臺灣位處於歐亞板塊與菲律賓海板塊的碰撞聚合帶上,菲律賓海板塊每年以 8cm 的速率向歐亞板塊聚合,臺灣島的造山活動持續進行,使得臺灣島地殼變動劇烈,活動斷層遍布且地震活動頻繁。過去百年來,臺灣曾發生過多次重大地震災害,其中特別是1999年沿著車籠埔斷層所發生之ML7.3的集集大地震,這不僅直接奪走了二千多條寶貴生命,並造成數萬人無家可歸。地震是破壞性極大的地質災害,若能在地震來臨之前有所準備,則可望把災害減到最輕。

觀測斷層活動與地震的方法中,地球化學變化常有機會可觀察到明顯的的變化。在地震孕育的過程中,地下流體的化學性質會發生異常改變,而這種現象的成因主要是因為地下流體與圍岩間或鄰近流體的交互作用,受地震及構造應力的影響,使得被地下流體性質在短時間內發生明顯變化。

地震學者經過長期的觀察研究,歸納得知地震發生可能的五個階段為:(1)板塊擠壓,地殼累積彈性應變;(2)地層發生膨脹和發展微裂隙;(3)斷層帶上有流體侵入和變形;(4)發生地震;(5)餘震後地殼應力突然陡降(Bolt, 1999)。一般而言,在前三個步驟的地震孕育期中,地殼或多或少可能會有一些徵兆的發生,若能對這些前兆的發生有所了解及掌握,則對於地震的即將發生,可能會有所知曉。而在地震孕育發展過程中,其中與斷層地震活動性最有關、影響流體變化最顯著的,就是前述提到的第二階段與第三階段,故有機會在地震發生之前獲得流體性質的前兆變化。例如Sano等人發現不同地下含水層的流體成分及氦同位素於1995年日本發生的神戶地震(M=7.2)前後出現明顯的改變,推論流體成分異常變化是由於岩層內的應力在主震發生前已相當集中,高應力環境下,含水層內的圍岩產生大量微裂隙,脫氣並釋放封存的流體,形成趨勢一致的異常變化(Sano et al., 1998)。

此外,利用地球化學中稀有氣體的特性,可偵測地表下活動斷層的分佈,因為源於地殼深處與近地表處的氣體組成截然不同,在斷層或破裂帶經過的地方,會形成氣體通道,使氡氣、氦氣、氫氣、二氧化碳與甲烷等揮發性氣體沿著此通道向上遷移逸散,而在近地表處富集而顯示異常高濃度值。利用此原理可判斷該處是否有斷層抑或破裂帶通過,也可用來判定斷層的走向和位置(Fu et al., 2005)。因此,若於活斷層上合適的位置設置氣體觀測站,則有較敏感的成份變化,且經常與地震活動有明顯關連。臺灣地震活動非常頻繁,因此扮演著推手的角色,使地底下的氣體沿著通道不斷的逸散上來,故在斷層、地震活動之前後,常有機會觀察到氣體組成份地變化,可作為地震活動的前兆指標。我們根據過去累積超過十年以上的觀測結果,建立了地球化學短期臨震之地震前兆工作假說,有機會對於較大規模之地震事件評估其可能發生的震央地點、地震規模與時間範圍(Fu et al., 2017a, 2017b; Fu and Lee et al., 2018)。

地殼的岩石承受著不同程度的應力作用,其中包括張力、壓力及剪力。在地震發生前,地殼受到的應力會隨著時間而逐漸升高,並於地震發生後釋放累積的壓力。美國航空暨太空總署科學家利用花崗岩塊在實驗室模擬出地殼的岩石受到強大應力時會產生電流變化,而岩石擠壓產生的電流會流出地震斷層區域的表面,有機會通過大氣層進入電離層(Freund, 2000)。根據這些觀察,近十年科學家提出了岩石圈-大氣圈-電離層的耦合模型,用以研究地震前地殼擠壓所產生電荷對電離層變化的影響,並嘗試透過此耦合模式進行地震前兆研究(Kuo et al., 2014,圖一),期望在大地震發生前,分別從岩石圈、大氣圈至電離層觀察到相對應的異常前兆變化。

圖一:地震發生之岩石圈-大氣圈-電離層耦合機制示意圖。

長波輻射(Outgoing Longwave Radiation, OLR)則是大氣圈的其中一種觀測手段,是地球以電磁輻射的形式發出的能量從大氣中傳到太空,能夠反映地表和大氣層之間其大氣系統的輻射能量變化,對於地表溫度、大氣溫度、水氣和雲量等的影響敏感。自1980年代以來,就已經開始使用衛星技術對地震活躍區域進行監測來分析熱異常現象,發現在地震發生的數月至數天之前,於震央附近經常會出現異常輻射熱點的前兆現象(Gorny et al., 1988),故透過此方法可望對於大氣層進行地震前兆的觀測。截至目前與地震有關的熱異常主要形成機制,其原因尚不清楚,有研究指出可能是由於岩層破裂使氡氣洩露出來,因為氡氣具有輻射性,會游離化大氣分子而產生正、負離子而吸收水氣,之後釋放出凝結熱,使得溫度升高(Ouzounov et al., 2007);經由實驗發現,擠壓的岩石會產生正電洞,正電洞和表面的岩石再結合會釋放熱量及熱紅外輻射(Freund, 2011);以及震前岩層擠壓,從岩石圈產生的電流經過大氣層到達電離層,在大氣中會產生焦耳熱,而導致熱異常(Kuo et al., 2015)。

Fu et al. (2020)利用美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA))的繞極軌道衛星NOAA18所搭載之極精密高解析輻射儀(Advanced Very-High-Resolution Radiometer, AVHRR)獲取OLR資料(空間解析度為1°x 1°),有系統地分析臺灣地區2009-2019年規模大於六之地震事件,以評估利用OLR進行臺灣地震前兆監測的可能性。該研究的資料分析方法採用渦度法,來反映目標位置相對於其周遭的變化情形,為了突顯OLR異常的變化強度,EIndex用來代表最大的OLR變化值(詳細相關計算流程請參考Fu et al. (2020))。35起規模大於六的地震事件中,有24起地震在震前於震央附近觀察到POEA(當Eindex發超過訂定的異常門檻值(≥2)則判斷為顯著OLR Eindex anomaly (EA),當EA於4天內出現超過3次(含)以上,則判斷為地震前兆異常並稱之為Preearthquake OLR EIndex anomaly, POEA),並發現Daytime和Nighttime的 Eindex anomaly主要出現在震前2-15天之間且集中在震前的5-10天,而震後明顯較少,意味著當OLR觀測到連續的OLR Eindex anomaly時,有機會於地震發生前提出時間與震央的預警。

近廿年來,科學家利用地面雷達與衛星所觀測到的電離層資料,記錄了大地震發生前電離層的電漿密度,有明顯的增加或減少,發現這些電離層變化與地震活動存在著關聯性(Liu et al., 2000)。1999年集集地震以來,電離層全電子含量(Total Electron Content, TEC)就被科學家們用於地震前兆研究(Liu et al., 2001)。2008年汶川地震後,科學家更進一步利用全球電離層全電子含量(Global Ionospheric Map, GIM)分析該地震期間TEC之空間與時間變化,確認電離層相關之地震前兆(Liu et al., 2009)。

以目前的科學方法,很難達到準確的預測地震,而岩石圈-大氣圈-電離層耦合模型提出了一理論模式,意味著若能同時結合其他觀測方法共同進行監測,並採用雞尾酒療法的概念進行雞尾酒式前兆(Cocktail Precursors)監測,有些單一前兆對地震發生時間較為敏銳,有些對空間較為有效,有些能對地震規模提供判斷,利用多項的地震前兆變化,來推估可能的發生時間、位置與規模大小(圖二)。

圖二:利用多項觀測的雞尾酒式前兆,來推估地震發生前可能之時間、位置和規模,期望提高地震前兆之可能性。

例如2016年2月6日發生在臺灣南部的美濃地震(最大規模達6.6),南部的古坑、中崙和屏東地球化學土壤氡氣觀測站、嘉義中正伽瑪射線觀測站,於地震發生2星期前同步出現顯著異常增加的變化;而長波輻射與電離層全電子含量也在其隨後於震央附近陸續出現明顯的異常 (Fu et al., 2021,圖三),由於在短時間內,多觀測項目均同時或持續出現明顯的異常變化,視為地震前兆訊號的可信度就大幅度提高。

圖三: 2016年2月6日美濃地震之前兆變化(Fu et al., 2021)。

臺灣的地震前兆相關研究相較於歐美日等國家起步略晚,三十多年前中央研究院地球科學研究開始進行了氡氣﹑重力與磁力變化的地震前兆觀測,後來國內數個研究機構與大學,也陸續展開了各種研究方法,努力累積資料,整理與分析,嘗試尋找臺灣地區地震發生之前兆和動因,這些方法大體上可歸納如下:
1. 地震學方法:本法係對過去某時期在某地區所發生之地震資料作統計分析,以估計將來可能發生於該地區之地震。如地震空白帶、震央轉移、剪力波分離、b值及古地震事件等,屬於長、中期前兆的可能異常。
2. 地球物理方法:利用儀器監測地殼應力增加及產生的變形時所衍生的地球物理異常現象。如地震波速、重力、磁力、地電、電離層、GPS、精密水準及大地測量等,屬於短、中期前兆的可能異常。
3. 地球化學方法:利用儀器監測地殼裂隙增加時,土壤或地下水的化學成份或性質會產生變化,如土壤與地下水氡氣或其他氣體含量與同位素、地下水流體的酸鹼度、氧化還原電位、溫度、導電度等,屬於短、中期前兆的可能異常。
經過科學家多年的努力,臺灣的地震前兆研究已經獲得不少結果,主要仍屬地震後的前兆探討,目前仍尚未進展到地震前的預測。一般認為較可信賴之地震前兆,必須同時仰賴多項觀測結果方有機會達成,故透過整合臺灣多項觀測的雞尾酒式前兆研究,是提升未來地震前兆可能應用性的重要工作,有助於提升國內地震防災之能力。

參考文獻:

  • Bolt, B.A. (1999), Earthquakes, W.H. Freeman, New York, 1999.
  • Freund, F. (2000). Time-resolved study of charge generation and propagation in igneous rocks, J. Geophys. Res., 105, 11001-11020.
  • Freund, F., (2011). Pre-earthquake signals: Underlying physical processes. J. Asian Earth Sci., 41, 383-400.
  • Fu, C.C., and Lee, L.C. (2018). Continuous monitoring of fluid and gas geochemistry for seismic study in Taiwan. AGU BOOK: Pre-Earthquake Processes, Chap11, 197-218, 2018.
  • Fu, C.C., Yang, T.F., Walia, V., Chen, C.H., (2005). Reconnaissance of soil gas composition over the buried fault and fracture zone in southern Taiwan. Geochem. J., 39, 427-439.
  • Fu, C.C., Walia, V., Yang, T.F., Lee, L.C., Liu, T.K., Chen, C.H., Kumar, A., Lai, T.H., and Wen, K.L., (2017). Preseismic anomalies in soil-gas radon associated with 2016 M6.6 Meinong earthquake, Southern Taiwan. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 28(5), 787-798.
  • Fu, C.C., Yang, T.F., Chen, C.H., Lee, L.C., Wu, Y.M., Liu, T.K., Walia, V., Kumar, A., and Lai, T.H., (2017). Spatial and temporal anomalies of soil gas in northern Taiwan and its tectonic and seismic implications. J. Asian Earth Sci., 149, 64-77.
  • Fu, C.C., Lee, L.C., Ouzounov, D., and Jan, J.C., (2020). Earth’s outgoing longwave radiation variability prior to M ≥ 6.0 earthquakes in the Taiwan area during 2009-2019. Front. Earth Sci., 8:364.
  • Fu, C.C., Lee, L.C., Lin, C.H., and Jhuang, H.K., (2021) Integrating pre-earthquake signatures in multi-component observations and its possible mechanism. (submitted)
  • Gorny, V.I., Salman, A.G., Tronin, A.A., and Shilin, B.B., (1988). The Earth outgoing IR radiation as an indicator of seismic activity. Proc. Acad. Sci. USSR 301, 67-69.
  • Kuo, C.L., Lee, L.C., and Huba, J.D., (2014). An improved coupling model for the lithosphere-atmosphere-ionosphere system. J. Geophys. Res. Space Physics, 119, doi:10.1002/2013JA019392
  • Kuo, C.L., Lee, L.C., and Heki, K., (2015). Preseismic TEC changes for Tohoku-Oki earthquake: Comparisons between simulations and observations. Terr. Atmos. Ocean. Sci., 26, 63-72.
  • Liu, J.Y., Chen, Y.I., Pulinets, S.A., Tsai, Y.B., Chuo, Y.J. (2000). Seismo‐ionospheric signatures prior to M ≥ 6.0 Taiwan earthquakes. Geophys. Res. Lett. 27, 3113–3116. doi:10.1029/2000GL011395
  • Liu, J.Y., Chen, Y.I., Chuo, Y.J., Tsai, H.F. (2001). Variations of ionospheric total electron content during the Chi‐Chi earthquake. Geophys. Res. Lett. 28, 1383-1386. doi:10.1029/2000GL012511
  • Liu, J.Y., Chen, Y.I., Chen, C.H., Liu, C.Y., Chen, C.Y., Nishihashi, M., Li, J.Z., Xia, Y.Q., Oyama, K.I., Hattori, K., and Lin, C.H., (2009). Seismoionospheric GPS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008 Mw7.9 Wenchuan earthquak., J Geophys. Res., 114(A4), doi:doi:10.1029/2008JA013698.
  • Ouzounov, D., Liu, D., Kang, C.L., Cervone, G., Kafatos, M., and Taylor, P., (2007). Outgoing long wave radiation variability from IR satellite data prior to major earthquakes. Tectonophysics, 431 211-220.
  • Sano, Y., Takahata, N., Igarashi, G., Koizumi, N., Sturchio, N.C., (1998). Helium degassing related to the Kobe earthquake. Chem. Geol. 150(1), p171-179.