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預測地震可能嗎？地球情緒測量師許雅儒
轉載自：研之有物 ，採訪編輯：莊崇暉 ，美術編輯：張語辰
地殼因斷層活動，無時無刻皆在變化，與地震、海嘯、山崩等現象更是環環相扣。「地殼變形」遂成為地震學家無法忽視的觀察標的，就像地球展露情緒的跡象。中研院地球科學所的許雅儒研究員，其研究主要利用全球衛星定位觀測系統 （GPS）、地震及井下應變儀觀測資料，綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。
原先碩士畢業後並無進修打算，然而，來到中研院地球科學所當研究助理那年，恰巧碰上 921 地震，親眼目睹斷垣殘壁和慘重傷亡，許雅儒步上探索地球科學奧秘之路，一路成為研究員，成為能看懂地球情緒起落的人。
從地殼變形 觀察地球情緒
發生地震時，避難是當務之急。對許雅儒而言，第一件想到的事則是：全台超過 400 個 GPS 固定觀測站往哪個方向位移。因為台灣位處隱沒帶，地震頻繁，地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間，展露無遺。
GPS 衛星定位係經由衞星量測地表測站的座標，測站座標隨時間的變化可計算速度，推測地底斷層的活動情形。台灣目前設置超過 400 座 GPS 固定觀測站，測站的選址需具備良好透空度（仰角 10°以上無遮蔽物）、地質穩定、遠離電磁波干擾源等。GPS 固定觀測站大抵沿著主要斷層帶擺放，與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。
日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」，而藉 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。
板塊移動緩慢，一年僅移動幾毫米至幾十毫米，必須透過長時間的連續觀測以換取精度。藉由觀測測站的位置隨時間之變化，取得測站的位移速度，反推地下斷層的滑動情形（如下圖）。
以地殼變形最顯著的「地震」而言，許雅儒說，平常測站呈現的是長期穩定線性運動，一旦發生地震時，時間序列會呈現不連續狀（如下圖）。藉由計算地震震央附近測站位移量，便可得知地殼何處變形，並推測斷層如何活動、滑移。
斷層滑移 ≠ 地震
了解斷層活動不能只看當下，因為斷層滑移歷史很長，可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。
許雅儒說，斷層滑移主要有三個歷程，如下圖：
伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」，因為板塊運動的關係，岩層的推擠或拉張都會造成地震。
上部地殼一般為脆性變形，下部地殼因為溫壓的關係產生塑性變形。板塊運動會造成地殼不斷變形，下部地殼變形行為像年糕，會一直變形，但一般不會發生大地震。下部地殼會推擠上部地殼，不像下部地殼，上部地殼可以積聚能量，當上部地殼承受不住便引發地震。若下層每年推進 5 公分，假設 100 年後地震能量才一次釋放，便會產生位移 5 公尺的地震。
當上部地殼沒有大地震發生、主要能量由深處斷層緩慢滑移釋放時，則為「間震期滑移」。
若在同震滑移後，地殼能量未釋放完全，而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量，稱為「震後滑移」。許雅儒說，通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式，時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。
為了更了解地震滑移的特性，許雅儒近期也著手研究「山崩」。她說，研究斷層難度高，因為斷層較深，訊號傳到地表已經很微弱了。而山崩的滑動特性和斷層活動有部分類似，山坡滑動面淺、在地表可以接收足夠的訊號，能藉此了解滑動行為隨時空如何演變，間接了解地震孕震的過程。相關研究成果也支持許雅儒獲得 2017 年台灣傑出女科學家「新秀獎」。
藏於海的地球脾氣
除了陸地觀測，隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。
海底監測同樣透過 GPS 定位系統，不過因為衛星訊號無法穿透海水，所以必須藉由聲波定位。陸地的 GPS 站先跟船的位置做一般 GPS 相對定位，船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位，由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。
許雅儒說，隱沒帶地震規模驚人，如 2004 年蘇門答臘地震和 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果（註一），也是首次有近海溝的 GPS 觀測資料，驗證隱沒帶淺層之摩擦性質為速度強化，亦即隨著斷層滑動速度增加、摩擦強度也增加，並有顯著震後滑移。
此外，台灣鄰近海域還有許多大型隱沒帶海溝值得觀測，包括琉球海溝（長約 2200 公里）、馬尼拉海溝（長約 1100 公里）。她說，雖然自 16 世紀至今未見馬尼拉海溝有大規模地震的紀錄，但仍需持續監測，因為無法排除未來發生的可能。如同蘇門答臘過往也沒有相關紀錄，地震發生後破裂卻超過 1000 公里。
相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站，許雅儒說海床監測工作礙於台灣研究船少，有時只能搭漁船。不僅要搶船期，還得避開海象洶湧的冬天與颱風季。一年出海二次，一次一星期，研究人員 24 小時輪班，而且海床監測的定位誤差比陸地監測大，所以監測海床更需要長時間的觀察累積精度，平均需要五、六年才有研究成果。
GPS 測站守護者的野外挑戰
測站肩負感測地球一舉一動的任務，而守護海陸觀測站的工作得仰賴研究者的野外工作。許雅儒表示，海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯，難以回收，除非派機器手臂下潛維護。陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀，若一年有三座測站損毀即屬非常嚴重。
許雅儒的野外研究，始於中央大學應用地質研究所碩士時期的南橫測站工作。她說，觀測站大多位於人煙稀少的地區，分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料，野外站平均一年去一到二次。觀測工作不外乎設置腳架、量測、紀錄等。野外研究更是一場場冒險，許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能，才能找到測站點。
許雅儒表示，有次劈草開路，不小心與草堆中的墳墓照片四目相交，瞬間背脊發涼。抑或因為野外測站所在之處山路險峻，車子踩滿油門卻往下滑。更甚，設置好的測站因學校整地而被掩埋，必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招，許雅儒曾於菲律賓野外研究，但因站點偏遠，僅有零星住家燈火，因此必須架燈擺站，殊不知燈一架，蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來，一張口吸進不少隻，還外帶了幾隻回旅店。
趣事不少，許雅儒強調，觀測地殼變形是為了預防災害，對預警有實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝是否可能因地震引發海嘯，對整個南海，包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家至關重要。若發生海嘯，反撲至台灣西部海岸時，因海底深度較淺，海嘯放大後也可能對台灣造成嚴重災情。
預測地震，可能嗎？
地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼，但不若諸多影視文本恐怖。
電影都太誇張了，每次看都覺得導演很有想像力。
許雅儒笑說，民眾對地震了解不夠深入，地震電影時常「誇大」地震形象。即使地表破裂，人絕對不可能直墜地心，根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋：地殼的確會破裂，但隨著深度增加，岩壓就越大；所以不管張裂或聚合，深度增加時，岩壓變大，裂面也會閉合。
人們無法透徹了解地震，帶來諸多災難想像。至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害？許雅儒坦言，難度很高。
因為地震孕震週期長，目前對地震觀測頂多百年以內，但是地震周期可能長達千年，從小窗口看出去，難以窺其全貌。
許雅儒說，預測方法不同，感測程度也不同。目前可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手，不過要排除其它非地震因素可能造成的擾動才可能達成目的。最常謠傳的生物表現也得經過嚴謹的測試，才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。
「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示，中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站，後方新建大樓挖地基，在尚未建造連續壁時，頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說，若不曉得測站附近施工興建大樓，可能會誤判為其它因素。
預測難度高，主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱，必須排除很多不相關的因素，因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。
然而，具備防災觀念比追求預測更重要。許雅儒說，預測或改善現有的預警系統是必須努力的方向，但不如從小教育地震防災的正確觀念，災害來臨時，傷害才能減至最低。以最簡單的地震包而言，臺灣仍然並非家家戶戶都有，甚至還是少數家庭才具備。
許雅儒的研究不只紙上談兵，更深具社會責任。善用 GPS 和其他方法覺察地球的情緒起伏，雖仍不足以全面「預測」，卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯（註二），藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動，供防災與避難疏散之用等等。
訪談末，想到正身處傾斜的中研院地球所之中，我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息，許雅儒連忙笑說：「還好啦，已經建造連續壁，不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視，而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定。因為她慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒，靠的是準確定位、細心觀察，再下結論的紮實研究功夫。
※ 本文轉載自《研之有物》，《地球情緒測量師 許雅儒》
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參考資料
- 許雅儒的個人網頁
- 【演講影片】隱沒帶大地震與海嘯，講者：許雅儒
- 《科學月刊》在熱誠之中追尋人生理想－許雅儒專訪
- 2017 年臺灣傑出女科學家獎－「新秀獎」得主許雅儒簡介
- (註一) Hsu, Y. J.*, M. Simons, J.-P. Avouac, J. Galetzka, K. Sieh, M, Chlieh, D. Natawidjaja, L. Prawirodirdjo and Y. Bock (2006), Frictional afterslip following the Mw 8.7, 2005 Nias-Simeulue earthquake, Sumatra, Science, 312, 1921-1926.
- (註一) Briggs, R. W., K. Sieh, A. J., Meltzner, D. Natawidjaja, J. Galetzka, B. Suwargadi , Y. J. Hsu, M. Simons, N. Hananto, I. Suprihanto, D. Prayudi, J.-P. Avouac, L. Prawirodirdjo, and Y. Bock (2006), Deformation and slip along the Sunda megathrust in the great 2005 Nias-Simeulue earthquake, Science, 311, 1897-1901.
- (註二) Hsu, Y. J.*, Y. S. Chang, C. C. Liu, H. M. Lee, A. T. Linde, S. I. Sacks, G. Kitagawa, and Y. G. Chen (2015), Revisiting borehole strain, typhoons, and slow earthquakes using quantitative estimates of precipitation induced strain changes, J. Geophys. Res., 120.
- (註二) Hsu, Y. J.*, R. F. Chen, C. W., Lin, H. Y. Chen, and S. B. Yu (2014), Seasonal, long-term, and short-term deformation in the Central Range of Taiwan induced by landslides, Geology, 42, 991-994.
- Chen, Horng-Yue, Ryoya Ikuta, Cheng-Horng Lin, Ya-Ju Hsu, Takeru Kohmi, Chau-Chang Wang, Shui-Beih Yu, Yoko Tu, Toshiaki Tsujii, Masataka Ando (2018), Back-Arc Opening in the Western End of the Okinawa Trough Revealed From GNSS/Acoustic Measurements, Geophysical Research Letters, 45(1), 137-145.
- Wu, W. N., Y. T. Yen, Y. J. Hsu, and W. M. Wu (2017), Spatial variation of seismogenic depths of crustal earthquakes in the Taiwan region: implications for seismic hazard assessment. Tectonophysics, 708, 81-95.
- Hsu, Y. J.*, S. B. Yu, J. Loveless, T. Bacolcol, R. Solidum, A. Luis Jr, A. Pelicano, and J. Woessner. (2016), Interseismic deformation and moment deficit along the Manila subduction zone and the Philippine fault system, J. Geophys. Res., 121, 7639–7665.
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