專業 物理

群魔亂舞的地震群,我該害怕嗎?

Print Friendly and PDF
撰文者:彭葦博士 陳卉瑄教授 台灣師大地球科學系
發文日期:2021-10-31
點閱次數:499

  • 花蓮的壽豐鄉,近幾年常有頻繁發生的地震群,搞得人心惶惶。一群有感地震好似群魔亂舞般,數天甚至數十天都不停歇。這些群震,代表什麼? 


    ㄧ、主餘震與群震序列大不同

    空間時間高度集中的地震群,有兩種型態,一種是主餘震序列,一種為群震序列。主餘震序列:規模最大的「老大哥」稱為主震,他率先發生,其後的跟隨者(餘震)通常隨著離主震的時間越遠,越來越少,如圖一a所示。餘震的衰減方式稱為Omori-Utsu 定律 (Utsu, 1995),可以由以下式子描述:

     
    截圖 2021-11-02 上午9.51.52(式一)
     
    n(t) 為離主震第t天的地震數量,t距離主震的時間,p為衰減常數(越大,衰減得越快),而K與c為模型參數。目前世界上所有觀測到的主餘震序列都遵循這個定律,我們可以根據這項定律估計餘震的發震期間,為觀測地震學一項重要的定律。而群震,則是最大、第二、第三大的地震規模差距並不大,難以定義誰是「老大哥」,如圖一b所示,餘震並不隨著離主震呈現如式一的指數衰減。
    一般來說,主餘震序列的持續時間較短(約為數天至數週),其後回到背景發生率; 然群震持續相對更久,可以長至數月,目前有紀錄最長的群震序列發生於加州的Cahuilla群震(Ross et al., 2020),整整持續了四年的群震序列,從2016年開始至2019年,由地震規模在0.7-4.4之間的~22,000顆地震所組成。


     
    截圖 2021-11-02 上午9.52.09

    圖一、 (a)主餘震序列的時間分佈, (b)群震序列的時間分佈。橫軸為時間,縱軸為時間內所發生的地震數量。


    除了時間特性不同之外,群震的空間特性也與主餘震序列大不相同。群震有明顯的空間遷徙特徵,而主餘震序列卻無。下圖二為2008年10月在德國與捷克邊界的West-Bohemian區域發生的群震,此群震持續時間四周左右。從規模-時間分佈圖可看出,第一、第二、第三大的規模,皆在3.5~3.8這麼小的範圍,難以定義主震(圖二a)。而從空間-時間分布圖可以明顯地看出群震由西北向東南遷移,而震源深度也從11公里往8公里的方向往淺處移動(圖二b)。
     
    截圖 2021-11-02 上午9.52.29

    圖二、 (a) 2008年West-Bohemia群震的時間-規模分佈。橫軸為時間,縱軸為規模。顏色為與序列的第一顆地震相距的時間。(b) 同地震群的空間-時間分佈。橫軸為地震沿斷層走向之位置,縱軸為深度,圓圈為群震震央,圓圈之顏色梯度同為圖二(a)。圖修改自Vavryčuk & Hrubcová, (2017)。


    為什麼會有群震?

    斷層,是地殼受力後發生破裂,使得岩塊沿著破裂面發生顯著位移的構造。空間上,它其實是一個複雜的變形區域,稱作斷層帶。如圖三所示,它由變形集中的「斷層核」以及越向外裂隙密度越小的「斷層破碎帶」組成,更外側就是圍岩。斷層核的斷層泥(黏土礦物為主)粒度較細、滲透率較低,向外則粒度漸大,並且存在著大大小小的裂隙,滲透通常較高。這樣的分佈規律使流體容易在斷層核和兩側圍岩夾著的破碎帶內流動,因此斷層帶被認為流體的導流通道。破碎帶的幾何結構是複雜的,受岩性、滲透性和裂隙的方向性控制,流體在這個導流通道的行為,和地震的行為是有關的。


     
    截圖 2021-11-02 上午9.52.44
    圖三、 淺部斷層帶示意圖,圖摘自 Torabi et al. (2020)之Fig. 1a。


    而過去研究指出,斷層內流體的作用可能控制了群震遷移的特徵。依據群震遷移特性的不同分為三種機制: (1) 流體之孔隙壓力擴散 (pore pressure diffusion) (2) 水力壓裂 (hydraulic fracturing growth) 以及 (3) 慢地滑觸發 (slow slip triggering) 等三大類。


    1.孔隙壓力擴散(Pore Pressure Diffusion)

    此模型的構想始於Shapiro et al. (1997)。 他假設群震主要是流體的移動所造成,而孔隙間流體壓力的擴散是驅使流體移動的主要原因。孔隙壓力的擴散距離,是與時間有關的,如下式表示:
    截圖 2021-11-04 下午2.40.10(式二)
     
    其中r為與擴散起點的距離,D為擴散常數,t 為時間。Shapiro et al. (1997)提出,若我們將群震序列的第一顆地震為擴散起點,其群震的遷移空間時間分佈與孔隙壓力擴散相吻合,這能證明了群震的發生與岩層內流體的活動是高度相關的(圖四),他們同時也提出,擴散常數與當地岩層滲透率以及岩層內流體的黏度(viscosity)相關。Amezawa et al. (2021)整理了世界各地發現的群震資料,並且算出擴散常數值大約落在10-2至100 m/s之間。Amezawa et al. (2021) 亦比對世界各地群震的持續總天數與擴散常數的關係(圖五),他們發現群震的總長度與擴散常數呈現正相關,這說明若岩層內的流體擴散可被估計,我們就能預測群震的持續時間!
     
    截圖 2021-11-02 上午9.52.56
     
    圖四、群震序列的空間-時間分佈圖,橫軸為時間,縱軸為群震序列之地震與第一顆地震的震央距。圖中菱形符號代表群震序列之地震,虛線代表不同的擴散常數計算出來的孔隙壓力擴散情形。圖摘自 Shapiro et al. (1997)。
     
    截圖 2021-11-02 上午9.53.04
     

    圖五、不同地區群震總天數以及擴散常數的關係圖。橫軸為擴散常數,縱軸為群震長度。圖中不同的符號表示不同研究發現到的群震序列。圖摘自 Amezaawa et al. (1997)。


    2.水力壓裂擴展 (Hydraulic Fracture Growth)

    和長時期藉由顆粒裂隙間傳遞的孔隙壓力擴散不同,當岩體因為外在應力條件變化產生破裂,壓力瞬間下降,而孔隙中的流體釋出,這個降壓的過程,稱作水力壓裂擴展。而形成水力壓裂擴展的原因與人為注水試驗脫不了關係。注水試驗為一項用來開採油氣的技術,其方法為灌入高壓的泥水至滲透率較低的岩層(ex:砂岩)當中,使得岩層中的裂隙增加或生長,其埋藏在底下的油氣可以藉由裂隙被人類開採取用。在灌入泥水的過程當中,岩層內孔隙水壓增加,有效應力減少,就有可能形成破裂造成地震。而由水力壓裂擴展產生的群震,其空間上的遷移特性亦與注水試驗有極大關係。圖六為2016年加拿大Alberta地區因為水力壓裂誘發之群震序列,此群震序列最大地震規模為4.1,而地震遷移的速度與空間範圍,與注水實驗地點有高度相關,這顯示岩層內部壓力的改變,能造成中規模的有感地震。 
    截圖 2021-11-02 上午9.53.14
     

    圖六、加拿大Alberta 地區因為水力壓裂實驗而造成群震的時空遷移分佈。圖中點為地震,紅色實線為注水鑽井的路徑圖,紅色實線上倒三角型符號為注水孔的位置,色階為時間。圖摘自Eyre et al., (2019)。


    3.慢地滑觸發(slow slip driven)

    慢地滑觸發的群震,與前兩種機制不同,為斷層上的慢滑動改變的斷層面上的應力狀態造成的群震。慢地滑是無震滑移的一種形式,它指的是在大地測量或地震訊號上觀察到斷層緩慢移動的證據。一般地震,發生在脆性變形的區域(施予力,材料不立即變形,卻累積能量直到破裂發生),大約是比30 km更淺的深度; 而大規模的慢滑移,則發生在「沒有地震」發生的區域,更深,介於脆性和塑性變形的區域(施予力,材料立刻產生變形,像黏土一樣不能累積能量),大約可到達50 km深。。近幾年隨著大地測量精度的增加,許多研究發現慢地滑可能觸發群震!圖五為加州Salton Trough於2008年發生的群震,Lohman 與McGuire (2007)比對群震的時間以及大地測量的結果,發現在群震(垂直虛線)出現時間的兩天前有一個慢地滑產生(灰色區塊),因而認為,群震和慢地滑存在著觸發關係。
    截圖 2021-11-02 上午9.53.24
     
    圖七、 加州Salton Trough 於 2005年發生的群震時間點與大地測量的比較圖。


    圖中黑點為大地測量的地表變形量,紅色實線為根據測量值所計算出的回歸直線,灰色時間區段為慢地滑被偵測到的時間區間,藍色虛線為的慢地滑起始時間,紅色虛線為群震的起始時間。圖摘自Lohman & McGuire, (2007)。


    三、台灣哪裡有群震?

    事實上,不是只有花蓮壽豐才有群震的蹤跡。Peng et al, (2021) 利用中央氣象局的地震目錄從1990年至2019年以統計的方式在台灣搜尋出153個淺層群震序列(震源深度小於50公里)。其群震序列的分布圖由圖八a顯示,他們發現群震主要集中於東部以及外海地區 (圖中A區域),池上地區 (圖中B區域),中央山脈南段 (圖中C區域) 以及西部麓山帶 (圖中D區域) 這四個區域。而高達70%的群震主要集中於A、B兩區域。為了解釋台灣群震發生的可能機制,他們首先比對了群震的震央分佈以及台灣地區地熱的資料。他們發現內陸的群震並沒有對應到熱通量高的區域,所以熱液體的流動可能並不是台灣內陸群震的主要原因。除了比對熱液資料以外,他們也比對了重複地震的資料。重複地震為一群波形、規模高度相似與震源位置重合的地震群,為一項無震滑移的重要指標訊號。


    由圖八b顯示,重複地震與群震的空間分佈在空間上具有高度相關性,最佳相關性發生在區域A(池上斷層),62%的群震在震央半徑五公里以內可以找到重複地震。事實上池上斷層是一個在地表潛移、在深部部分鎖定的活動斷層,在斷層斷層耦合率模型與重複地震與群震的位置比對 (圖九),這兩種地震群大多位於斷層耦合率低(平常就一直在滑動卻沒有對應到地震)的區域,大約是對應到3- 4 cm/yr的深部變形速率,這說明了「慢滑移」可能是形成這兩種地震觀測的主要條件。而台灣其他地方的群震形成機制,並不僅限於潛移斷層,在縱谷斷層北段延伸至外海的碰撞-隱沒轉換帶(A區)、集集地震震源區(D看)和中央山脈南段的慢滑移好發區(C區)皆有,到底哪些機制能解釋不同區域的群震?而群震的時間空間演化行為能不能被預測?他們會不會觸發鄰近的大地震? 這些,都尚未有清楚的答案,未來還需仰賴更多其他大地測量資料、地球物理資料進行整合分析。


     
    截圖 2021-11-02 上午9.53.36
    圖七 (a) 台灣群震,重複地震以及熱流資料比對圖。黑色圓圈為群震資料,灰色圓圈為重複地震資料。(b) 群震與重複地震空間比對圖,圖中的百分比為在區域中出現於群震半徑5公里內重複地震的比例。重複地震資料來自Chen et al. (2020)。
     
    截圖 2021-11-02 上午9.53.45
    圖八 (a) 池上地區 (圖六B區域)之重複地震與群震空間分佈圖,圖中黑色圓圈為群震,灰色圓圈為重複地震。 (b) 池上地區重複地震與群震深度剖面圖。橫軸為沿a-a’方向,縱軸為深度。 (c) 重複地震與群震與斷層耦合率沿b-b’方向剖面圖,圖中顏色色階為斷層耦合率,白色區域為耦合率較低區域,說明此斷層在此區域的滑移方式主要為無震滑移。



    在台灣,群震的發生非常頻繁。經歷了一個接一個的有感地震,大家最想知道的就是 - 群震會引來大地震嗎? 群震和一般的主餘震序列不同,規模相仿的地震群們結伴發生,需要特定的物理條件,這些條件多半和地下的流體分佈、高孔隙壓力有極大關係。而這些群魔亂舞的有感地震群,我該害怕嗎? 事實上,被部分區域證實為「大地震前震」的群震現象,因為每次發生的行為並不同(「累積應力、釋放能量」的孕震過程,時間地點不一樣、就有不同的特徵),成了地震學家們苦思不解的問題,經由實驗、模擬和觀測三管齊下,正是學界汲汲營營的目標。


    參考資料
    1. Amezawa, Y., Maeda, T., & Kosuga, M. (2021). Migration diffusivity as a controlling factor in the duration of earthquake swarms. Earth, Planets and Space, 73(1), 1–11.
    2. Chen, Y., Chen, K. H., Hu, J., & Lee, J. (2020). Probing the Variation in Aseismic Slip Behavior Around an Active Suture Zone: Observations of Repeating Earthquakes in Eastern Taiwan. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 125(5). https://doi.org/10.1029/2019JB018561
    3. Eyre, T. S., Eaton, D. W., Zecevic, M., D’Amico, D., & Kolos, D. (2019). Microseismicity reveals fault activation before M w 4.1 hydraulic-fracturing induced earthquake. Geophysical Journal International, 218(1), 534–546.
    4. Lohman, R. B., & McGuire, J. J. (2007). Earthquake swarms driven by aseismic creep in the Salton Trough, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 112(B4). https://doi.org/10.1029/2006JB004596
    5. Peng, W., Marsan, D., Chen, K. H., & Pathier, E. (2021). Earthquake swarms in Taiwan: A composite declustering method for detection and their spatial characteristics. Earth and Planetary Science Letters, 574, 117160.
    6. Ross, Z. E., Cochran, E. S., Trugman, D. T., & Smith, J. D. (2020). 3D fault architecture controls the dynamism of earthquake swarms. Science, 368(6497), 1357–1361.
    7. Shapiro, S. A., Huenges, E., & Borm, G. (1997). Estimating the crust permeability from fluid-injection-induced seismic emission at the KTB site. Geophysical Journal International, 131(2), F15–F18. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1997.tb01215.x
    8. Torabi, A., Ellingsen, T. S. S., Johannessen, M. U., Alaei, B., Rotevatn, A., & Chiarella, D. (2020). Fault zone architecture and its scaling laws: where does the damage zone start and stop? Geological Society, London, Special Publications, 496(1), 99–124.
    9. Vavryčuk, V., & Hrubcová, P. (2017). Seismological evidence of fault weakening due to erosion by fluids from observations of intraplate earthquake swarms. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(5), 3701–3718.


    (列表圖:Copyright: normaals
回上一頁