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百年震盪──斷層下的台灣啟示錄

918池上地震可能解開半世紀中央山脈斷層之謎──我們如何與「未知」斷層共存?

9月18日台東池上地震造成花蓮高寮大橋斷裂。(照片提供/地球公民基金會監事傅志男)
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921大地震23週年前夕,9月17日先在台東關山發生規模6.4的地震,當天中央氣象局就分析,這區域地震發生頻率很稀少,可能有未知構造或斷層;隔天在池上緊接著發生規模6.8地震,花蓮玉里高寮大橋與富里崙天大橋被震垮。經過幾天測量資料彙整後,專家更確定這場地震可能是學界早在1965年就曾經提出的「中央山脈斷層」所致。

台灣大學地質科學系退休教授陳文山等人2018年發表〈台灣東部碰撞帶孕震構造〉一文即清楚提到,「唯獨瑞穗至富里間極少地震發生,此區段是否可能在近期發生規模6地震,是值得注意的」,幾乎完全命中此次地震。

《報導者》也取得台大地質系教授郭陳澔在918池上地震測到的第一手主震波資料,從歷史縱深與最新資料雙管齊下,層層揭開神祕的「中央山脈斷層」面紗。918池上地震將為台灣東部孕震構造探查帶來什麼契機?而經濟部中央地質調查所的斷層調查與公告腳步,又該如何與時俱進?

9月17日規模6.4、9月18日規模6.8地震震撼全台,從花蓮玉里、富里,到台東池上、關山、鹿野均有災情傳出。截至9月21日止,中央災害應變中心統計,花蓮縣境內的高寮與崙天大橋震斷,另外有4座公路橋受損,以及台鐵3座橋梁受損嚴重,花東鐵路運輸可能要中斷數個月,建築物部分則有213件通報危險建築,總共已造成1人死亡、171人受傷。

中央氣象局地震測報中心主任陳國昌在917地震後接受《報導者》訪問時就明確指出,雖然地震與池上斷層很近,但經詳細確認,震央是在池上斷層西側,而池上斷層面是東傾,兩者應無關連,「很有可能有未知的結構或斷層導致這次地震。」

事實上,未知,不代表一無所知。57年前就有學者提出「中央山脈斷層」存在的說法,認為是東部孕震構造應被重視的標的。

臨時測站直接測到918主震,與中央山脈斷層關係密切

917台東關山地震發生後,台大地質系教授郭陳澔隔天一大早便和實驗室學生趕往台東「追餘震」,這是郭陳澔團隊自2016年美濃地震以來第6次的追震任務,他的團隊兵分二路,花一天半的時間,從瑞穗到鹿野,臨時布設46個臨時密集地震網測站,希望收集震波資料以利後續地下構造分析,沒想到過程中,918下午就碰上池上的主震,原本「追餘震」計畫,意外演變成「直接收到第一手的主震波」。

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917地震
郭陳澔團隊在917震後,隔日便趕至台東「追餘震」收集震波資料。(圖片提供/郭陳澔)

郭陳澔說:「團隊布設第一個臨時測站時就遇到主震,第一次親身感受到車子被地震S波強烈甩動,並近身目睹山崩導致的漫天揚塵。」加上地震前,中央研究院地球科學研究所助研究員傅慶州與郭陳澔就已鎖定池上斷層做監測,從海岸山脈到中央山脈,架設了5個寬頻地震站,剛好把這次的前震、主震、餘震通通包圍和記錄起來,留下珍貴資料可做後續分析使用。

他表示,從17日晚間9時一直到19日中午,39小時內收到6,000多筆地震資料,「那個其實是非常誇張的一個數目,很多小地震位置定不出來,篩選後,資料品質好的地震有1,000多筆。」

根據這些資料,郭陳澔團隊發現整個地震分為3群:中央山脈下面、海岸山脈下,以及更北邊一群。「光看中央山脈下面這一群,基本是一個高角度向西的,就是大家所謂的『中央山脈斷層』,這個非常清楚,跟震源機制解
又稱「斷層面解」,地震學領域中,科學家會用一顆如「海灘球」的圖示來表達斷層類型及錯動情況。
其實也是一樣,一連上來之後,你看到很多小的分支斷層往上走了,一個是往縱谷走,另一個就往中央山脈;其實這是非常好的第一手資料,讓大家知道到底這次地震如何發生。」
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根據池上計畫寬頻地震網資料,917、918地震事件可大致分為3群。圖上圓點顏色從藍到紅,代表地震發生深度由淺到深。(圖片提供/郭陳澔)

謎樣的中央山脈斷層:長達100~300公里,僅公告玉里段

成功大學測量及空間資訊學系副教授景國恩也在主震發生後立即趕往花東,經過兩天實際勘查與分析測量數據,「可以確定中央山脈斷層錯動是規模6.4與6.8地震的主因,並誘發池上斷層活動,導致這次的災情。」這次地震將卑南至池上的斷層能量釋放,但從數據來看,玉里至瑞穗間仍未釋放能量,這是必須要特別注意的區域。

為什麼從測量到的資料分析,會擔心尚未釋放能量的區域?這是因為「中央山脈斷層」可能長達100~300公里
學界一般認為2006年卑南地震、2013年瑞穗地震皆是中央山脈斷層錯動導致,中正大學地球與環境科學系教授温怡瑛表示,若以兩者連線保守估計,長度約100公里以內。陳文山等人則認為中央山脈斷層範圍北至花蓮,南至屏東,約300公里。
,與經濟部中央地質調查所(簡稱地調所)公布的玉里斷層相比差距非常大。

陳文山直指,早在1965年前地調所所長、台大教授畢慶昌就提出並將其稱為「中央山脈斷層」,只是50年來在這地方的野外調查找不到野外露頭證據。

「中央山脈斷層」範圍與特性推斷
  • 提出與命名:1965年台大教授畢慶昌以「東台灣裂谷」稱呼花東縱谷,認爲該地形是由兩側斷層錯動形成,西側為「中央山脈斷層」,東側則為「海岸山脈斷層」(即後來慣稱的縱谷斷層)。
  • 推測的長度:中央山脈斷層涵蓋的範圍從不到100公里到300公里的估計都有。
  • 密布的斷層:以陳文山教授認為,其可能從花蓮至屏東,由北至南有5段斷層,分別是和平段、鳳林段、玉里段、初鹿段及檳榔段。
  • 地調所公布現況:學者估計的5段斷層中,僅有玉里斷層一段被地調所公布。
  • 斷層特性:因為5段斷層性質不同,不至於會一次釋放非常大的能量,而是會像917關山、918池上地震般,規模6.4前震、6.8主震都在初鹿段,而5.9餘震則是在玉里段。
  • 調查困難:可能被沉積物或其他構造掩埋在縱谷斷層之下,以致於過去沒有那麼明顯破裂到地表的跡象。

資料來源:陳文山等〈台灣東部碰撞帶孕震構造〉(發表於2018年《經濟部中央地質調查所特刊》第33號,123-155頁)、台大地質科學系特聘教授徐澔德、中正大學地球與環境科學系教授温怡瑛。

專攻地震地質學、構造地形研究的台大地質科學系特聘教授徐澔德,2006年的論文就曾標示中央山脈斷層可能位置;這條孕震構造,也被納入台灣地震科學中心(TEC)所提出的「台灣地震模型」之中。由此可見,地震與地質學者一直認為,東台灣確實有這條綿長、但還未見識其全貌的斷層存在。

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地質界大前輩、前地調所所長畢慶昌1965年曾在〈東台灣裂谷〉(The East Taiwan Rift)一文中,提出「中央山脈斷層」(Central Range Fault)。(圖片來源/《台灣石油地質》期刊;經《報導者》後製處理)
徐澔德表示,畢慶昌當時認為花東縱谷兩側應分別各有一條構造,東側為海岸山脈斷層(後來多半稱為縱谷斷層),西側則為中央山脈斷層。他補充,後來很長一段時間,由於縱谷斷層較活躍、有持續觀察到潛移
斷層潛移是指斷層的滑移作用,可在地表斷層帶觀察到每年明顯持續移動的現象。例如台東池上大坡國小溜滑梯,就在斷層潛移作用下,16年間長高了5公分。
的地表變形現象,科學家對縱谷斷層一側較了解,中央山脈側則很少被討論。

徐澔德標出中央山脈斷層,是因為觀察花蓮瑞穗舞鶴台地可能受構造作用而抬起,他說:「原本的河流沖積物現在已經抬很高,既然抬了這麼高,一定要有一個構造去推它,可是它的位置和角度看起來跟縱谷斷層都不是很符合;我們認為,應該要有一條朝西傾斜,在中央山脈底下的一條逆斷層,把這個東西抬起來。」

徐澔德2006年的結論是,若單純以地形現象來分析,瑞穗到池上之間,除了舞鶴台地東側,在玉里以南的長良、古楓、崙天一帶都出現河階地形,是中央山脈斷層最明顯的一段;斷層在瑞穗以北可能延伸到海岸山脈和縱谷斷層底下,在池上以南的鹿野一帶,斷層可能延伸至縱谷斷層系統下面,成為「盲斷層」
指沒有破裂到地表的斷層類型。
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徐澔德2006年博士論文曾標示中央山脈斷層位置,最明顯的一段為瑞穗至池上。(圖片來源/《GSA Bulletin》期刊;經《報導者》後製處理)
徐澔德2006年博士論文曾標示中央山脈斷層位置,最明顯的一段為瑞穗至池上。(圖片來源/《GSA Bulletin》期刊;經《報導者》後製處理)

後來2013年的瑞穗地震,中研院地球所研究員李憲忠曾做地震波模擬,也發現地震發生在西傾的破裂面上,往北愈來愈深,往南則愈來愈淺、似乎有破到地表跡象。徐澔德團隊到舞鶴台地南邊三民國小附近,的確找到地表小小的破裂痕跡,「李憲忠老師的地震模擬,和我們地表的一些觀察,其實是可以對起來,某種程度也算是支持我們當時的想法,」徐澔德說。

2017年陳文山重整台大地質系特聘教授吳逸民針對2006年台東卑南地震研究東部地下構造的資料,並採取地震分布、震源機制及震波層析成像速度構造模型,分析東部的地下構造,確定中央山脈斷層是位於縱谷斷層
由北而南依次為嶺頂斷層、瑞穗斷層、池上斷層、利吉斷層。
底下,沒有出現在地表,導致長期以來的野外調查都無法發現縱谷中有明顯的斷層地形構造。

50年難尋的地表證據因池上地震現跡

50年來,中央山脈斷層的實證,苦於難找到野外露頭證據,但目前學界普遍認同917、918接連發生的規模6.4前震、6.8主震與5.9餘震,是中央山脈底下的構造所引發,讓這條斷層的近一步研究有了「地表跡證」。

目前在花東的地質學家已經回傳訊息指出,917與918地震有在地表產生斷層破裂,且破裂分布範圍廣,在不只一個斷層上都有出現。徐澔德表示,台東寶華大橋在2005年已因斷層活動變形,在這次地震可能也因縱谷斷層上的誘發變形而毀損。陳文山指出,「相信未來一定可以加快釐清過去50年來始終無法完全確認的答案。」

中正大學地球與環境科學系教授温怡瑛及台灣地震科學中心教育推廣委員會團隊,在18日傍晚發布了這次地震的解析報告。她接受《報導者》訪問時指出,綜合震源機制解、震度與餘震分布判斷,「這次錯動斷層具高角度西傾(60~70度)、南北走向發展等特徵,是中央山脈斷層的機率非常高。」

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2006年卑南地震、2013年瑞穗地震、2022年917關山地震、918池上地震,都發生在西傾的斷層構造上。(圖片來源/台灣地震科學中心TEC,圖出自彭葦;經《報導者》後製處理)
2006年卑南地震、2013年瑞穗地震、2022年917關山地震、918池上地震,都發生在西傾的斷層構造上。(圖片來源/台灣地震科學中心TEC,圖出自彭葦;經《報導者》後製處理)

温怡瑛解釋,這個地區包含了縱谷斷層以及中央山脈斷層,「大部分我們比較熟知的,以往都是縱谷斷層的運動,尤其像1951年花蓮地震系列,很多都認為是在縱谷斷層上發生;中央山脈斷層可能被沉積物或其他構造掩埋住,過去沒有那麼明顯破裂到地表的跡象。」

她表示,學界一般認為,2006年4月1日規模6.2的卑南地震的確是由中央山脈斷層錯動所造成,從當時餘震分布圖可以發現構造呈現高角度西傾,和縱谷斷層不一樣;不過兩者也會互相影響,像是兩週後,4月15日池上斷層(可視為縱谷斷層的分段)就發生規模6.0地震。另一個案例則是2013年10月底的瑞穗地震,同樣呈高角度西傾分布,這次地震也喚醒學界對中央山脈斷層系統的印象。

温怡瑛表示,這次
温怡瑛補充,中央山脈斷層錯動型態不會從頭到尾一樣,2013年瑞穗地震以逆衝為主、走向滑移為輔;這次關山、池上地震則是走向滑移為主,帶逆衝分量,這與2006年卑南地震相似。
中央山脈斷層引發的地震以走向滑移
橫移斷層(strike-slip fault)會沿斷層面做水平方向相對運動,又可分為左移、右移斷層。
(左移)為主,但是帶有逆衝分量
受壓縮力作用,使斷層上層的岩盤,逆勢抵抗重力、向上移動。
,「我個人認為,因為它比較埋深在底下,表示大部分會受到另外一個上方構造去影響,所以在做一些調節抗衡時,平常不太容易錯動出來,一定是等到承受的力超過極限,才會做能量釋放。」

中央山脈斷層可能有多長?温怡瑛表示,她認為以2006年卑南地震位置,畫到2013年瑞穗地震位置,長度估計不到100公里,「其實都是基於過去觀測到的地震,它的震源機制解,還有它的角度滿像的,我們可以大概去推估,應該是同一個斷層系統。」

根據目前看到資料,中研院特聘研究員馬國鳳表示,她個人認為這次917與918地震是2個地震系列,而非以前震與主震看待,兩者都是西傾中央山脈斷層為主要的孕震機制,持續往北破裂,同時往東傾的縱谷斷層或者是池上斷層可能被誘發、池上斷層過去以來的潛移現象也被加劇。

專家籲地調所掌握最佳調查時機,讓活動斷層公告與時俱進

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地震、斷層、調查
2001年中央大學教授李錫堤帶領團隊在台南後甲里斷層挖槽溝調查。(照片提供/李錫堤)

中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心研究員李錫堤認為,過去地調所找不到中央山脈斷層的證據,只有畫出玉里斷層;最近經歷池上6.8與關山6.4地震後,地表會有破裂痕跡,這是挖槽溝的最佳時機,也比較不會「挖錯」地方,建議政府應投入經費調查,盡早將中央山脈斷層劃設為「第一類活動斷層」。

驗證斷層要做大範圍的調查,温怡瑛說,「比如說鑽井或者是挖槽溝,不然我們永遠不會知道它底部下的實際狀況。」不過她也認為,中央山脈斷層被沉積物埋深特性,可能是執行調查上的一大挑戰,「槽溝不可能挖太深,一般槽溝都是多少公尺的(等級),畢竟有滿多的工法考量,也有很多安全上的問題,錯動過表示它是比較脆弱的環境。」

「尤其如果你要挖深的話,它的範圍也很大,像這種類型,如果沒有很明顯的地表蹤跡,可以透過地震資料或地球物理的資料去追蹤構造,」温怡瑛補充。

李錫堤解釋,依照目前地調所劃設活動斷層的依據,必須要先找到足夠證據,而以過去經驗,有明顯的地表破裂時,挖槽溝是一種獲取證據的方式,包括通過新竹科學園區的新城斷層,是陳文山帶領團隊完成,「而我在2001年也挖過後甲里斷層,在槽溝中採集樣品做定年,就能去驗證斷層錯動證據。」

李錫堤進一步說明,每一條斷層的活動都有週期性,人類發明地震儀不過百年,在此之前的斷層活動就只能參考文獻記載找歷史地震,但斷層活動週期不只是百年、千年,甚至到萬年,因此挖掘找出更多古地震
人類歷史記載以前所發生的地震。
錯動證據,才能更準確的推估週期與未來孕震的機率。

地調所構造與地震地質組長林啟文說明,池上地震後,地調所已經有三隊人員分頭到花東現場調查,希望針對地震後地表破裂證據收集資料,目前初步回報,破裂的位置大致在玉里斷層與池上斷層,待確認無誤後,將會在地質報告中修正玉里斷層的長度。此外,池上斷層已劃設的地質敏感區範圍也會檢視後確定是否要調整。

至於外界關心的中央山脈斷層,林啟文強調,地調所必須「有多少證據說多少話」,因此目前已經畫出玉里斷層與鹿野斷層,中間20~30公里,北從花蓮春日國小開始,最南至台東坪頂,這次地震後會有更多證據,包括玉里高中棒球場就有清楚的破裂證據,除了地調所調查的資料外,也會收集學者發表的資料,並於檢視後決定是否要畫另一條斷層,還是從目前已公布的斷層做長度上的修正。

918後,以防災觀點思考地質敏感區劃設標準

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花蓮、地震、斷層、光纖、馬國鳳
人類對斷層和地震的瞭解仍有限,需要不斷透過科學研究來解開地底下的謎題,以強化防災韌性。圖為米崙斷層鑽井研究計畫(MiDAS)團隊於花蓮七星潭的鑽井區域作業。(攝影/林彥廷)

徐澔德表示,目前對中央山脈斷層的認識還很少,這次地震累積更多新資料後,是修正過去模型的機會,「某些特性跟我2006年的想法其實不完全一樣,當時是把它畫在瑞穗到玉里、池上,中央山脈的山前緣;如果我們按照這次地震的定位資料及角度,發現其實跟山前緣並沒有真正對得非常好;這個構造可能比我們想像中來得複雜。」

他補充,相較於目前地調所公告的36條活動斷層,學界認為,台灣可能產生地震災害的地質構造更多,像是台灣地震模型(TEM)畫出的活動斷層就有45條,「地調所的活動斷層很可能只是一個minimum(最小範圍);當然學界的成果還是會有一些不確定性存在,正常科學研究其實都是這樣,但是如果站在比較保守,希望降低風險的這個立場的話,尚未被地調所公告的孕震構造,恐怕都是需要列入(風險評估)考慮。」

馬國鳳表示,TEM台灣地震危害潛勢每5年會更新一次,目前已公布2015年版2020年版,下一次2025年版或可將這次地震中發現的孕震構造幾何、滑移速率特質納入考量,讓模型愈修愈好。陳文山認為,孕震構造發震圖中的中央山脈構造在未來20年、30年與50年的發震機率分別是7%、11%、17%,等確定構造長度、範圍後應該調整修正。

馬國鳳強調:「每個斷層(或構造)不見得現在存在、永遠都不會改變,因為證據會愈來愈多,科學家也會根據證據成果去討論修正。我們會說大家可以吵,但是每5年大家請各自努力,5年後我們來吵一次,等吵完不是就解散了,吵完之後,optimum solution(最佳解)是什麼?然後再持續進行(研究)。」

中央山脈斷層因為在縱谷斷層底下,沒發生地震前很難在地表找到破裂證據,陳文山認為,從防災的觀點,還應該要討論盲斷層的潛勢範圍劃設標準,不只中央山脈斷層,北部的山腳斷層也是如此,「地表已經被建設破壞殆盡,根本找不到證據,但能因為找不到就不劃設嗎?那跟駱駝遇到危險把頭埋起來有什麼不一樣?」

陳文山強調,《地質法》中只有提到劃設地質敏感區後,開發者必須做地質調查,在不涉及修法前提下,只要政府願意做,就能訂定盲斷層的地質敏感區劃設標準,確保開發都能在一定風險下做好防災準備。

馬國鳳認為,台灣不可能逃避地震威脅,震後重要工作是持續進行大規模地震的演練,「我們重要的工作是如何準備好(面對)這種衝擊?那準備好並不是說它就不會發生,而是說它發生的時候,衝擊是降低的。」

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