祕密。

獨步全球,許雅儒以地殼變形行為推估地震週期

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防災篇、許雅儒、地震研究
中研院地科所研究員許雅儒,利用精密的GPS比對震前震後座標,計算出台灣地表位移量和速度。(攝影/蘇威銘)

前人打下的扎實基底,讓台灣的地震研究至今仍不斷突破。921地震時碩士畢業不久、現任中研院地球科學所研究員許雅儒,以及博士生唐啟賢,今年發布全球最新研究,利用921後廣布在全島的400多個GPS,解析地殼變形行為,發現地底下的岩石變形速率,和受到的應力並不是單一線性關係,了解地底下岩石變形機制,可以讓地震週期預估更精確。

許雅儒利用精密的GPS比對震前震後座標,計算出地表位移量和速度。她觀察921震後14年台灣地表的位移量,發現東部每年位移80毫米,到了西部剩40毫米,到澎湖則是0,這代表台灣由東到西,每年總共有40毫米的能量要消耗,西部到澎湖又有40毫米,其中有一半能量集中在花東縱谷附近的斷層系統。「透過長時間的比對觀測,就能知道斷層變形情形,推估哪一個地方能量累積很久了,未來可能就是地震發生的高風險區。」

這項以GPS衛星資料計算基礎,推測地底斷層與岩石變形的開創性研究,也獲得國際重視,今年2月登上頂尖學術期刊《科學前緣》(Science Advances)

應用:科學證據帶動政府防震意識

修法重塑台灣建築工法及工程規格

地震研究和發現,可能永遠無法「消滅災害」,但若能連結社會體現與制度建置,即可減輕災害對社會的損傷。

921後,內政部先依照《都市計畫法》第81條,規範車籠埔斷層的高風險區為斷層帶露出地方兩側15公尺內的苗栗縣、台中縣、台中市、彰化縣、南投縣地區,同年12月底禁止興建公有建築物;私有建築物的高度也設下不能超過2層樓、7公尺,且只能自用的限制。

隔年再依據「實施區域計畫地區建築管理辦法」第4-1條,擴及農地在內的非都市土地都限、禁建。這兩個管理國土的法規,本就授權地方政府可在一定狀況下限、禁建,但因為921,才首度動用大規模限、禁建規範。

此外,既存在斷層帶上的建物和土地,要在權狀上註記「位於斷層上」 ,避免日後交易時損害第三者權益。921地震讓台灣的工程界和民眾,第一次了解到斷層帶上的居住風險。

921,也成為台灣工程分水嶺。

921前,被視為地震高風險區的花蓮、嘉南,建物耐震係數要達到6級,但921震央附近的南投、台中部分房子則僅有4級。

災後同年,內政部依據學者提出的地震風險評估,修正「建築物耐震設計規範與解說」,重新劃分全台震區係數,即俗稱的耐震係數,規定耐震至少要達到5級,同時畫出全台高達7成以上縣市房子要達到耐震6級,2003年法規正式上路;也要求鄰近部分活動斷層的建築物必須考量「近斷層效應」,採用不同工法。

國家級警報:爭取黃金逃難時間的「細胞廣播」

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防災篇、柯孝勳、地震研究
「國家級警報」在2015年建置,國家災防中心地震與人為災害組組長柯孝勳表示,當地震發生,這項「速報」系統能讓民眾多出10幾秒黃金避難時間。(攝影/蘇威銘)

921重創家園,也摧毀了許多大型公共設施,石岡大壩隆起近10公尺,導致大台中200多萬人停水,如何第一時間傳播地震訊息亦成為研究重點。

2015年,國家災害防救科技中心建置完成「細胞廣播服務」,國家災防中心從氣象局接收到地震速報後,透過警報閘道器軟體,傳送給電信公司到每個人手機,也就是現在民眾熟悉的「國家級警報」。

國家災防中心地震與人為災害組組長柯孝勳表示,氣象局約10秒內可收到地震波並定位發生位置,再經過細胞廣播服務,大約15秒內民眾可收到「速報」,完整的地震「報告」則是收集所有測站紀錄,經由專家審視,定出確切的震央、各地震度,大約也能在5分鐘內完成。

速報可讓民眾多出10幾秒黃金避難時間,大型公共設施如鐵路、水壩等等也能第一時間啟動應變措施。(補充說明:為什麼有些人沒收到速報?
警報的主要目的是為該次地震會有災害地區內的民眾,爭取10幾秒時間「快速避難」的黃金時間,立即找到保護自己的地方,有效減輕地震的危害和損失。 國家級警報「地震速報」的發送原則是「當偵測地震規模 5.0 以上,針對縣市政府所在地預估震度達4級(台北市3級)以上的縣市民眾」。 因為氣象局警報傳送到電信公司,會有時間差,愈大量傳送可能影響發送效率,為了把時間和名額留給真正需要避難地區的民眾,才做出區別。所以,有時候「沒消息就是好消息」。 如果周遭警報狂響時,你卻沒收到簡訊,可能跟手機設定有關。想知道如何開啟設定,你可以進一步洽詢電信業者客服中心,或上NCC網頁查詢。

柯孝勳透露,去年9月21日國家防災日,首度跨部會模擬出大台北「山腳斷層」發生規模6.6地震時,可能造成4,100人傷亡、6萬人需要收容,套疊地震學者模擬出來的地震波,加上地理資訊系統、戶籍、建物、道路等等資料、推估出哪個區域房子倒塌嚴重、哪條橋可能會斷、替代的救災道路、救災人員配置等等。

這套模擬系統可說是集台灣近代地震研究於大成,也是政府第一次公開對民眾精確揭露地震傷亡。柯孝勳表示,日本科學家研究發現,未來30年首都圈發生大地震的機率高達7成,政府據此向民眾宣傳一旦發生地震可能造成的損害,去年的模擬演練就是期望台灣有一天能效法日本,與其遮起眼來抱著僥倖心態,不如勇於面對,防患未然將災害衝擊減到最小。

卡關:世界級研究不敵社會保守心態

憂房價暴跌,政府不願公開地震機率預測

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防災篇、鄭錦桐、地震研究
前財團法人中興工程顧問社防災科技研究中心副主任、興創知能公司總經理鄭錦桐直言,學界和地調所每次公布斷層帶,都被地方政府和建商視為來找碴的。(攝影/蘇威銘)

儘管台灣的地震研究實力已是世界級,但下一步的防災應變卻沒有和世界並進。

雖然加強了建築物規範,但是中央地質調查所公布的33條斷層帶
地調所2012年最新發佈的活動斷層分布圖,有20條在過去1萬年有活動記錄,13條過去10萬年有活動記錄。
,到底哪一些發生地震的風險較高、附近有多少建物、影響範圍,政府卻始終不願公布,擔心引起民眾恐慌和影響房地產價格。

2010年台灣終於通過《地質法》,地調所可在斷層帶兩側劃定「地質敏感區」,開發土地、蓋建物前必須先評估地質,計畫書中載明如何因應,例如提升建物耐震度、降低樓層等等,但目前也僅完成17條地質敏感區劃設,且上述規定僅是開發案前提供給審查委員的參考依據,並沒有禁、限建,台灣至今僅有車籠埔斷層周遭被禁、限建。

前財團法人中興工程顧問社前防災科技研究中心副主任、興創知能公司總經理鄭錦桐直言,學界和地調所每次公布斷層帶,都被地方政府和建商視為來找碴的,地方政府因為稅收、建商壓力,審查開發計畫時對地質安全可能放水,大台北地區就有許多建案都通過山腳斷層,若發生大地震後果堪慮,政府應落實地質調查和建物安全評估。

相較於政府保守心態,學界和業界已經走在前頭。2012年中央大學、台灣大學、中研院和其他多個學術與研究單位,組成台灣地震模型團隊,記取921經驗,收整台灣18世紀以來的地震記錄,2015年發表「台灣孕震構造發震機率圖」,公布台灣38條斷層和孕震結構未來50年內發生地震的機率,許多人私下問領軍的馬國鳳怎麼這麼勇敢,難道不擔心影響房價嗎?

地震預警的經濟效益:不賺錢,但減少損失

「我希望這個模型扮演科學界跟工程,甚至社會、經濟、政府單位的橋梁,這是我的使命,」馬國鳳說,計畫的起心動念很簡單,希望用量化數據告訴政府和民眾何謂地震機率?否則,科學知識沒辦法彙整形成防災意識和政策,「說再多都是空話。」台灣大約30年就會有一次大地震,防災沒辦法賺錢,但可以減少損失,「本來震後要花10億才可以恢復原狀,做這件工作後可能減少到2億。」

有業者已經建置地震預警自動化系統,例如一間知名高科技大廠,早在3年前就與馬國鳳團隊和中興工程顧問社合作,分析地震風險,找出需要補強的建築物,地震時收到速報便自動關閉部分設備。

愈來愈多民間公司整合各單位的地震、天氣、地理資訊,開發軟體,提供客戶災害風險評估。例如過去保險業者只能按照行政區,評估產業的天災風險,花蓮、台東因颱風、地震頻繁,風險永遠最高,但實際上,西部人口密集,發生地震後的災害可能高於花東,已有保險公司利用天災整合系統,更細緻分析各區的風險。

日本經驗:防災意識全方位落實在生活產業

不過長期和日本密切合作的鄭錦銅觀察,相較於日本,台灣防災意識和防災產業還有很大進步空間

日本幾乎已將防災落實在各產業,例如社區的公園椅子,旋掉幾個螺絲後,在地震時就能變身炊煮平台,放置瓦斯或木柴,公園有集水設施,過濾後就可當緊急用水;不管是公營或私營鐵路,都和地震預警系統結合,地震速報發布後自動停駛。台灣高鐵和部分科技廠已經可以做到利用警報自動化斷電,但整體的「machine to machine」(機器連接機器)防災產業仍有很大潛力,「結合預警系統的防災產業,對象不是人,而是機器,人們接收到警報再做反應,時間已經太久了。」

中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心研究員吳泓昱在日本工作8年,親身經歷311大地震,觀察和鄭錦銅很類似,「地震時日本瓦斯公司的自動化設備會切斷管線,每個町都有倉庫,裡面有救生毯、口糧、口哨,我們防災演練時會拿到要過期的口糧,日本會固定更新防災食物。」

關鍵是整體社會要有警覺氛圍

鄭錦桐說,台灣需要更多有防災意識的企業,關鍵是背後整體社會氛圍。日本經歷1923年關東大地震、1995年阪神大地震,以及2011年311大地震後,民眾了解科學家的警語並非危言聳聽,地震總有一天會來。

日本政府要求一定規模以上的企業要揭露企業風險,其中天災就是保險公司和銀行很看重的面向,因此許多企業都會有耐震設計,有專門放食物、電池的倉庫,每個員工的抽屜放著防災糧食,一旦發生地震可以先在公司避難,錯開交通尖峰以及街上建築物倒塌風險,「銀行融資調查時,會要求企業拿出防災計畫、演練照片等等。」

鄭錦桐說,防災意識早已深植在日本民眾腦海,因此企業基於財務規劃便會自動落實防災,但台灣的921經驗似乎還不夠改變民眾習慣,「你可以自問,地震預警多爭取的10幾秒,你做了什麼?」(延伸閱讀:地震防災保命指南)

科學家的遠見和心胸,讓921地震成為全世界重要教材,奠定台灣國際地位,但要如何善用這股科學能量,進一步提升防災意識,重新思考人與大自然的關係,是921地震20週年後,台灣持續面對的課題。

索引
扎根:佈下全球最密強震觀測網
發光:女科學家重磅地震研究接棒
應用:科學證據帶動政府防震意識
卡關:世界級研究不敵社會保守心態

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