地球自轉與地震頻率:未來一年地震會更頻繁嗎?

地球自轉與地震頻率:未來一年地震會更頻繁嗎?
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我們想讓你知道的是

地震難以確知何時到來,但它必然會來。研究指出明年可能會有更頻繁的地震而需要加強準備的提醒,對提升大眾防災意識而言固然很好,然我們更加期盼的防災觀念是平時能有多一些對地震災害的警惕、並落實於生活中。

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文:潘昌志(經營「震識:那些你想知道的震事」、「地球故事書」部落格)、馬國鳳(現任國立中央大學地球科學學系講座教授、教育部國家講座,專長為地震源力學及海嘯)

去(2017)年的10月至11月初,《Science》和《英國衛報》(The Guardian),皆刊登一則2017年美國地震學會(GSA)的科學演講〈近五年全球地震危險預測〉(A fi­ve year forecast for increased global seismic hazard),內容大致提到全球強震數量變化和地球自轉的相關性,並以此進一步研究分析,得到未來一年地震將更頻繁的結論。

其研究團隊的地質學家,主要為科羅拉多大學地質學家比爾漢姆(Roger Bilham)和蒙大拿大學地質學家本迪克(Rebecca Bendick)。他們統計了1900年至今全球地震的活動趨勢,除了強震的時間上有些規律外,其規律亦可對應自4年前起地球自轉速度開始減慢的情況,故根據此統計趨勢,有可能明年開始,大地震將會更頻繁,且頻率將會從過去每年約15次,提升至20~30次,尤以熱帶地區(研究標定為10° N~30° S的區間)的地震數量變化更為顯著。

地震逐年變化的週期關係

的確,綜觀全球歷史強震(規模7.0以上)的逐年變化統計,可發現某些年分區間地震確實較為密集,如圖一為1900~1989年發生規模7.0以上地震的統計圖,圖中顯示平均每年約有17個規模大於7.0的地震,而其分佈的位置大略顯示其有某種週期關係。

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圖一:1900~1989年的地震統計資料,上圖為規模7.0以上的地震個數,下圖為各災害性地震造成死亡的人數。(資料來源:Lay, T., & Wallace, T. C. (1995). Modern global seismology (Vol. 58). Academic press.)

與地球地震活動的時間尺度相比,統計時間還是相當短,難以論斷週期性行為,而筆者進一步將地震的分析統計推衍至2017年,如圖二,可見此規律到了近期趨勢似乎稍有變化,故筆者認為相關文章描述的地震活動與地球自轉變化之關係,從直觀的數據來看尚難以論斷,或許需以更精確的方式分析。

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圖二:1900~2017年規模大於7的地震逐年統計。(1900~1997的資料來自https://goo.gl/XZuw1P,1998~2017的資料來自美國地質調查局,由作者統整資料重新繪製。)

本研究者受訪時也指出,造成地球自轉速度變化的原因,或許是自轉變化與地震活動的影響機制,有待後續研究。不過,比起許多漫無目的與缺乏科學方法的地震預測而言,此篇研究立基於科學觀測與推論,不失為創新的研究方向。往例也告訴我們,如1894年日本地震學者大森房吉提出餘震衰減關係的大森法則(Omori's law),亦是統計地震後的餘震個數所建立,因此透過地震觀測試圖找出規律的地震學研究,並非沒有前例,而此研究最大的挑戰為其觀測及推論能否符合理論模型,無論預測成功與否,都是帶動科學前進的動力,對於結合地震觀測及理論的發展與議題討論都別具意義。

大規模地震可能影響地球自轉速率

在地球自轉的變化裡,這則報導中所謂的「地球自轉速度變化」改變十分微小,一年僅累積數毫秒(1毫秒=0.001秒)的變化,儘管如此、隨著時間累積,或許這些微小變化會讓板塊運動的速率產生些微增減。然相較於每年移動數公分的板塊,兩種運動的尺度相比,自轉速度的微小變化在板塊運動上的貢獻程度似乎很小。換個度思考,是不是只要有這麼微小的變化,就能撼動某些位於臨界點上的孕震構造?

當然,此想法目前仍難以證明。另外,目前科學家也已經發現,大規模地震確實也會影響地球自轉的速率,並且讓自轉軸偏移,以最近一次2011年日本311地震為例,震後「加速」了自轉,讓一天的長度減慢了1.6微秒(1微秒=0.001毫秒)。雖從數值可見其影響之小,然一旦考量經年累月的地震活動,會讓事情變得複雜:或許地震行為可能受地球自轉影響,又或許地震還可能影響地球自轉的行為。

只是,想探討的問題在空間、時間尺度上極大,且需測量的變動又相當細微,以目前的科學和科技,在測量上有所限制,要回答此機制問題還有一些挑戰。即便如此,其所延伸的科學議題──以地球的動力模式分析地球自轉速率變化,對板塊相對運動導致的應力變化分佈,是值得深究的。

如此文針對觀測之現象學上的分析,若以更嚴謹的科學角度評斷,或許也應保守看待,畢竟統計資料僅能告訴我們相關性,無法告訴我們因果關係。除了需要更多的物理機制解釋,也需要更多的「證明」,也就是實際上得等到明年過了、地震次數統計揭曉,才能了解這個研究的推論是否真能禁得起驗證,進而達到長期預測全球強震數量變化的成就。如前述大森法則,可以經過修正後持續使用至今,並非是當時研究本身特別突出,而是由於它能經過百年來的觀測重複驗證。

關於地震研究的實質意義

地震本身就是對人類生命威脅甚大的自然現象,正所謂人命關天、這項研究的目的也並非要指出未來地震的確切位置,而是告訴我們,若依研究者的觀察與理論,明年的強震在某些地方將可能變得更頻繁。就如相關地震預測的研究,以科學角度來看,此相關議題皆值得持續分析研究。

但我們真正面臨的挑戰不是地震預測、而是應對方式,因為就算成功預測地震,若無相關的防災意識、地震還是會帶來災害。因此,地震防災研究與推廣是比地震預測更迫切且實際的一項工作,像是如何將科學數據,轉換成應用的成果。若地震預測無法具有效性,筆者認為以相關數據分析短、中、長期地震活動機率及其衝擊,會是更有效且重要的作法。試想,假如沒有這個研究報導,我們就不用擔心地震了嗎?實際上地震的風險時時刻刻都存在。秉持趨吉避凶的人性本能,既然地震威脅一直存在,無論這項研究結果是否真能被驗證、抑或提出2018年的地震之多寡,仍須有防災作為。

那何處最需要地震防災?那當然就是地震的好發處。將長期觀測到的大地震紀錄畫在世界地圖上,大多數孕震帶集中在板塊邊界附近,其中也有少部分強震位於某些特定陸塊的構造帶上(圖三),這些地帶都是未來可能發生大規模地震的區域。對居住在這些地區附近的人們來說,地震防災是極其重要的公民素養,而所謂防災素養並非僅指個人的地震包、居家防護等,許多基礎建設、救災體系甚至災後重建的經費規畫,都屬防災的一部分。

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圖三:世界地震活動分布圖,圖中圓點為呈現2000~2008年規模5.0以上的地震震央。(資料來源:美國國家教育基金會,U.S National Education Foundation)
災害防治與評估

位處環太平洋地震帶上的臺灣,自然也需與時俱進地提升防災作為,但要用什麼方式、運用什麼科學資訊才有助於地震防災?筆者將舉例輔助說明。雖然科學上還無法預測各地發生地震的時機點,但如前所述,現今的地震危害度分析,可以藉由過去的地震活動及孕震構造「評估」不同地區未來將遇上的震度情形。

臺灣地震模型組織利用地震及地質資料,以機率式地震危害度分析技術,將未來強地動發生之可能性量化,進而提供政府主管機關對重要場址(如:核電廠及學校校舍等)之安全評估(圖四)。也就是說,我們可以藉由科學資料作出評估,在合理的情況下提升建築耐震度,並依不同地區的風險分配資源。(《科學月刊》第562 期有相關報導提及此概念,可作為延伸)

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圖四:臺灣未來50年,最大地表加速度值達到0.23g(相對於氣象局震度5級)及0.33g(相對於氣象局震度6級)以上的發生機率,而機率則代表各地遇到該震度搖晃的「風險」。(資料來源:臺灣地震模型,Taiwan Earthquake Model)

此外,透過震源參數拆解分析,科學家可標定造成地震危害的主要震源。根據該震源特性,利用前項所說的地震波模擬技術,考量地震波傳遞過程的物理特性,估算該震源可能造成鄰近或目標地區的震度。若我們已經知道部分孕震構造發生時必然有嚴重結果,就能依據情境、事先預先投入一定資源,除了可在減災防震中有所作為,也能在預演或是救災規畫上有所本,而不至在實際發生時慌亂無章。

地震難以確知何時到來,但它必然會來。研究指出明年可能會有更頻繁的地震而需要加強準備的提醒,對提升大眾防災意識而言固然很好,然我們更加期盼的防災觀念是平時能有多一些對地震災害的警惕、並落實於生活中。為推廣地震科學及相關知識,筆者成立了「震識:那些你想知道的震事」部落格提供相關普及知識,並持續關注地震話題,也希望藉此讓大眾正視地震災害帶來的衝擊、瞭解其所在區域的風險。

本文經科學月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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