國科會921地震重大科學成果-全世界首次觀測到水壓誘發地震的機制台灣團隊研究成果榮登「科學《Science》」期刊

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地震是如何發生?一直是科學家想解開之謎。在行政院國科會長期經費支持下,中央大學地球科學系馬國鳳教授團隊研究921大地震之後,車籠埔斷層帶各種微小地震,經過井下地震儀長期追蹤,於全世界率先觀測到水壓誘發地震的機制;同時提供了二氧化碳封存地底下,可能誘發地震的風險評估。這項重大科學成果由台灣研究團隊一手主導,文章刊登在最新一期(2012年7月27日)《科學》Science期刊。 這是馬國鳳教授與跨國團隊2006年研究921地震成果登上《自然》Nature期刊之後,又再次受到《科學》Science之肯定,證明台灣研究團隊的實力,也提供了人類在地震研究上重要進程,作出科學貢獻。 水壓誘發地震 全球首例觀測資料 馬國鳳教授表示,地震是如何開始的?是地震學的重要課題,以往水壓誘發地震的假設很多,但卻沒有實際的觀測資料可佐證。此次透過非常微小的地震(如0或-1.5規模)觀測,發現地底下的裂隙(crack)與水壓的變化有很大關連性,證明了「地震的發生與水的流動有關」,這是全世界第一次找到準確而直接的證據。 地震的發生多由斷層錯動所形成,因此含有許多剪切力的分量。在2006年台灣所領導的國際型台灣車籠埔斷層深鑽計畫(Taiwan Chelungpu-fault Drilling Project, TCDP),成功的鑽過1999年集集地震的主要滑移帶之 (Ma et al., Nature, 2006),在車籠埔斷層帶設置跨過斷層的七層垂直井下地震儀陣列(深度從約950公尺至1300公尺,約每50公尺一地震儀)。此井下地震儀陣列為世界上最接近活動斷層帶的監測儀器。在持續多年的觀測中,研究團隊觀測到一般地震紀錄尚未觀測到的均向地震事件,此均向地震事件暗示此地震的發生與斷層的剪切錯動無關,而是由類似水力破壞力學的誘發有關。而此水力破壞力學的發生主要是在集集地震之後,主要滑移帶斷層泥的組成顆粒嚴密,因此具有非常低的滲透力。而在此滑移帶下方,為含水量相當高且滲透力高的桂竹林層。此岩層中的水在流動過程中,因主要滑移帶斷層泥的低滲透層,阻擋了水的通過造成了液壓的增加,此增加的應力與集集地震發生後在車籠埔斷層北段的低應力狀態結合,激發了此均向性地震事件。 能有這項重大科學突破,馬國鳳認為,與台灣車籠埔斷層的特殊地理條件有關。能在斷層帶上方擺放井下地震儀,是全世界罕見的科學實驗,以致能非常幸運地 「直接」觀測到重要訊號;其次,是她堅持「要看別人看不到的東西」的科學信念,博士班學生林彥宇整整看了一年的訊號,意外發現「只有P波,沒有S波」的特殊訊號,在嚴謹的科學驗證下,終於找到了地震誘發的物理機制。 此計畫為台灣自行主導及執行的計畫,能獲科學期刊(Science)的登載,表示國內的研究能量,受國際重視,並能主導前端性的科學議題及研究。這篇文章,不僅在基礎科學上有所貢獻,更有科學應用的層面。當前為解決全球暖化溫室氣體問題,興起二氣化碳封存技術,就是把空氣中太多的二氧化碳注入地底下,但安全風險評估一直付之闕如。馬國鳳表示,二氣化碳灌入地下,透過井下地震儀的偵測,可了解其活動行為,減少二氣化碳封存的風險,達到環境影響評估。 文章醞釀三年 二個月被接受  科學,自來恆久的堅持。2006年「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」告一段落,馬國鳳的研究並未因此而結束。她想要了解大地震發生之後,斷層是如何恢復原狀,因此在台中大坑深鑽的兩口井當中,於地下950公尺和1300公尺處擺七層的井下地震儀,目的就是要持續追蹤的車籠埔斷層的發展。 她說,關於地震誘發相關研究在心中已醞釀三年,去年八月赴美訪問,在沒有準備之下,臨時受邀給了一場演講,沒想到受了許多正面的回應。但十二月參加AGU(American Geophysical Union)國際年會,意外發現一位國外知名學者的研究題目竟然與她很相似,頓時又讓她心情跌到谷底。當下,她只能自我安慰說,「自己動作慢,就不該嫌別人動作快」,為科學而科學,何必如此得失心呢? 返國之後,她決定加快腳步,今年四月完成論文之後,投稿到《科學》期刊,一個月後,在她正要搭直昇機上日本「地球號」海洋研究船,因天候不佳,直昇機延後起飛。就在此時,她在旅館收到《科學》期刊編輯來信,了解文章有被接受的可能。上了海洋船之後,她在不受干擾的情形下,於海上完成相關問題回應,短短兩個月於6月5日文章即被接受。 文章的第二和第三作者林彥宇和李憲忠,是馬國鳳教授目前及以前指導的中央大學博士班學生。馬國鳳認為,研究能受到國際肯定,來自中大誠樸的治學態度,非常務實而嚴謹去觀測每一項訊號,再透過三維地震波程式分析,總算辛苦沒有白費,有令人欣慰的成果。而文章第四及第五作者,為自2004年TCDP深鑽執行以來即合作的日本及美國學者,在井下地震訊號的觀測中,持續與其討論及驗證,使得研究成果更完整。而本研究計畫亦誠摯的感謝中央大學地科院院長王乾盈在井場的維護及觀測的各種野外協助,使得本研究野外觀測得以持續的進行。 《Science》。原文請見“Isotropic Events Observed with a Borehole Array in the Chelungpu Fault Zone, Taiwan”
Last Modified: 2015/05/22