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百年震盪──斷層下的台灣啟示錄

【影像全紀錄】世界首見光纖打入米崙斷層,台灣再創地震觀測新猷

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921大地震23週年前夕,918池上地震震撼全台,也震出不在官方紀錄之列的孕震構造。地底之下,雖留有許多人類未解之謎,不過台灣也有一群科學家積極探索各項前沿技術,努力為地震研究開疆闢土,期盼日積月累、代代傳承的知識教訓,能為防災貢獻心力。

2018年花蓮規模6.2地震造成17人不幸罹難,其中一條造成重大災害的米崙斷層,活動週期不到百年,被認為是台灣活動最頻繁的斷層之一,周圍構造也可能與隱沒帶地震有關。為瞭解這條高風險斷層,中研院聯手國內地球科學專家與工程團隊,在花蓮七星潭啟動米崙斷層鑽井研究計畫(Milun fault Drilling and All-inclusive Sensing Project, MiDAS),2021年5月正式開鑽。

這是繼車籠埔斷層後,台灣又一次世界級的斷層鑽井計畫,更是全球首度將光纖穿過斷層帶做監測,可望為地震研究再開新頁。《報導者》自2021年末開始記錄團隊工程,透過9個月的影像紀錄,帶你看見工程背後眾人的心血結晶。

地震是人類最難征服的天然災害,人們無法「阻卻」地震發生,但科學家持續努力開創觀測地震的路徑。靈敏性高、連續性強的光纖地震監測,就像在地殼置入「神經」,感測地層脈動,能成為全球地震科學最先進的工具。但是,光纖要埋在哪裡效益最高?當然是可能活躍性較高的活動斷層帶裡,這個重要里程碑,台灣率先達陣。

根據台灣地震模型(TEM)2020年公布的發震機率圖,米崙斷層構造未來20年、30年、50年,都是台灣發生大規模地震機率最高的地區,機率有57%至88%之高,科學家近年一直密切關注。2018年花蓮發生芮氏規模6.2強震,花蓮市區統帥大飯店倒塌、雲門翠堤大樓傾斜,多個橋墩變形受損,這些災害集中在米崙斷層沿線。

不讓受災與罹難的人白白犧牲,由台灣地震科學中心首席科學家、中研院地球科學所特聘研究員馬國鳳領導的中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心團隊,震後第一時間便火速至花蓮探勘,並積極爭取計畫經費支持,研究團隊沿著甫在大震中破碎的裂痕,再透過科學探測,精準找到「米崙斷層」下光纖,馬國鳳形容:

「這等於把光纖打入主動脈裡。」

馬國鳳說:「米崙斷層在整個台灣的地震構造的活動度來講,是最活躍的斷層,上次是1951年,整個活躍度大概就是70年左右,甚至在同個地方70年重複破裂。」

其實1920年,台灣東部外海、琉球海溝曾經發生規模8.3的地震,「它是台灣400年來最大的地震,下次是什麼時候也是一個問題,我們覺得米崙這個斷層帶本身,可能跟下面的整個很多的孕震構造、斷層系統有很大關聯,」馬國鳳說。

她補充,隱沒帶地震
「隱沒帶」出現在聚合性板塊邊緣,例如琉球海溝即是菲律賓海板塊向北潛入歐亞大陸板塊所形成。隱沒帶地震通常規模大、破裂範圍大,2004年印度洋大地震2011年日本311地震皆屬此類型。
產生的長週期震動,也會對台灣中北部造成一定災害,例如1986年規模6.8的花蓮地震就曾造成當時台北縣中和華陽市場倒塌。選定米崙斷層做鑽井觀測,極具代表性與重要性,可望把斷層訊號看得更清楚,也累積前瞻的科學研究經驗。

《報導者》團隊歷時9個月,記錄米崙光纖地震監測網布建的過程。

領先全球的光纖地震監測網

一口井的誕生:鑽進、取芯、電測

鋪設垂直及水平光纖

工程陸續收尾,各項研究準備啟動

讓光纖接收來自地下的微小訊息

為什麼光纖監測地震受到全球科學家的重視,又如何監測地震?中研院地球所副研究員黃信樺解釋,光纖所含雜質少,傳輸時能量衰減低,約5%至10%的能量都可反射回來。觀測儀器具有收發功能,每秒發射1,000至1萬次的雷射光,只要接上光纖,便可捕捉那些碰到雜質而反射回來的微弱訊號。

他舉例,假如1公尺中有兩個雜質,雷射光發射出去後,兩者都會反射訊號、有時間差,當第二次再打雷射光出去,若時間差變長,代表兩個雜質伸張拉遠,時間差變短就是兩者壓縮變近。地震波通過光纖造成的局部形變量,能進一步轉換為波形,這也接近傳統地震儀的紀錄成果。

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光纖接上DAS儀器後可化身靈敏度高的地震儀。(資料整理/柯皓翔;設計/江世民)
光纖接上DAS儀器後可化身靈敏度高的地震儀。(資料整理/柯皓翔;設計/江世民)
黃信樺指出,相較於傳統地震測站或地震陣列往往間距數公里,光纖所量測解析度可以達到公尺等級,更能提供連續且高頻率的監測結果;這樣的技術名為DAS
Distributed Acoustic Sensing,分散式聲波感測技術。
。除此之外,其他的反射訊號分析方法,還可用於監測溫度變化。透過高解析度光纖纜線的長期監測,科學家或能一解地震前兆的祕密。

新技術的挑戰:光纖偵測極限、處理巨量數據

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地震、光纖、米崙斷層
2021年12月30日,待下放至地底深處的光纖線路。(攝影/林彥廷)

用光纖來監測地震是全球前沿技術,相關方法論正逐步建立。台灣好發地震的特性,也讓我國科學家更快地注意到新工具的特性和限制,可望成為累積相關經驗的領頭羊。

黃信樺指出,光纖非常明顯的優點正是空間解析度高,觀測精度可以小至數十公尺內,在地下水、地熱開發、碳封存等領域應用都具潛力。

不過光纖本身限制也正浮現。第一,今年台灣曾發生規模6以上的地震,團隊便在光纖監測訊號上看到「飽和」現象,如何針對強震做訊號解析,值得後續探索;另外,過去地震儀可以觀測到3個軸向,但光纖僅能收到平行纜線的方向,花蓮現場垂直及水平光纖的布線設計正能補足此限制;第三則是物理量的換算,黃信樺解釋,光纖記到的是鄰近2點的相對形變量,而非傳統單一質點的震動,轉換公式中的參數也須因應地質特性,重新修正和推導。

靈敏度高的光纖得到高精度資料後,如何有效處理也是一大課題。黃信樺說:「我相信未來『機器學習』在DAS會非常重要;一旦DAS或光纖推廣出去、日常生活中隨處可見,那就不是開玩笑的,資料量大到根本不知道怎麼處理。」當技術更加純熟,應用情境更多時,人們不可能每個微小震動都去看,機器學習便可用於篩選重要訊號。

展望:光纖時代,除了地震也能測山崩,交通、電力體系可望同步串聯

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地震、光纖、米崙、斷層、花蓮、七星潭
米崙斷層鑽井研究計畫(MiDAS)於花蓮七星潭的鑽井區域。(攝影/林彥廷)

光纖未來可望成為地震研究新利器,目前國內除了花蓮米崙斷層外,中研院在台東池上斷層也有光纖布設計畫。傅慶州表示,池上斷層是台灣「動最快」的斷層之一,目前淺井部分已布好光纖,未來深井鑽好後,該地也會成為一處結合地球化學、地球物理的整合性地震觀測平台。

若光纖監測技術持續發展,有沒有可能家家戶戶的光纖網路也能成為地震監測網的一環?「以願景來說,潛力是非常大,」黃信樺分析,但光纖收訊良好的前提,是要與周圍材質緊密連結夯實,如果房子內的光纖懸空,便難以派上用場。此外,電信公司布設在地底下的光纖訊號品質也至關重要,今年下半年,他也和中華電信洽談,要在大台北地區進行地表現有線路的測試,如果成效不錯,用既有光纖來監測地震也許就不是夢,「當然一定還有許多問題需克服。」

光纖除了用在地震監測外,還有潛力用於山崩監測。黃信樺表示,自己有在宜蘭太平山做微震監測,觀察坡體在崩塌前,是否有微震發生;有了米崙斷層的經驗,他也預計使用一般光纖,引入現址鑽井做觀測,「這麼近距離地監測山崩地滑動的情況下,說不定可以看到一些前兆,(也就是)所謂滑動前的一些特徵,也許就可以幫助到預警、減災。」如果建立光纖網絡,與鐵路、捷運運輸系統,甚至瓦斯、電力等系統串聯,出現大震預警時讓緊急斷電等防護設計同步啟動,將可減少地震續發的災害。

台灣地震學研究在國際享譽盛名,1999年921大地震雖造成重大損失,但相關論文數量至今是全球第4
僅次於2011年日本311大地震、2008年汶川大地震、2004年印度洋大地震。
,對人類了解地球未知貢獻很大。

儘管米崙斷層使用的光纖技術仍在萌芽階段,但已經讓科學家對於釐清地球奧祕、思考防災手段,多了更多的想像和機會。馬國鳳說:「很高興我有機會闖入兩個新世代,我念博士班的時候,地震儀器開始變成寬頻的,電腦變成好幾個螢幕,到我現在比較資深了,變成是類似光世代、AI的技術,希望我可以跟上啦。」

經歷車籠埔、米崙斷層兩大台灣重要地震鑽井計畫,馬國鳳期盼台灣的創新研究經驗能提供國際參考,她也對年輕的一代充滿信心,「我覺得最重要就是傳承;我們新一代的這些學者們,跟外國人比也不遜色,甚至優秀;你有機會以這樣的主題,在這個(米崙計畫)號召之下去投入這個工作,我個人覺得非常的感動。」

【採訪後記】謹向此計畫每一位參與者及協助本報導者致謝

採訪過程中,《報導者》團隊深切感受到一個鑽井計畫成形之不易。除了科學家、工程團隊外,包括協調土地使用權、拍攝、統整檔案、協調工期、克服技術障礙等事項,都是靠著行政人員、駐井團隊、中華電信、工研院、消防局、花蓮縣政府等單位協力下才成為可能。

我們花9個月時間的紀錄,如果沒有各專業領域者無私的協助與支持,也無法完成,他們是:

提供科研專業諮詢:中央研究院地球科學所馬國鳳、黃信樺、傅慶州、林欽仁、古進上、中央大學地球科學系王乾盈、郭力維、林彥宇、郭俊翔、台灣大學地質科學系郭陳澔、東華大學自然資源與環境學系顏君毅、中國文化大學地質學系吳文傑。

協助採訪及資料提供:中央大學地震災害鏈風險評估及管理研究中心胡玉燕、中研院地球所楊詠寗協助確認採訪行程及影像素材;中央大學博士生許銘凱、碩士生凌韻雅在鑽井現場協助導覽解說。

提供工程技術與操作解說:豐宇綠能負責人林伯修、工地主任陳立民,欣辰通訊林志麟、工業研究院陳俊榕,協助工地現場拍攝任務,並助我們理解相關技術。

上述人員僅是協助本篇報導的人員,米崙計畫網站上,還羅列著更多單位、專家的貢獻。今年6月馬國鳳在台灣地球科學聯合學術研討會介紹米崙計畫時,特別在簡報中一一致謝促成計畫的同仁,她的一句註解標誌著這群科學家的企圖心:「真正的關鍵突破正要開始」。

索引
領先全球的光纖地震監測網
一口井的誕生:鑽進、取芯、電測
鋪設垂直及水平光纖
工程陸續收尾,各項研究準備啟動
讓光纖接收來自地下的微小訊息
新技術的挑戰:光纖偵測極限、處理巨量數據
展望:光纖時代,除了地震也能測山崩,交通、電力體系可望同步串聯

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