地層深處微震的祕密

專題報導 08/01/2010


由日本科學家發現的一種地層微震,近年引起地震科學研究的注意,科學家希望進一步掌握此種微震的訊息,來增加對於地震發生機制的瞭解。

六月底七月初以來,西雅圖華盛頓大學地震學家都保持高度警戒,預估鄰近的奧林匹克半島將出現一連串深層微震,這種現象每十二至十四個月都會發生,研究人員希望能準確記錄這些震波。

這一年來,研究團隊架設廣大偵測網,在半島山區設置逾百個地震感測器,只要一收到地震訊號,研究人員會立即在地震位置放置更多測量器,科學家每隔幾天就會至各處更換電池及下載資訊,希望盡可能收集地底震動的資訊。

這些全都是無感地震,但對科學家而言,這些被稱之為非火山微震是過去十年一大重要發現,能藉以瞭解斷層變動行為,研究人員於二○○二年在日本首度注意到這個現象,隔年西北太平洋研究團隊亦在西雅圖附近的卡斯卡迪亞地區,錄得相同情況。

卡斯卡迪亞地區的現象之所以引起興趣,是因為震央位於海岸線,緊鄰的大斷層曾造成規模接近九的強震,研究人員期望獲得詳細數據後,能有助監控斷層沿線活動,或許可利用定期出現的微震,追蹤地底壓力變化,進而尋找未來強震可能時間及地點的蛛絲馬跡。

史丹佛大學地球物理學家貝羅薩(Greg Beroza)也在關心研究成果,因為地震定期出現,讓研究人員能提前準備,是難得能仔細研究地震活動的罕見機會,他表示,「若十年前有人聲稱,可預測深層地震定期出現的時機,我會覺得他是瘋子,但今日情況已經不同」。

難解的訊號

微震的地震跡象與一般地震不同,後者一開始便釋放高頻率的能量,之後迅速縮小;前者較為溫和,震動中多有低頻波動,來去常不受到注意,這種特性也讓人難以察覺,此種觀測源於阿拉斯加、墨西哥等地,但並非處處皆有偵測網,故資訊仍不完整。

東京大學教授小原一成(Kazushige Obara)當初使用地底常設偵測器的訊號,率先發現微震,一九九五年神戶大地震之後,日本政府便在全國設置六百個探測器,每個儀器都埋入地底一百公尺,以隔絕卡車震動等人為噪音,才不會錯過微震記錄,當小原注意到連續幾個星期,都出現極深層的微震,距離地表三十公里,全球研究員也紛紛拿出資料,分析是否有類似記錄。

日本的地震大多發生在板塊交會潛沒處,西北太平洋的卡斯卡迪亞潛沒帶結構相仿,從加拿大卑詩省的溫哥華島,一路延伸至加州北部,胡安德富卡板塊在此沒入北美大陸板塊之下,上次重大地震據信發生於一七○○年,潛沒帶危險地區現已卡住,但研究員預期在下個世紀內,將會造成重大災難。

因為有此風險,研究人員更有興趣記錄各種微震,希望藉此瞭解潛沒帶動態,去年他們錯過機會,華盛頓大學團隊預測微震將於八月發生,但卻在五月初出現,大多數儀器還來不及就位,雖仍有來自常設性裝置的記錄,但詳細程度不如期望。

今年他們準備充分,只要常設性偵測器感應到震動,研究團隊就會出發在震動處增加偵測網,每個偵測網會有二十多個感應器,彼此相距二、三百公尺,並安置在不受人為噪音干擾的偏遠地區,這項研究已獲得五十萬美元的獎助金。

華盛頓大學地震學家維達爾(John Vidale)率領這個研究團隊,他表示,「這項實驗成果將前所未見」。

透過各個感應器偵測到的震波,研究團隊能分析標示出震源,就像人耳可辨認聲音自哪個方向而來。

微震起源一直引起激烈論辯,日本地震學家觀察到,微震來自於板塊碰撞平面,這些隱沒斷層界邊會引發強震;但卡斯卡迪亞地區的訊號顯示,某些震動可能來自於斷層面之上。

深層來源

若瞭解震源位置,有助研究員認識地震成形之因,地震源於地底數十公里處,因為冰冷地殼進入較溫暖的地幔,上層岩石因為壓力而破碎,引發地震,而進入地幔的地殼則因高溫彎曲,微震則似乎是因為地殼本來較為溫暖,故潛沒時,岩石出現延展性所致。

最近發表的研究中,有助於解釋日本地底發生的微震,東京大學地震學家井出哲(Satoshi Ide)認為,四國島地底的微震是受潛沒帶岩石種類左右,他發現部分微震地點與潛沒板塊過去一千萬年移動方向相符,他亦假設這些記錄能夠追蹤海底山脈的方向。

若假設屬實,海底山脈便有兩種方式能影響微震,地殼沒入地幔時,海底山脈可能卡在上層,偶爾引發震動,或是因為海底山脈的化學成分,讓它們變成地殼的潤滑劑,也讓原本應發生的重大災難輕輕帶過。

貝羅薩認為井出的研究成果只是初步,但非常重要,可能揭露數百萬年來,在斷層帶影響微震一再發生的主要原因,卡斯卡迪亞的微震或許也反映出潛沒帶岩塊特性。

研究人員如今試圖瞭解,在什麼情況下會發生微震,而不是發生重大地震,他們使用歷來多項實驗,分析岩石的摩擦力、孔隙及其他特性在壓力下有何變化,這些研究將有助於發現控制斷層移動的變數。

地震線索

科學家也很好奇,在同一斷層帶上的微震與大地震有何關係,美日兩地微震都與產生大地震的潛沒板塊位置相近,且微震震源似乎比大地震可能震央更深層。

華盛頓大學地球物理學家宮伯格(Joan Gomberg)表示,研究人員在尋找微震模式變化,試圖發現斷層壓力變化的跡象,若其中出現關聯性,地震學家即可監測微震,以找到大地震發生的前兆,目前還沒有很確切的證據,加州曾有微震與規模二的地震同時發生,但尚未證實兩者的直接關係。

小原教授打算加裝監控系統,以收集更多日本地震的微震資訊,美國研究團隊則已在卡斯卡迪亞等候微震發生。

華盛頓大學地震學家克里格(Ken Creager)表示,這些微震有大概的規律,但不準確,去年錯過機會令人失望,但今年他們有信心可以抓住稍縱即逝的機會。
【知識通訊評論月刊九十四期】2010.8.01

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