地震预测行不行：地震前兆研究
地震灾害真的这么可怕吗?综观 1900 年以来天然灾害事件的死亡人数排名，第一名的确不是地震灾害（根据统计资料，目前死亡人数最多的是发生在 1931 年的江准水灾，造成约莫 200 万人死亡）。但以前十名来说，地震灾害就占了一半了，分别是：2010 海地地震 31 万人、2004 年印度洋大地震 30 万人（南亚大海啸）、1920 年海原大地震 27 万人、1976 年唐山大地震 24 万人以及 1923 年关东大地震 14 万人。
二十世纪以来前十名的自然灾害死亡人数，其中地震灾害就占了一半。 图/envato
这说明了地震灾害对人类社会有一定的致命性。它没办法像台风、豪大雨可以发布透过天气预报，也不像土石流、火山爆发有明确的指标能提早预警，做出相对应的防灾措施。以目前的科技来说，地震发生到具有强大破坏性的 S 波到达，只有短短几秒的预警时间。虽然地震测报技术比起十几年前大有进步，距离理想的防灾机制还有一大段路要走。
这也是为什么地震预测对我们来说这么重要。如果真的能做到像天气预报一样，我们就有更充裕的时间针对震灾做出对应的防灾动作。这篇文章统整了地震前兆相关研究及背后可能的物理机制，让我们来认识什么是地震前兆吧!
地震前兆的线索：地震发生的物理机制对应的可能现象
地震发生前会有什么现象呢?首先要探讨地震发生的原因及过程。撇除火山爆发、陨石撞击、人为活动⋯⋯等因素，世界上多数地震都是由断层错动产生的。
因为地球板块无时无刻都在运动，当一个区域基于一些因素而锁定，地层就会持续的累积应力。某处发生形变、岩石产生破裂，而使地层回弹，就是地震发生的物理过程。
在这个假设下，地震要发生前必须要有应力累积，这就是地震前兆的第一个突破口。如果我们能观察、监测到异常的应力变化，或许我们就能推测地震什么时候可能发生。
当然，应力毕竟是一种能量，我们需要藉由其他方式去观测、计算。像是在应力持续增加下，岩层中的裂隙可能会越来越多、孔隙率可能也会改变，以至于深层的流体往上跑，让地下水或土壤成分发生变化;又或者因为应力改变造成岩石的磁感率发生变化，进而导致大地磁场、电场，甚至是电离层的电子浓度发生改变。
接下来我们就来讨论地震前兆研究中，几种相对直观的前兆讯号：地壳异常形变、地下水改变、小地震增加。
大地测量
大地应力的来源大多是板块移动，换句话说，监测地表位移就是检验大地应力结构的方法之一。
最直接的测量方法就是在出露的断层两侧加上应变计（应力计）、潜变计⋯⋯等测量仪器，像是在大坡国小里就能看到装在池上断层两侧的潜变计。日本地震学家坪川家恒曾经提出的“地壳异常持续天数”与“下一个可能发生的地震规模”的关系式。
随着科技的进步，遥测技术也应用在大地位移场的监测。一部分的科学家把注意力放在遥测资料上，它可以更大范围了解整体地块移动情况，克服难以部署设备的困境，像是 GNSS、InSAR⋯⋯等方法，不过它们的缺点就是解析度有限。
地下水监测
有时候深部的变化没办法直接反映在地表形变，这时我们就需要参考其他数据。地下水就是一个不错的方式，主要可以分成两个指标：地下水位变化、地下水成分变化。
后者比较好理解，一开始我们提到，在地震发生前应力累积的时期，地层可能已经出现许多裂隙，而深部的气体就可以沿着这些通道往地面移动。如果遇到地下水层，气体就会进入地下水，造成地下水组成的变化。
最常使用的目标气体就是氡气（Rn），它在空气的组成非常稀少，主要存在地球内部。所以当地下水监测到异常的氡气含量，我们就会推测可能有什么原因造成地球内部气体往地表扩散。1966 年的苏联，就有科学家在加尔姆地区的地下水井中观测到氡气异常，进而预测接下来发生的塔什干地震。
而地下水井的水位变化，地震发生前累积应力导致地层产生应变，可能会使地层产生微小的裂隙，改变地层的孔隙率及渗透率，而造成地下水位高度变化。921 集集地震前，车笼埔断层附近地下水井的地下水位出现明显升降的变化。然而除了地震可能影响地下水位变化外，包括降雨、大气压力、潮汐甚至人为抽水等其他因素都会影响地下水井的水位变化，因此地下水前兆研究尚有重重难关，还需要更多的观测及研究。
异常的微震数量
在应力累积的阶段，断层上小小的破裂也会产生地震，这些破裂可能随着应力累积而持续增加，地震数量也会增加直到主震发生。在中国海城地震发生前，就曾经观测到微震的数量突然增加。
至于地震前应力会在哪里累积?目前还没有一个准确的答案，可能就在震源附近，或是完全没有预期的遥远区域!科学家们也在研究其中的可能。
在地震发生前，应力会在哪里累积?目前科学家们还没有一个准确的答案。 图/envato
从有形到无形：从大地电场及大地磁场看地震前兆
应力改变可能还会影响到什么呢?除了在压力表现之外，同时也可能改变岩石的磁感率。这时我们就有机会藉由观测大地电场及磁场的改变，寻找地震前兆的线索。
可以想象地球就像一个巨大的发电机，时时刻刻都在产生电磁场，而这些原生电磁场会在地下岩层产生或大或小的涡电流，进而产生次生电磁场穿出地表。
如果地下岩石的物理性质改变，次生电磁场也会发生异常的变化，进而造成大地电磁场异常。而另一个理论是，当岩石破裂会产生电流，伴随强大的电磁场。
像是中央大学的研究团队，就曾经在美浓大地震前，观测到震央周围数个测站出现异常的电讯号，为地震前兆研究注入了一剂强心针。虽然以目前的技术及知识，没办法在每次大地震前都观测到电场异常，但它确实是一个有利的研究方向!
太空也有地震前兆?跳脱地圈的电离层观测
扩大来看，电磁场异常还会影响远在太空中的电离层。在四川大地震前也曾经观测到四川地区上空的电离层浓度明显减少。
为什么会影响电离层呢?目前学界有非常多相关物理模型，像是岩层可能具有压电特性，受到压力就会释放出正电，形成涡电流影响电离层;或是当岩石破裂产生的电流影响电磁场，使电离层中的电浆温度升高、体积膨胀而导致电浆粒子减少浓度降低。不过相关的理论及研究尚未成熟，其中还有许多限制及假设。
地震前兆的其他可能性：从地球科学推演到更广的科学层面
当然有人会问：“以前听过动物行为异常也代表有大地震发生，难道动物行为不能当作地震前兆吗?”
现在科学家也没办法给出明确的答案，因为动物的行为机制太复杂了!可能某些物种能捕捉到人类无法发现的前兆，但现在阶段我们真的不能确认，今天冬眠的蛇大量跑出洞穴，是因为有地震要发生?还是有其他环境因子?或者它们只是心情不好想要透气而已?
这些可能的方法，需要靠更多跨领域科学家们合力研究，将可能的原因及现象一一分析，未来十年、二十年后，或许地震前兆研究可以更完整、更多元。
地震前兆的困境与展望
回到现实层面，既然有这么多地震前兆研究方法，为什么地震预测到现在还没有像天气预报这么成熟的系统呢?
为什么有这么多理论，我们到现在仍无法预测地震呢? 图/envato
虽然理论看起来可行，实际上会遇到许多困难：
1. 地层结构比想象中的还要复杂，增加许多不确定性。
地层是非均匀的。理论上我们会形容底下的地层被锁定、在累积应力，但现实上，是有些地方被锁定、有些地方已经破裂、有些地方呈现韧性的稳定滑移⋯⋯。理论指出的现象没办法稳定且显着的发生，因为存在太多变数了!
2. 一百条断层有超过一百个可能的物理模式。
不同地方一定存在差异，何况同一条断层也可能因时间推移产生改变。之前就有学者尝试计算断层的活动周期，但结果不如预期。当时算出的地震发生周期，就在下一次地震时，又脱离了原本的周期。这也说明了断层活动不只具有空间变异性，也同时具有时间的变异性。
为了突破这个困境，不同领域都在努力精进。相信有朝一日人类能准确地预测地震，这是灾防的一大突破，也代表更了解我们所在的地球!
发表你的评论吧返回顶部
!评论内容需包含中文