用 GPS 观测地壳变形

地壳因断层活动，无时无刻皆在变化，与地震、海啸、山崩等现象更是环环相扣。“地壳变形”遂成为地震学家无法忽视的观察标的，就像地球展露情绪的迹象。中研院地球科学所的许雅儒研究员，其研究主要利用全球卫星定位观测系统 (GPS) 、地震及井下应变仪观测资料，综合分析陆地及隐没带断层在地震周期中不同时段之地表变形。

原先硕士毕业后并无进修打算，然而，来到中研院地球科学所当研究助理那年，恰巧碰上 921 地震，亲眼目睹断垣残壁和惨重伤亡，许雅儒步上探索地球科学奥秘之路，一路成为研究员，成为能看懂地球情绪起落的人。

从地壳变形 观察地球情绪

发生地震时，避难是当务之急。对许雅儒而言，第一件想到的事则是：全台超过 400 个 GPS 固定观测站往哪个方向位移。因为台湾位处隐没带，地震频繁，地球的“情绪”时常在地表数十秒震动、板块几公分的移动间，展露无遗。

GPS 卫星定位系经由卫星量测地表测站的座标，测站座标随时间的变化可计算速度，推测地底断层的活动情形。台湾目前设置超过 400 座 GPS 固定观测站，测站的选址需具备良好透空度(仰角 10°以上无遮蔽物)、地质稳定、远离电磁波干扰源等。GPS 固定观测站大抵沿着主要断层带摆放，与断层垂直及平行方向皆有设置测站。

日常 GPS 导航的量测精度顶多是“公尺”，而藉 GPS 观测地壳变形却精准至“毫米”。

板块移动缓慢，一年仅移动几毫米至几十毫米，必须透过长时间的连续观测以换取精度。藉由观测测站的位置随时间之变化，取得测站的位移速度，反推地下断层的滑动情形(如下图)。

以地壳变形最显着的“地震”而言，许雅儒说，平常测站呈现的是长期稳定线性运动，一旦发生地震时，时间序列会呈现不连续状(如下图)。藉由计算地震震央附近测站位移量，便可得知地壳何处变形，并推测断层如何活动、滑移。

断层滑移 ≠ 地震

了解断层活动不能只看当下，因为断层滑移历史很长，可能长达数万年。断层活动是能量累积的结果。

许雅儒说，断层滑移主要有三个历程，如下图：

伴随地震的断层滑移称为“同震滑移”，因为板块运动的关系，岩层的推挤或拉张都会造成地震。

上部地壳一般为脆性变形，下部地壳因为温压的关系产生塑性变形。板块运动会造成地壳不断变形，下部地壳变形行为像年糕，会一直变形，但一般不会发生大地震。下部地壳会推挤上部地壳，不像下部地壳，上部地壳可以积聚能量，当上部地壳承受不住便引发地震。若下层每年推进 5 公分，假设 100 年后地震能量才一次释放，便会产生位移 5 公尺的地震。

当上部地壳没有大地震发生、主要能量由深处断层缓慢滑移释放时，则为“间震期滑移”。

若在同震滑移后，地壳能量未释放完全，而于地震时产生破裂的周遭发生断层潜移、慢慢释放能量，称为“震后滑移”。许雅儒说，通常潜移是一种缓慢释放能量的方式，时间可能长达一、二年以上。不过震后滑移还是有可能引发较大余震。

为了更了解地震滑移的特性，许雅儒近期也着手研究“山崩”。她说，研究断层难度高，因为断层较深，讯号传到地表已经很微弱了。而山崩的滑动特性和断层活动有部分类似，山坡滑动面浅、在地表可以接收足够的讯号，能借此了解滑动行为随时空如何演变，间接了解地震孕震的过程。相关研究成果也支持许雅儒获得 2017 年台湾杰出女科学家“新秀奖”。

藏于海的地球脾气

除了陆地观测，隐没带海底断层活动也是不容忽视的一环。

海底监测同样透过 GPS 定位系统，不过因为卫星讯号无法穿透海水，所以必须藉由声波定位。陆地的 GPS 站先跟船的位置做一般 GPS 相对定位，船的位置再跟海床声波回应器做声波定位，由此得知海床声波回应器相对陆地 GPS 站的位置及位移速度。

许雅儒说，隐没带地震规模惊人，如 2004 年苏门答腊地震和 2011 年日本 311 大地震。许雅儒在苏门答腊隐没带的研究成果(注一)，也是首次有近海沟的 GPS 观测资料，验证隐没带浅层之摩擦性质为速度强化，亦即随着断层滑动速度增加、摩擦强度也增加，并有显着震后滑移。

此外，台湾邻近海域还有许多大型隐没带海沟值得观测，包括琉球海沟(长约 2200 公里)、马尼拉海沟(长约 1100 公里)。她说，虽然自 16 世纪至今未见马尼拉海沟有大规模地震的纪录，但仍需持续监测，因为无法排除未来发生的可能。如同苏门答腊过往也没有相关纪录，地震发生后破裂却超过 1000 公里。

相较于陆地监测可以随时驱车前往测站，许雅儒说海床监测工作碍于台湾研究船少，有时只能搭渔船。不仅要抢船期，还得避开海象汹涌的冬天与台风季。一年出海二次，一次一星期，研究人员 24 小时轮班，而且海床监测的定位误差比陆地监测大，所以监测海床更需要长时间的观察累积精度，平均需要五、六年才有研究成果。

GPS 测站守护者的野外挑战

测站肩负感测地球一举一动的任务，而守护海陆观测站的工作得仰赖研究者的野外工作。许雅儒表示，海床声波回应器可能会被海底泥流掩埋而失联，难以回收，除非派机器手臂下潜维护。陆地上的观测站则容易遭雷击损毁，若一年有三座测站损毁即属非常严重。

许雅儒的野外研究，始于中央大学应用地质研究所硕士时期的南横测站工作。她说，观测站大多位于人烟稀少的地区，分为固定站和野外站。固定站每天都会回传资料，野外站平均一年去一到二次。观测工作不外乎设置脚架、量测、纪录等。野外研究更是一场场冒险，许多时候得学会砍草、劈树、挖地等技能，才能找到测站点。

许雅儒表示，有次劈草开路，不小心与草堆中的坟墓照片四目相交，瞬间背脊发凉。抑或因为野外测站所在之处山路险峻，车子踩满油门却往下滑。更甚，设置好的测站因学校整地而被掩埋，必须亲自拿铲翻掘。野外活动也免不了与虫蚁过上几招，许雅儒曾于菲律宾野外研究，但因站点偏远，仅有零星住家灯火，因此必须架灯摆站，殊不知灯一架，虫黑压压地铺天盖地趋光而来，一张口吸进不少只，还外带了几只回旅店。

趣事不少，许雅儒强调，观测地壳变形是为了预防灾害，对预警有实质贡献。例如监测一路延伸至菲律宾的马尼拉海沟是否可能因地震引发海啸，对整个南海，包括印尼、马来西亚、越南等东南亚国家至关重要。若发生海啸，反扑至台湾西部海岸时，因海底深度较浅，海啸放大后也可能对台湾造成严重灾情。

预测地震，可能吗？

地震与海啸的破坏力固然让人恐惧，但不若诸多影视文本可怖。

电影都太夸张了，每次看都觉得导演很有想像力。

许雅儒笑说，民众对地震了解不够深入，地震电影时常“夸大”地震形象。即使地表破裂，人绝对不可能直坠地心，根本是无稽之谈。她转而正色且科学地解释：地壳的确会破裂，但随着深度增加，岩压就越大；所以不管张裂或聚合，深度增加时，岩压变大，裂面也会闭合。

人们无法透彻了解地震，带来诸多灾难想像。至于地震观测研究是否能达成“预测”、减少伤害？许雅儒坦言，难度很高。

因为地震孕震周期长，目前对地震观测顶多百年以内，但是地震周期可能长达千年，从小窗口看出去，难以窥其全貌。

许雅儒说，预测方法不同，感测程度也不同。目前可从地球化学、地震活动度、电离层、地球磁场等方法着手，不过要排除其它非地震因素可能造成的扰动才可能达成目的。最常谣传的生物表现也得经过严谨的测试，才能知道引发鸟鸣、马陆大规模逃出地面的唯一原因是不是地震。

“就像这栋楼不久前才测得倾斜 2 公分啊”许雅儒手指天花板表示，中研院地球所顶楼就有一个 GPS 测站，后方新建大楼挖地基，在尚未建造连续壁时，顶楼的测站资料显示地球所向南倾斜 2 公分。她说，若不晓得测站附近施工兴建大楼，可能会误判为其它因素。

预测难度高，主要由于断层讯号传到地表都很微弱，必须排除很多不相关的因素，因此要判断地震前兆还有一段艰辛的路要走。

然而，具备防灾观念比追求预测更重要。许雅儒说，预测或改善现有的预警系统是必须努力的方向，但不如从小教育地震防灾的正确观念，灾害来临时，伤害才能减至最低。以最简单的地震包而言，台湾仍然并非家家户户都有，甚至还是少数家庭才具备。

许雅儒的研究不只纸上谈兵，更深具社会责任。善用 GPS 和其他方法觉察地球的情绪起伏，虽仍不足以全面“预测”，却已能掌握地壳如何变形及断层活动的情形。她也将量测方法应用至了解滑坡、降雨及地下水位之关联(注二)，藉以了解大规模崩塌潜势区域之滑坡活动，供防灾与避难疏散之用等等。

访谈末，想到正身处倾斜的中研院地球所之中，我的眼神似乎透露出“倾斜 2 公分颇严重”的讯息，许雅儒连忙笑说：“还好啦，已经建造连续壁，不会再倾斜了”。对这件事的轻描淡写不是忽视，而是许雅儒长期观测地壳变形培养而来的淡定。因为她惯于感测随时随地都在变动的地球情绪，靠的是准确定位、细心观察，再下结论的扎实研究功夫。

──转自中央研究院《》（本文限网站刊登）

责任编辑：杨真