台電月刊 - 打開電力新視野

馬國鳳教授顛覆地科界 證明地底水壓可誘發地震

677期

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文 崔立潔 圖 吳志學、馬國鳳

「理論和應用絕對不可切割!」陽光燦爛的午後,國際知名的地震學家,同時也是中央大學地球科學系教授的馬國鳳,手舞足蹈地向學生解釋斷層帶埋設深井的過去成果及正在推動的計畫,眼神堅定地闡述自己對於科學應用的想法,而鼓舞她不斷前進的動力,則源自於科學家最深層的自我質疑。

看到西元1995年日本阪神大地震的慘重傷亡,馬教授一度灰心地問自己:「當一位地震學家到底有什麼用?」而四年後臺灣也發生了震驚全球的921大地震,馬教授帶著日本研究團隊用步行的方式深入災區,親眼目睹強震中隆起的驚人斷層,親身感受到地底下驚人的能量,那一刻她找到了答案,決心要將地震記錄做到極致,減少未來震災的衝擊。

深井鑽探、監測 兩度「震」撼全球

於是她在2004年主持「臺灣車籠埔斷層深井鑽探計畫」,與臺、美、日等國學者組成研究團隊,取出幾個車籠埔主要斷層帶的岩心,並且在地面1,111公尺下,成功取得一段921地震後的斷層滑移面,藉由數據分析證明地震會在「老地方」重複發生,成功驗證以往科學家的假說,建立了正確的「地震破裂模型」,對於了解地震行為及預測都是世界級的重要突破,這項研究成果也登上了頂級科學期刊《Nature》。

延續著這項研究成果,2012年馬教授再度領先全球,藉由井下地震儀長期追蹤車籠埔斷層帶各種微小地震,提出所謂的「均向地震」理論。

一般來說,地震形成最主要的原因包括斷層錯動、火山活動等自然因素,以及地下核爆等人為因素,但馬教授卻發現當地下水流動受阻、在同一地聚積達到某種程度,水壓就會從四面八方「撐開」地層,進而引發小型地震。這是國際間第一次掌握確實證據,證明水流與地震的關連性,成功改寫地震學的根本理論。

這項發表在《Science》期刊上的研究成果,除了了解地震的發震機制,另一意義在於應用層面,例如歐美各國近年來為了解決溫室氣體問題,開始嘗試將二氧化碳封存在地底或開發地熱能源,透過這項研究發展的技術,可以監測氣體或流體在地底下活動的行為,減少誘發地震的風險。同樣的,無論是核電或離岸風電等能源開發,也能藉由地震行為監測及危害潛勢分析,提供相關重要場址及場域地震災害的風險管理。

以人文關懷出發 傳播正確地震防災觀念

馬教授擅長將人文關懷融入工作,推動「塵封的裂痕─歷史系列地震講座」,藉由探討臺灣史上幾起重要地震,串起民眾與震災意識的連結,她認為:「每一場重大地震都是重要的教訓!」以發生在1862年、芮氏規模7.1的臺南地震來說,雖然沒有留下地震紀錄,透過前人的文字記載,也能描繪出地震當時的樣貌,作為後人借鏡。

除此之外,馬教授也與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立地震知識部落格及臉書粉絲頁─「震識」,以深入淺出的文字讓民眾對地震有更深一層的了解。因為馬教授認為斷層帶遍佈全臺,地震是每個人都無法規避的日常,唯有從政府到民間都正視地震、建立正確觀念,才能將災損減到最低。

建立「臺灣地震模型」 透過危害潛勢分析有效減災

臺灣位處地震帶上,必須更積極地面對這個議題,「地震預測」是目前地球科學界很重要的研究目標,但馬教授認為,即使有一天地震學家能在幾天之前就精準預測某個斷層將發生大地震,若是無法提供解決方案,除了引發一般民眾恐慌及社會動盪之外,並沒有太大意義,甚至不見得能減少災害,所以她更希望大家重視與我們息息相關的「地震危害潛勢分析」以及相關單位積極發展的「地震預警」。

舉例來說,目前高鐵只要接收到地震訊息就會減速,避免高速行進間的強烈震動造成危險,這就是「地震預警」的功效,如果擴大到生活中的各個層面,就能有效達到減災、防災的終極目標。因此馬教授開始推動「臺灣地震模型計畫」,並成為全球地震模型組織的一員,透過斷層模式的建立及背景地震活動,推算出未來50年臺灣各區承受地震危害的潛勢及風險,針對重要關鍵場域,以「地震全景況模擬」的結果,供各界及早規劃因應措施;也在去年由中央大學提出的教育部深耕主題計畫支持下,成立「地震災害鍊風險評估及管理研究中心」 (Earthquake - Disaster & Risk Evaluation and Management, E-DREaM),希望將科學成果,具體應用在業界及政府相關單位。

以大臺北地區來說,穿過臺北盆地的山腳斷層,平均每511至1220年間才會運動一次,換算未來50年發生地震的機率只有7%,但北臺灣是人口、高樓高度集中的政經中心,這7%的風險不容小覷,唯有透過這一類明確的數據,才能說服各界確實進行如高危險區域防災都更或修繕補助等風險管理,讓防災意識烙印在每個人心中,這樣的「地震危害分析及風險管理」會比「地震預測」更有意義。

了解關鍵參數 精準做好防災規劃

另一方面,馬教授也積極了解地震危害潛勢分析結果,在管理及工程界的應用面上碰到的難題。目前臺灣的地震震度分析以地表震動加速度的尖峰值為主,但已有研究指出,地表震動加速度值與災害並沒有絕對正相關,其實它更關鍵的參數可能是地表震動速度尖峰值及其對應的週期,了解此關鍵參數,才能精準修正地震潛勢分析與防災政策及相關風險管理。因為臺灣斷層帶相當多,若無法細分風險,將造成各地都一樣危險的假象,在防災推廣上反而變得困難。透過建立關鍵參數與震度災害的關連性,才能更完整地推廣地震危害度分析及地震動模擬。

馬教授彷彿有著用不完的精力與熱情,腦子裡總是浮現一個又一個關於地震的想法,與其說她是位成功的地震學家,不如說她是結合地震研究與實務應用的先驅,將臺灣的學術發展與防災意識帶入嶄新的領域。

走讀地震教育場域

921地震教育園區

921地震發生後,政府及學者專家認為臺中霧峰光復國中的斷層錯動、校舍倒塌、河床隆起等地貌保存較其他候選場址完整,於是就地改建為「地震紀念博物館」,以保存地震原址、記錄地震史實,作為地震教育的活教材,提醒社會大眾重視防震及救災措施。

網址:http://921emt.nmns.edu.tw/index.aspx

車籠埔斷層保存園區

現場保存921地震的地表破裂原狀,而槽溝剖面同時呈現出非常清楚的褶皺與斷層構造,是世上難見的地質景觀,國內外學者們一致認同這裡深具學術研究及保存價值,因此教育部推動「竹山車籠埔斷層槽溝保存計畫─地震及生態園區」計畫,妥善保存這些寶貴的研究資料和地質景觀。

網址:http://www.nmns.edu.tw/web/park_cfpp/

國立臺灣科學教育館地震劇場

利用劇場內的超視角環形屏幕與油壓座椅,重現芮氏規模7.3的921強震,體驗大自然的破壞威力,並加強應變之道!

網址:https://www.ntsec.gov.tw/User/Article.aspx?a=195

國立中正大學地震科學教育館

中正大學鄰近嘉義梅山斷層,屬地震高危險區域,為推廣雲嘉南地區的地震防災教育,透過相關影片播放、實物陳列及實際動手操作,提升參訪者地震知識。

網址:http://www.eq.ccu.edu.tw/eq_museum/index.html

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