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更新日期:108年4月12日

由集集地震探索岩石圈強度的時空演化 揭露臺灣造山帶下部地殼的流變學行為

九二一集集大地震是臺灣歷史上最嚴重的自然災害之一,曾在一夜之間奪走數千條寶貴的生命,更造成後續高達數千億元的經濟損失。因其對社會的衝擊甚鉅,集集地震長期以來一直是地球科學界投入大量人力與物力的研究焦點,期望對地震孕震過程有更多了解及認識,能夠在未來達到地震防災與減災的目的。

岩石圈強度及其隨時間的演化在地震災害風險評估中是一個重要的指標參數。然而,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,使得了解岩石在自然環境及地質時間尺度下的受力變形行為一直是一大挑戰。

為了探索臺灣造山帶岩石圈強度的時空演化過程,中央研究院、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組成國際研究團隊,開發新的演算方法,並透過集集地震震後長達十年以上由全球衛星觀測定位系統(GPS)量測的地表位移時間序列,解析臺灣造山帶下部地殼變形特性。研究發現下部地殼的岩石在受力變形時,應力和應變速率呈現非線性關係,有別於過去所認為的線性關係;暗示岩石的強弱在地質時間尺度上有橫跨好幾個數量級的變化,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。

大地震過後,地殼會經歷一段暫態變形,其時間長短因地震而異,一般可以持續數年至數十年不等,我們稱之為「震後變形」。震後變形的成因包含地震過後斷層上的持續滑移及地殼深處受同震應力所觸發的塑性變形。透過臺灣高精度的全球衛星導航系統觀測網,集集地震過後大量且長期的震後地表位移被完整記錄,幫助我們深入剖析臺灣造山帶下部地殼的變形特質。

在過去傳統的震後變形研究,岩石圈內應力與應變速率之間的關係通常被認為呈線性相關。然而,包括在美國加州、蘇門答臘、日本以及智利,隨著越趨完整的觀測資料,越來越多的證據顯示應力與應變速率之間的比值隨時間並非一恆定值。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變形來解釋。取而代之的是,集集地震的震後變形很有可能涉及地殼的暫態蠕變行為,以及後續的非線性變形。這樣的結果顯示,地殼內部的塑性變形是由礦物晶體的錯位攀移所控制的運動,這種變形容易在地殼中產生許多小裂縫,並使得礦物結晶朝著特定方向排列,而這樣的變形特徵和地震學觀測資料不謀而合。

除此之外,結合實驗室岩石試驗測量到的岩石蠕變參數,研究團隊估算由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。這個發現說明,雖然實驗室環境與大自然之間在時間與空間尺度存在巨大的落差,岩石的流變特性似乎並沒有因為尺度差異產生大幅度的偏差。此研究表明大地測量資料有可能彌合實驗室以及岩石圈時空尺度之間的差異,用來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做為未來地球動力學建立模型的參考依據,為地震孕震過程及臺灣造山運動提供新的見解與思維。

這項研究由臺大地質系博士生唐啓賢(同時為中研院地球所研發替代役)、中研院地球所許雅儒研究員(同時為臺大地質系合聘教授)、美國南加州大學地球科學系Sylvain Barbot助理教授、新加坡南洋理工大學地球觀測中心James D. P. Moore博士以及中央大學地球科學系張午龍副教授共同完成,並於2019年2月27日發表於美國科學發展協會下的頂尖學術期刊《科學前緣》(Science Advances)。

  • 建於南投七彩湖的GPS衛星觀測站

    建於南投七彩湖的GPS衛星觀測站

  • 臺灣造山帶下部地殼黏滯係數在集集地震後的時空演化。

    臺灣造山帶下部地殼黏滯係數在集集地震後的時空演化。(A to C) 空間分佈。(D and E) 時間分佈。(F and G) 黏滯係數與應變的關係。

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