面對震央在海底的極淺強震,研究船首次在震後第一時間出海

403花蓮地震給台灣的新課題:海底斷層研究做好,預警、防災腳步才能跟上
2024年4月3日發生芮氏規模7.2地震後,中部橫貫公路受到地震重創,必須先封閉進行長時間修復。(攝影/楊子磊)

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4月3日上午7點58分,在花蓮沿海發生芮氏規模7.2地震,震央在距離陸地僅10幾公里的台灣東部海域,地震深度15.5公里,屬於極淺層地震。這起自921以來最大規模地震,也引起許多疑問:為什麼北北桃等震度已超過4級的地區,民眾卻未收到國家警報?這凸顯出台灣地震研究的哪些缺口?

《報導者》過去長期關注地震相關研究,地震後密集訪問多位專家學者,認為這次地震與「大港口外海高區逆衝斷層」這條海底斷層吻合。但不管是台灣地震模型未來20年、30年、50年發震機率圖,還是台灣活動斷層,對於海底斷層的研究都相對陸地不足。專家學者希望在2025年即將出版的台灣地震模型加入海底斷層,提升應對東部海域地震與海嘯的能力。

4月3日發生芮氏規模7.2地震,截至4月14日共造成17人死亡、1,155人受傷、2人失聯。陸地救援行動展開時,隔天中午,中央大學研究人員正搭著漁船出海,趕緊在震央周圍布設6顆可攜式海底地震儀
中央大學地球科學學院院長許樹坤表示,研究團隊預計8月回收海底地震儀,進一步分析餘震資料。
,希望能在餘震不斷的時候,盡量回收餘震資料進行分析。中央大學地球科學學院院長許樹坤說:「地震發生在海上,既有的陸上地震儀只能在單側收資料,布設海底地震儀可以把整個震央包住,定位會準很多。」
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中央大學地球科學學院院長許樹坤團隊,在地震發生隔天中午,準備多顆海底地震儀,最終考量時間因素投入6顆在震央附近,藉此捕獲餘震資料。(圖片提供/許樹坤)
中央大學地球科學學院院長許樹坤團隊,在地震發生隔天中午,準備多顆海底地震儀,最終考量時間因素投入6顆在震央附近,藉此捕獲餘震資料。(圖片提供/許樹坤)

台灣另一側,4月8日表定要進行儀器保養的中山大學新海研3號研究船,在學界主動召集下,臨時從高雄港出海,趕赴這次震央的海域,調查海底地形變化──這將是理解本次地震破壞力、斷層危害的重要依據。921地震時車籠埔斷層沿線錯動最高處可達6、7公尺,許樹坤說:「同樣道理,(斷層)出露的地方也可能在海域附近;以前我們可能有些舊的(水深)資料在那邊,可以比較落差大概多少,就可以很明確地掌握地層錯動量。」

許樹坤表示,這是國內研究船第一次在地震後第一時間啟動,由中山大學海洋科學系副教授林玉詩帶隊,趁著海底尚未被泥沙覆蓋,進行海底地形觀測
如透過聲納掃描進行海底地形分析,觀察海床是否錯位、地形相較過去是否發生變化。
地層剖面
即進行「震測剖面」研究。透過產生震波、對地底「照X光」,科學家往往能理解地層的結構分布,也能觀察地層是否出現錯動現象。
底水分析
例如,科學家可觀察底部海水是否出現如氡氣等可能伴隨地震而逸散出的氣體。
等工作。陸上救災把握黃金救援時間,研究人員則是把握黃金時間朝著海洋的方向前進。

另一方面,陸地上的地震學者則趕緊根據現有收集到的資料,分析最即時的地震資訊,4月3日下午3點,中研院的台灣地震科學中心已經發布花蓮地震分析。當天中正大學地球與環境科學系教授温怡瑛接受《報導者》採訪時表示,該地震從震源機制分析是屬於逆衝斷層,雖然西傾或東傾還要進一步判斷,但從餘震的分布,可以觀察到地震是往北破裂,導致北部搖晃相當劇烈。

403地震凸顯官方與學界「海域孕震構造」的研究缺口
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2024年4月3日,花蓮外海發生芮氏規模7.2的強震,造成人員傷亡與花蓮市區內多處建物損壞。圖為工程人員連夜拆除北濱街16號的傾斜樓房。(攝影/楊子磊)
2024年4月3日,花蓮外海發生芮氏規模7.2的強震,造成人員傷亡與花蓮市區內多處建物損壞。圖為工程人員連夜拆除北濱街16號的傾斜樓房。(攝影/楊子磊)
海洋與地質學者都動起來,原因在於403花蓮地震給了台灣新課題。成功大學測量及空間資訊學系副教授景國恩表示:「只關注在陸地的孕震構造是不夠的,尤其東部外海出現規模6以上地震的數量占台灣所有地震的70%。」而此次近海區域的地震規模達7以上,過去25年來僅次於921大地震,地點並非過去學界高度關注的外海琉球海溝區域
琉球海溝在1920年發生規模8地震。
,景國恩強調,只要有足夠資源,台灣對海底斷層的掌握還有很多努力的空間。
經濟部地質調查及礦業管理中心(簡稱地礦中心,前身為中央地質調查所)的台灣活動斷層調查中,36條活動斷層全數都在陸地上,海底斷層不曾被納入。學術界的台灣地震模型
2012年在國科會的支持下成立,由台灣地震科學家、地質學家組成,評估各地區之地震危害度與地震風險。
(Taiwan Earthquake Model, TEM)針對台灣孕震構造未來20年、30年與50年發震機率清楚標示;2015年發表第一版後,每5年根據學術上的研究與論文發表更新,2020發表第二版,也是以陸地斷層為主,只有北部山腳斷層、東部米崙斷層、南部恆春斷層有延伸至海底。但403花蓮地震又強又淺,還是從海底發生,打破我們對於該區「地牛」翻身的想像。

台灣大學地質科學系特聘教授徐澔德指出,台灣很多地震不是發生在陸地、而是在海裡,很多斷層構造也是從陸地延伸入海;從這次地震來看,除了學者們擔心的琉球海溝可能發生大地震與海嘯之外,非屬海溝的孕震構造,的確也有可能造成較大地震──這次403花蓮地震就是例證。

對於陸上地震,科學家更容易抵達斷層破裂現場進行第一手研究,相對而言,執行海上地震調查較為困難,對海中孕震構造的地震週期理解也相對有限
目前台灣對於外海斷層的理解較為零星,如北部山腳斷層由陸地延伸至海洋,過去因評估核電廠安全問題,台電就曾在該區進行海上研究。
。但面對未來的潛在災害,台灣無法逃避。徐澔德表示,目前台灣地震模型只有涵蓋陸域資料,這次地震後經過一段時間的調查與資料整理,或許有機會在明年(2025年)發表第三版時,將現有盤點的海域孕震構造資料整合至模型之中、並納入地震災害評估計算。
徐澔德說:「我們去做海域構造這件事情,看起來的確是重要的,當然還是很難做,大家如果能夠更努力地在海域這一塊繼續累積更多資料,把這麼大的誤差
科學家評估斷層危害時會嘗試計算其「滑移速率」(如每年移動幾公釐),如果斷層動得愈快,地震發生週期可能愈短。不過當資料缺乏、有限時,透過公式計算出的速率會有較大誤差。
稍微縮小的話,我覺得都很有幫助。」
成功大學測量及空間資訊學系副教授景國恩說明,對於防災與地礦中心而言,陸地的斷層都調查不完,沒有研究海域的理由,但即使如此,當學術的孕震機率圖加入海底構造後,讓更多民眾甚至官方知道海底地震不管是斷層破裂或地震動
地球表面因地震發生的震動。
,都會對陸地造成破壞,對於日後推動更多海底研究甚至布設海纜地震儀都會有更多支持的力量,進而做到減災。
403地震可能與東部外海「大港口外海高區逆衝斷層」有關

這次震央在海底,能掌握的地質資料相當有限。不過隨著愈來愈多科學分析出爐,這次大地震與「大港口外海高區逆衝斷層」較為吻合。

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徐澔德研究室博士生陳承鴻近期剛好正在彙整54條台灣海域孕震構造,徐澔德指出,按目前科學資料判斷,這次錯動的逆斷層構造呈現「東北─西南」走向,斷層面應呈現「西傾
美國地質調查局(USGS)在403地震當天曾初步判定「東傾」,破裂面位於陸地的縱谷斷層被認為是符合東傾特徵。徐澔德表示,花東縱谷沿線本次實際上並未出現明顯的地表破裂痕跡,「在這種狀況下,縱谷斷層機率較低。」 在中研院地球科學研究所研究員李憲忠完成地震學模擬後,徐澔德判斷「西傾」較為合理,錯動中心點不僅落在斷層面上,也剛好對應錯動量較高的區域。
」特徵,因此沿著斷層面、從地底切出海床時,其位置一定位於更東方,斷層線將畫在海上。
徐澔德指出,比對現有科學資料,「大港口外海高區逆衝斷層」不僅地理位置符合、斷層面同屬西傾,按照地震學經驗公式
如根據斷層的長度、面積等參數進行推算。若斷層的長度愈長、面積愈大,能引發的地震規模也就愈大。
推算,該條斷層能引發的地震規模區間也與此次觀測值相符。

但這只是初步的判斷,403花蓮地震究竟由哪個斷層導致?徐澔德認為,仍要更多科學資料支撐,「我們可能有6、7成的把握知道那個地方(指震央)有斷層,但是這次地震是它造成的嗎?我覺得我有沒有1、2成的把握都不好說, 我只能說(該斷層與目前分析結果)沒有矛盾。」

面對「403地震北部沒有國家級警報」疑問,有哪些檢討修正?
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地震預警提早幾秒鐘讓民眾警覺,但403花蓮地震後,預警設定有檢討的空間。圖為新北市中和區一處倉庫因地震倒塌,受困者在搜救人員馳援下順利脫困。 (攝影/中央社/吳家昇)
地震預警提早幾秒鐘讓民眾警覺,但403花蓮地震後,預警設定有檢討的空間。圖為新北市中和區一處倉庫因地震倒塌,受困者在搜救人員馳援下順利脫困。 (攝影/中央社/吳家昇)
這次的403花蓮地震,新北與台北最大震度達到5弱,卻沒有發布國家級警報,中央氣象署飽受批評;但要解決這問題,得分幾個層面來分析。首先是預警
地震發布國家級警報需要滿足兩個條件:第一是預估規模5.0以上,第二是預估震度達4級以上(最大地動加速度值PGA達25gal以上)。
的設定有沒有問題?中央氣象署地震測報中心主任吳健富接受《報導者》專訪時提到,這次的地震波是不斷堆疊加高,第一報預估的規模遠低於最後的規模,這是比較少見的狀況。系統設定上,第一報預估規模是6.2,但推估台北、新北震度未達發布告警標準;第二報雖然規模上調至6.8,但台北、新北仍未達震度4級以上(最大地動加速度值PGA達25 gal以上),因此這次地震大台北地區民眾沒收到國家級警報。

事後檢討,吳健富指出,電腦系統設定25 gal以上,少0.1 gal都不行,這次台北在第二報測到23.8 gal,已經非常逼近25 gal,因此地震測報中心在震後修改系統程式,對於PGA的下限設定誤差或容許值,避免類似狀況再發生。

此外,過去曾經發生在日本琉球海溝的地震,因為地震與餘震之間的規模有落差,而持續發布十幾次警報,因此後來設定規模差距0.5以上才會連續發警報。吳健富指出,這也是這次事後檢討的重點──這次第二報6.8,第三報已經達到7.0,但因為沒有超過0.5以上,所以系統瞬間認定未達發布標準。這些都是系統設定上的細節,檢討後已經降低門檻,規模超過6.5以上,就降低發布警報的門檻。

只是上述兩項檢討都只是細節上的修改,科學系統就是得在錯誤中不斷修正。吳健富指出,因為規模達到發警報標準卻沒發,該被罵的由他承擔,但不會怪罪同事,系統設定始終得更精進。

但真正關鍵還是到底地震儀能不能第一時間測到精準的震度?

離震央仍有段距離,「媽祖計畫」這次沒派上用場
中央氣象署的前身中央氣象局早在2007年就提出「台灣東部海域電纜式海底地震儀及海洋物理觀測系統建置計畫(Marine Cable Hosted Observatory,簡稱MACHO,或媽祖計畫
因為計畫縮寫MACHO發音近似媽祖,又被稱為媽祖計畫,但之後遭到其他宗教團體抗議「為何獨厚一種宗教信仰?」因此氣象署對外不再稱之為媽祖計畫。
)」,要從宜蘭外海鋪設一條海底光纖,從陸地出海一圈後再回來。這條電纜上有數個地震儀與海嘯儀,藉此延伸我們只能設置在陸地的地震儀,盡量靠近琉球海溝可能發生地震的位置,增加預警地震與海嘯的時間。時任氣象局長辛在勤多次到行政院報告,最終計畫從200公里的環形縮減成長45公里的海纜,而設置海嘯儀與地震儀的無人測站也從4個縮減成1個。

完工後因為漁民的底拖網損壞儀器後失效,2015年再爭取到5.4億元第二期計畫設置3個觀測站(含之前損壞的1個測站),往外延伸70公里長度;2017年在前瞻計畫的支持下,進行第三期計畫以13億元延伸620公里、增加6個觀測站,讓光纖海纜繞過巴士海峽從屏東枋山上岸。

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景國恩解釋,有連接光纖海纜的地震儀,在接收到地震波時,傳輸訊息回陸地的時間可以快過地震波,而愈早收到訊息,就能多爭取幾秒鐘預警時間,海嘯又比地震波更慢,可以爭取更多時間。

根據2014年第二期的計畫書內容,這項計畫可以讓琉球海溝附近發生地震時,為台灣爭取10至20秒的地震預警與20分鐘的海嘯預警。為什麼是琉球海溝?主因於在學術上分析,琉球海溝被認為可能發生規模超過7以上的地震。

吳健富指出,從歷史資料分析,東部近海地震規模多在6左右,反觀琉球海溝有發生更大規模地震的可能時,在經費有限下,只能規劃海纜特別往東部外海繞,距離台灣愈遠愈好,一旦琉球海溝發生大地震時,才能為台灣爭取更多預警時間。

許樹坤過去曾協助氣象署規劃媽祖計畫,他表示,前三期穿過常發生地震的「南澳地震群」,最大任務是監測琉球隱沒帶地震,該區有發生規模8地震的風險,也可能引發海嘯;南部海域第四期
媽祖計畫第四期,在南部海域也規劃延伸段,用以監測馬尼拉隱沒帶地震,不過受物價上漲衝擊,原先規劃800公里的預算,目前只僅能做到剩200公里。許樹坤表示,呂宋島西側一帶同樣有大地震及海嘯風險,如果能直接拉到附近的話,可以爭取更多預警時間秒數,計畫縮減可能使測站數從7、8個將至約2、3個,形成約10幾秒落差。
目前也正規劃建置中。這次403地震雖在海上,但其地理位置離台灣本島較近,無法看出媽祖計畫功效,這也是為什麼要有海底斷層研究支持,因為學界對於該區孕震潛勢了解太少。
海底結構研究打頭陣,媽祖計畫鋪設網狀必要性

地震震央與震度的測量,主要概念是利用多個地震儀互相校正震央位置。換言之,如果震央的上下左右有三個地震儀,就可以三點定位快速找到震央;反之,當地震儀都集中在同一邊時,就算使用多個地震儀定位,仍會有一定的誤差出現,而這次403花蓮地震就是如此,這也是專家們認為需要在海底有多個地震儀的主因。

對比鄰近的日本,也是地震與海嘯頻仍的國家,311大地震以前,已經鋪設10條海底電纜觀測系統,都是以線性方式鋪設,但311海嘯仍造成嚴重傷亡,因此投入190億日圓(約新台幣60億元)在2017年完成S-NET計畫,併入預警系統中。這條長達5,500公里的海纜,以「之」字型的方式排列,布設多達150站,讓海纜像貪食蛇一樣圍繞在日本東北的東部外海,建構綿密的地震與海嘯預警系統。

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許樹坤補充,台灣因為經費的關係,無法之字形排列,而是在一條海纜上設置地震儀,「日本是網狀式散布,站點很多,偵測效果就比我們好。」從氣象署的資料中顯示,三期媽祖計畫共設置9個地震儀。

許樹坤表示,這次地震是讓學界更加了解台灣附近海域地底構造的機會,「好像一個人,你沒有生病,你就不知道其實我哪邊較脆弱一樣。」

由於過去對東部海底斷層不夠了解,所以鋪設海纜地震儀時只考量琉球海溝。許樹坤強調,若要持續精進地震監測,就得建立於基礎科學上,「我們對一個環境較了解時,我們就有概念該在哪邊布設(海纜地震儀)。把經費花在刀口上,哪邊認為有potential(潛勢),就盡量去做一些布置工作。」景國恩也強調,海底斷層調查知道愈多,愈知道要怎麼將有限資源投入在合適的地方,雖然海底調查比較困難,但仍具備參考價值。

理解地震對海上設施的衝擊風險,需要更多人才投入
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403花蓮地震雖然震央在海底,但強大的地震動,造成花蓮縣秀林鄉崇德大片山坡土石崩落。(攝影/楊子磊)
403花蓮地震雖然震央在海底,但強大的地震動,造成花蓮縣秀林鄉崇德大片山坡土石崩落。(攝影/楊子磊)

發生在外海的地震,也有可能造成海上設施損毀,造成經濟損失。2006年,屏東恆春外海發生規模7.0地震,海纜斷裂使東亞通訊嚴重受阻。

台大海洋研究所副教授蘇志杰指出,當我們對於海域構造有更多理解、掌握地震對海底地形的衝擊,也將有防災層面的效益。例如未來在新申請設置海纜時,可以判斷哪邊是危險地點,加以排除、提供較好選址建議。

他解釋,屏東地震時已觀察到海床沉積物發生液化、向外噴發,同時產生大量碎屑。研究團隊未來將前往東部海域調查是否出現類似現象,這在台灣西岸近年興建愈來愈多風機的當下,更顯重要,幫助人們評估地震衝擊。

不過蘇志杰也坦言,人才投入是一大難題:「我們對於這些災害的事件,在陸上(研究)相對比較完善,不管在設備上或者是人員上;但是海域的部分則有很大的空缺,不單單只是因為經費問題、儀器設備問題,我覺得最大的一個問題還是在於人力,因為海洋調查需要更多科學家投入。」

中研院地球科學研究所特聘研究員馬國鳳指出,面對地震的不確定性,科學家找到現階段共識十分重要,「 因為證據會愈來愈多,或者是有些我們本來存疑的地方逐漸釐清,所以台灣地震模型才會5年(更新一次);學術研究有論文發表、有同儕審核過的結果我們才引用。我們用更有邏輯性的方式去評估危害解釋──它永遠有不確定性,但是我們用一個比較客觀、穩重的步伐去進行。」

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