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科學界的女性們

改寫世界地震理論的台灣女科學家:馬國鳳

2017/06/15 , 評論 精選書摘
Photo Credit: Reuters/達志影像
精選書摘
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文:楊泰興

「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第四屆得主——馬國鳳,畢業於中央大學地球物理學系,取得台大海洋研究所碩士學位之後,在中央研究院地球科學研究所擔任助理研究員一年,一九八八年前往美國加州理工學院地球與行星科學系深造,於一九九三年取得博士學位,同年返國服務,任教於中央大學地球物理研究所,擔任副教授,一九九九年升等為教授。她是國際知名的地震學家,專門研究地震物理學,探討地震形成、破裂、結束的過程。

一九九九年九月二十一日凌晨一時四十七分,全台一陣劇烈搖晃,台灣的胸口在天搖地動中被撕裂;起源於中部車籠埔斷層錯動,芮氏規模七.三的地震,造成全台兩千四百一十五人死亡、二十九人失蹤,上萬人受傷、五萬多間房屋全倒,這是台灣戰後最嚴重的地震,史稱「九二一大地震」。

民眾憂心忡忡,不禁問:台灣為何會有這樣的巨震?何時還會再發生?這一連串問題,同樣讓世界地震專家高度關注,紛紛搶進研究。

在尋找這些攸關台灣民生、重大急迫答案的研究中,台灣並沒有缺席,並做出了重大貢獻。其中,領軍的是一位不讓鬚眉的女科學家:中央大學地球科學系教授馬國鳳。

二○○四年,馬國鳳參與並主持「台灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,透過台、美、日、德四國學者跨國際合作研究,鑽取斷層帶的岩芯試樣,探究九二一大地震的成因和生成機制,她的成果成功發表在《自然》(Nature)期刊上。幸運加上努力,他們取得了傲人的成績,對九二一地震的成因假設,透過取得的斷層岩芯均獲得驗證,詳細描繪出這場災難的全貌。

馬國鳳說:「這些理論以前只能透過數學物理計算來驗證,沒有人真正把那塊石頭拿出來看看是什麼樣子,而這次斷層鑽探,真正檢證了這些理論。」

發現新地震成因:地下水

透過鑽取的岩芯內容,團隊發現到,「滑移帶的厚度」是了解地震能量的重要參數,而厚度則影響了能量的釋放。這是世界首次觀測到大型地震的斷層滑移帶的厚度,同時也成功量化算出地震時的破碎能及熱能。

另外,「主要滑移帶」也看出了每一層紋路平穩類似,顯示地震的行為不斷重複,驗證了相似性質的地震會重複發生的假說。也就是說,九二一地震這樣形式的大地震,在車籠埔斷層地區將會再度發生。不過,令人鬆一口氣的是,雖然十二公分厚的滑移帶至少滑過三十三次,代表發生過三十三次地震,但推估起來,大概要到四百年後才會有機會再發生。

跨國合作中的在地研究優勢,讓馬國鳳團隊搶占先機;她卓越的整合能力,讓四國團隊發揮最大戰力,迅速繳出亮眼成績。二○一二年,馬國鳳發表在《科學》(Science)雜誌的文章,更是真功夫的理論突破,更證實她的成功沒有任何僥倖。

這第二篇登上一流期刊的論文,成功改寫了地震的基本理論。馬國鳳訓練出的博士生林彥宇,秉持著她要求的科學信念:「要看別人看不到的東西」,因而捨棄機器判讀訊號,長達一年時間裡,透過肉眼天天研讀放在車籠埔斷層的井下探測儀訊號,發現到長期存在著「只有P波(上下動),沒有S波(左右動,也可以理解成第二波)」的特殊訊號,訊號雖微小,但十分奇特。這種微小到一般學者會忽略、機器會濾去的訊號,在馬國鳳的眼裡卻看出不一樣的風景,成為她改寫地震理論的契機。

一般說來,地震形成的原因,包括:斷層錯動、火山活動、岩溶塌陷、隕石撞擊、地函物質相變化,以及地下核爆及其他人為因素,其中以斷層錯動為最主要的原因。但是,馬國鳳證實了一個新原因假說:

「其實地下水水壓引發爆裂,也會引發微地震。」

這樣的假設,過去理論界也有很多,但都苦無證據。馬國鳳根據一年來的數據發現,這些極微小地震的震源,全都在車籠埔斷層面下方,大部分都位於深度一千三百至一千八百公尺處,那裡含有豐富的地下水,且具有高滲透性的桂竹林層(以砂岩與頁岩為主)。

馬國鳳推論,當年車籠埔斷層錯動時,巨大作用力把斷層面磨成極細的不透水斷層泥,造成地下水無法向上,只能繼續累積在下方,液壓不斷增加,最後將積水區周圍的岩石「瞬間撐裂」出二至五公分的裂縫(人造地震的特色是單一點引發,P波遠大於S波,岩石爆裂也會造成類似S波甚微的效果),才引發了微地震。

這項有理有據的創新結果,成功改變了地震學的根本理論,成果發表在二○一二年七月二十七日的《科學》雜誌,該類型地震由馬國鳳命名為「均向地震」(Isotropic Events)。

難以想像的是,做出這些精彩學術研究的馬國鳳,另一個身分是兩個女兒的單親媽媽。不同於其他科學家常廢寢忘食,晚上還常流連實驗室長期抗戰,她的學生透露,老師下班時間一到一定準時回家,因為要做飯給兩個小孩吃。

咬緊牙關兼顧學業與家庭

什麼時間該做什麼事情,一切都要有效率、充分利用,這是馬國鳳的長處。儘管這樣拚命工作,也常「把自己逼到牆角,瀕臨崩潰」,但反而因此激盪出驚人的爆發力,成就斐然。

跟其他同年齡的女性比起來,五十二年次的馬國鳳,算早婚生子。中央大學地球物理系、台大碩士畢業後,申請到美國加州理工學院地球與行星科學系博士班,與當時先生聯袂出國唸博士時,接連生了兩個女兒,一邊照顧女兒,一邊完成學業。博士資格考時,還抱著女兒去參加口試達三小時,進場時只能把嬰孩交給同學抱著。

資格考完後三個月,馬國鳳開始帶著女兒跑研討會,小孩才三、四個月大。幸好主辦單位理解,讓她抱著小孩坐在最後排,小孩一哭,她就抱出去。輪到她報告時,小孩交給老美同學先抱著,每個經過的人都很疑惑,「為什麼一個老美抱一個華人小孩?」

從這裡就可以看出馬國鳳不服輸,打死不退的韌性。

已有兩篇論文名列第一流的期刊《自然》與《科學》,馬國鳳自認對學術已有交代;現在手頭上最燙手的任務,是推動台灣地震模型計畫(Taiwan Earthquake Model),目前已加入全球地震模型組織(Global Earthquake Model)這個聯合國世界地震組織的會員。推動這個計畫,需要國家科學委員會跟許多學者支持,處理很多行政事務,相當繁重。

「回到家時我常想,自己沒事找事做!孩子也大了,可以悠閒過生活了,幹嘛去提地震模型計畫啊?」馬國鳳苦笑。

但話鋒一轉,樂觀主義者馬國鳳又彷彿看到陽光,希望台灣走出去的使命感,深深影響了她,「台灣這方面的經驗,是值得全世界學習的。再者,我希望透過模型計畫,整合台灣地質、地震、工程設計。這些領域過去各自為政,但是現在能建立共識,這讓我很感動。」

說著說著,馬國鳳又拋出一個夢想:「我也希望可以做個有關地震的『稗官野史』。例如:一九○六年的梅山地震,女性死亡比男性多,就是因為女性裹小腳,相關資料如果整理得齊全,也許能出書,哈哈!」講到高興處,笑容燦爛的馬國鳳又手舞足蹈起來。

看來,馬國鳳即便有一天沒在科研最前線,恐怕也沒有閒下來的時候。

書籍介紹

《她們,好厲害:台灣之光‧18位女科學家改變世界》,遠見雜誌出版
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作者:楊泰興、陳建豪、司晏芳

當社會逐漸走向文明,職場的性別歧視或許正逐漸淡化,但不等於已經真正平等,在科學界尤其如此。對許多家長或莘莘學子而言,身為女性,選擇科學研究之路,總免不了擔心,會不會太過艱辛?會不會影響婚嫁?然而,若是能能深入體察女性從事科學研究的實際狀況,或許會有不同的人生與職涯規劃。

本書透過獲得吳健雄學術基金會「台灣傑出女科學家獎」的十八位傑出女科學家的生命故事,讓讀者一窺科學研究領域堂奧,希望讓更多家長與女高中生們,都能瞭解,其實人生與職涯還有更多不同的可能性,值得去探索或嘗試。

除此之外,也希望誠如某位女科學家得主所說:「希望有天不要再頒女科學家獎。」當科學界能夠做到真正的性別平等,自然毋須特別針對女性設獎。

未命名
Photo Credit:遠見雜誌
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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:楊之瑜

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