地殼變形與地牛翻身之間存在緊密的關聯。九二一大地震迄今已十九年,為了解地震孕震過程、評估地震災害風險,包括本院在內的許多研究機構,在全臺佈設密集且連續的全球衛星觀測定位系統(GPS),長期監測地殼變形行為。本院地球科學研究所許雅儒研究員帶領的研究團隊,率先透過衛星資料,解析集集地震後地殼岩石強度的時空變化。

由於臺灣造山運動仍是現在進行式,本研究以衛星資料直接探測造山帶岩石圈流變特性,也是全球首例。研究成果已於今(108)年2月27日刊登於美國科學發展協會下的學術期刊《科學前緣》(Science Advances)

 

地震與地殼變形息息相關

許雅儒解釋,地殼岩石變形的速率,與地震周期應力 累積的過程息息相關。地震前斷層帶淺部通常呈現鎖定狀態,隨著溫度升高,斷層帶深部的岩石的變形特徵,轉為塑性變形。受到深部岩石變形影響,斷層帶淺層持續累積應力,承受不住時斷層便破裂而引發地震。

 

本院地球所研究員許雅儒

 

許雅儒研究團隊發現,集集地震後十數年的觀測資料無法由單一的線性來解釋地殼岩石變形。取而代之的是,應力和應變之變形速率呈非線性關係;並且很有可能涉及地殼因短期受力後產生的暫態變形,以及後續的非線性變形。此結果暗示著岩石的強弱在地質時間尺度上有顯著的變化,而大地震過後短期內大量及快速的變形對臺灣造山運動亦有顯著的貢獻。

九二一集集大地震後,為了解地震孕震過程,以達到地震防災與減災的目的,全臺迄今遍布超過四百座的全球導航衛星觀測站,集集地震成為世界上被最完整紀錄的地震之一,大量且長期的觀測資料也為本研究提供了高度的時間與空間解析度。

許雅儒指出,岩石圈的強度受到如應力、岩石組成、結晶粒徑、含水量、岩壓與溫度等諸多物理條件的控制,了解岩石在自然環境下的受力變形行為一直是一大挑戰。本研究有賴於GPS衛星資料,係透過衞星量測地表測站的座標,經由測站座標隨時間的變化計算地表震後位移量,推測地底斷層與岩石的變形,直接解析集集地震後岩石圈強度的時空演化。

 

衛星資料彌合實驗室與大自然之間的差異

許研究員團隊與臺灣大學、中央大學、新加坡南洋理工大學及美國南加州大學合作,結合衛星量測的地表位移量,開發演算方法來計算地殼應變分布。為了解臺灣造山帶的變形,另外也採用實驗室岩石試驗測量到的岩石參數計算地溫梯度。許雅儒指出,這對於研究臺灣山脈隆升的歷程十分重要,從臺灣西部平原到中央山脈的地溫梯度,大致由20°C/km向東遞增為30°C/km,與過去利用地質與地球物理方法所推算的數值相去不遠。

這項發現也說明,雖然實驗室環境與大自然之間在時間與空間尺度上存在巨大的落差,岩石的流變特性似乎並沒有因為尺度差異的影響,而產生大幅度的偏差。換言之,大地測量資料有可能彌合實驗室以及岩石圈尺度之間的差異,未來可研究地殼流變學和大地構造的演化過程,進而估算合適的物理參數以建立模型,作為地球動力學研究的參考依據,為地震孕震過程及臺灣造山運動提供新的見解與思維。

本研究由本院及科技部長期支持,團隊成員包括本院地球所許雅儒研究員、第一作者臺大地質所博士生(兼本院研發替代役)唐啓賢、美國南加州大學Sylvain Barbot教授、新加坡南洋理工大學地球觀測中心(EOS)James D. P. Moore博士 、中央大學地科系張午龍教授,論文名稱「利用集集地震探討臺灣造山帶之下部地殼流變性質及地溫梯度」及完整文章連結:
http://advances.sciencemag.org/content/5/2/eaav3287?fbclid=IwAR2ScZ6TtfUQ7p4-MJEzLIrrKbLm8BZJSh9pMsP2NTPbGXHpxQ4P0_aO9K8

 

 

左至右為科技部自然司郭箐副司長、林聰敏司長、本院地球所許雅儒研究員、第一作者臺大地質所博士生唐啟賢、本院地球科學研究所鍾孫霖所長

 

建於新北市汐止區的GPS衛星觀測站(本院地球所許雅儒研究員提供)

 

(文/地球所;照片:資訊處)