史上最複雜的地震:Kaikoura地震

郭俊翔 國家研究院國家地震工程研究中心副研究員

2017年3月23日,美國BBC發布一則新聞[1],斗大的標題寫著「Kaikoura: ‘Most complex quake ever studied’」。事實上,這個規模高達7.8的大地震在2016年11月14日凌晨侵襲了紐西蘭南島(圖1),幸運的是主要的強震區人口稀疏,但仍有2人在此地震中喪生。此地震有相當明顯的斷層錯動,而且它的震源機制屬於逆衝斷層(Reverse Fault),此種斷層主要受到擠壓力量而使得斷層破裂時上盤向上抬升,因此對南島北部的道路系統造成很嚴重的破壞,東部海岸甚至有大面積的抬升,原本在海平面以下的海床隆起至海平面以上,造成大量海洋生物因離開海水而喪生(圖2)[2],嚴重影響到近海的生態平衡;強烈的振動造成地表土石的鬆動,加上後來的降雨,也引發了上千處的山崩與土石流。

圖1、紐西蘭Kaikoura地震的震度分布,淺紅色至深紅色代表震度逐漸增加[1]。

圖2、地震後當地居民開心地從隆起抬升的海岸邊拾獲大量鮑魚和海膽[2]。

Kaikoura位於紐西蘭南島北方東岸,是一鄰海小鎮,人口僅約2000多人,居民多以經營觀光業為主,每年夏天都會有許多遊客前來賞鯨豚,是紐西蘭著名的賞鯨景點。基督城至Kaikoura距離約180公里,開車約2小時內可到,若從南島北邊的Blenheim出發,交通時間也差不多。但地震後Kaikoura小鎮對外的道路中斷了數天,居民和遊客一度斷水斷電,即使到了今年的4月份主要對外道路仍未修復,來往交通都還必須繞道經由次要道路,南來北往的交通時間也都大幅增加。
世界上若有大規模地震發生時,美國地質調查所(U.S. Geological Survey,簡稱USGS)立即會在網站上公布震央位置、震源深度規模以及震度分布等訊息。USGS對Kaikoura地震公布的斷層模型(圖3)指出引起該地震有4條主要斷層。然而,這個地震並沒有這麼簡單,根據紐西蘭當地研究機構的研究[4, 5]指出,Kaikoura地震引起了12條主要斷層的破裂!圖4描繪出這些斷層線和震央的分布位置,而左圖下方的顏色條帶則代表這些斷層的錯動量,最大竟然可達9公尺,圖5則是以三維空間的方式描繪出這些斷層的分布情況。

圖3、USGS所公布的Kaikoura地震斷層模型[3],可分為4條主要斷層,最上方的顏色條帶表示不同的斷層錯動量,而斷層面上的箭頭表示該處錯動的向量。

圖4、左圖綠色線段為引起Kaikoura地震的主要斷層線(綠色線段)分布[4],其他紅色細線為既有活動斷層分布。

圖5、Kaikoura地震主要斷層面的三維空間分布[5]。

在現代地震觀測史上,地殼地震在陸上造成的地表錯動量最大可達10公尺!這是由臺灣的集集地震所創下的記錄,從1999年一直到2016年的Kaikoura地震之前還沒有其他地震可以望其項背。這邊先補充一個地震學上計算規模的觀念,地震規模(Magnitude)代表的是一個地震所釋放的能量,但它是沒有單位的。地震規模有許多種算法,大家耳熟能詳的芮式地震規模(Richter Magnitude Scale,ML)是根據離震央一定距離外的地震儀所量到的地震波振幅換算求得;另一種震矩規模(Moment Magnitude,MW)則是假設造成地震的斷層面(面積A)滑動某一距離(距離D),而其地層材料的剛性係數為μ,則地震矩(Seismic Moment,M0)可由簡單公式計算出來,

再經由當代地震學大師金森博雄(Hiroo Kanamori)教授所定義的轉換公式[6],

即可算出該地震的震矩規模。芮式規模因為受限於觀測儀器特性,在規模大於6.5時,開始會有飽和的現象,因而會低估實際規模,但震矩規模則不會有此缺點。最明顯的例子就是集集地震的芮式規模為7.3,但震矩規模卻是7.65。由上述震矩規模的算法中也可以知道,斷層面積越大、錯動量越大的地震其規模就越大,若從這一點看來,震矩規模7.8的Kaikoura地震在地表能造成超過9公尺的錯動量似乎再正常也不過。由於此地震造成強震區交通嚴重癱瘓,負責調查地表破裂的紐西蘭地質與核能科學研究所 (Institute of Geological and Nuclear Sciences Limited,簡稱GNS)研究人員也僅能搭乘直昇機至各處勘災。圖6正是地震後經由空拍和現地探勘後所繪製的主要斷層破裂,此圖詳細標示了每條斷層的延伸範圍、調查地點以及其水平(H)和垂直向(V)的相對位移,由這些地表位移的分布大略可以看出最大的位移量出現在Kekerengu斷層(水平位移9-11公尺、垂直位移4公尺)和Papatea斷層(水平位移6-10公尺、垂直位移7-8公尺)。根據現地調查的結果Kekerengu斷層的最大位移甚至超過集集地震時車籠埔斷層切過石岡水壩處的最大位移量10公尺(圖7),此一發現更讓我亟欲親眼見證這大自然的力量!

圖6、Kaikoura地震主要斷層的地表破裂位移[7]。

圖7、集集地震時車籠埔斷層直接切過石岡壩水庫[8],此處最大位移量約10公尺。

然而這個地震真的沒有這麼簡單,不久後我找到一則更新的研究報導「Kaikoura quake’s 21 faults could be world record」[9]。沒錯,更多的斷層錯動證據被找到了,總共有21條斷層在Kaikoura地震時錯動,其中14條的錯動相當明顯,超過1公尺。這個地震中錯動的斷層之所以會越來越多則是因為第一時間USGS的地震學家只能使用即時傳回來的地震資料進行分析,因此計算出地震規模並沒有問題,而初步的有限斷層模型解則是使用美國國家地震訊息中心(National Earthquake Information Center,NEIC)的寬頻地震資料來進行即時解算。然而此地震太過複雜,第一時間解算的結果僅能找出錯動量最大的斷層,而隨著更多的資料如全球定位系統(Global Positioning System,GPS)、干涉合成孔徑雷達(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)也加入一起使用後[5],測站數量增多且在空間的分布更為完整,因此也能解算出錯動較小的斷層,最後再加上實際到強震區野外勘查的地質學家所帶回來的野外證據[9],更能確認資料解算的結果與野外調查結果的一致性,並且找到剩下錯動量最小的一些斷層,它們的錯動訊號往往被藏在其他主要的錯動訊號中,較難從室內的資料分析中分辨出來。
筆者在今年4月5日至15日間隨國震中心調查團至紐西蘭進行Kaikoura地震的野外調查。

圖8是筆者在Papatea斷層實地拍攝之照片,該處之垂直錯動量約5公尺,水平錯動量(紅色箭頭標示)約4公尺,因此處是Papatea斷層所屬之次生斷層,呈現逆衝帶左移特性且錯動量較前述略小。

圖9則是在另一個主要錯動的Kerkerengu斷層所拍攝的照片,白色房屋剛好被斷層切過,左圖顯示房屋被斷層抬離原本地基約9公尺(紅色箭頭標示),右圖則是由另一角度拍攝斷層切過該房屋之情況。在這次的野外調查過程中,筆者依稀想起當年集集地震時還只是一個懵懵懂懂的大學生,隨著老師們到臺中一帶野外調查時的回憶,相當類似的巨大地表變形情況依舊深刻在腦海中,但在集集地震中更多的是原本聳立的樓房一夜之間成為斷垣殘壁。

 

使用地震加速度資料也可分析斷層的同震錯動量,以上述錯動最大的Kerkerengu斷層為例,該斷層附近的Kekerengu Valley設有一KEKS測站[10],我們使用該測站在Kaikoura地震時所記錄的加速度歷時記錄,經過適當的基線修正程序後,可將加速度歷時積分至位移歷時,其結果如圖10所示,可算出地震儀在東西、南北、垂直3個方向的永久位移量分別為13公尺、4公尺和2公尺。13公尺的水平錯動和圖6野外調查所看到的此斷層最大錯動11公尺相當接近,此位移量已明顯超過當年921集集地震在石岡壩水庫造成的最大位移。

圖10、使用地震加速度資料分析Kaikoura強震KEKS測站的永久位移情況。由上至下分別為東西向、南北向、垂直向的位移時間歷時,由於同震永久位移的關係,位移最後並未回到基線原點,並且在東西方向有將近13公尺的位移量,垂直向則是約2公尺之位移量。

從一開始USGS由地震記錄判斷出4段主要斷層破裂,到GNS學者從GPS、InSAR等大地測量資料判斷出12條斷層,最後加上野外調查的結果,一共找到了21條斷層地表破裂的證據。Kaikoura地震如此複雜的斷層破裂特性是地震學家以前從未料想過的情況,著實帶給地震和地質學家對大規模複雜地震的全新認識,也再一次提醒我們在變化詭譎與不可預測的大自然前,必須永遠保持謙遜。人口相當稠密的臺灣,若發生類似的地震其結果大家都可以料想得到,越靠近斷層的區域,當該斷層錯動時所受到的破壞力越大,且近斷層的強地動行為有其特殊性,我們生活在這個地震之島上就必須更了解這些活動斷層的特性,才能進一步設法研擬出合適的耐震設計,這也是國震中心下個階段所要投入大量研究資源的方向[11],隨著國震中心位於臺南的南部實驗室將在今年8月落成開幕,我們必須為確保臺灣未來在大地震下的耐震安全更加齊心盡力,加快腳步進行研究並落實到結構安全的提升。

參考資料:
1.BBC NEWS,Kaikoura: ‘Most complex quake ever studied’:
http://www.bbc.com/news/science-environment-39373846
2.Stuff National,Divers and volunteers band together to save stranded shellfish and sea life :
http://www.stuff.co.nz/national/nz-earthquake/86476242/Divers-and-volunteers-band-together-to-save-stranded-shellfish-and-sea-life
3.USGS,M 7.8 – 54km NNE of Amberley, New Zealand
https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us1000778i#finite-fault
4.Bradley, B.A., H.N.T. Razafindrakoto, and V. Polak. (2017). Ground-Motion Observations from the 14 November 2016 MW7.8 Kaikoura, New Zealand, Earthquake and Insights from Broadband Simulations, Seismological Research Letters, Vol. 88, No. 3, 740-756.
5.Hamling, I.J. et al., (2017). Complex multifault rupture during the 2016 MW7.8 Kaikoura earthquake, New, Zealand, Science, Vol. 356, aam7194.
6.Kanamori, H. (1977). The energy release in great earthquakes. Journal of Geophysical Research, Vol. 82, No.20, 2981–2987.
7.Litchfield, N.J. et al., (2017). 14th November 2016 M7.8 Kaikoura Earthquake. Summary surface fault rupture traces and displacement measurements, GNS Science.
http://dx.doi.org/10.21420/G2RC7C
8.連永旺和黃漢勇,1999年,大地裂痕:空中鳥瞰車籠埔斷層,財團法人地工技術研究發展基金會。
9.RNZ News,Kaikoura quake’s 21 faults could be world record
http://www.radionz.co.nz/news/national/326617/kaikoura-quake%27s-21-faults-could-be-world-record
10.GeoNet,Strong Motion Data
http://info.geonet.org.nz/display/appdata/Strong-Motion+Data
11.國家實驗研究院,地震工程實驗設施建制新里程碑!國研院國震中心第二實驗設施興建工程上梁典禮
http://www.narlabs.org.tw/tw/news/news.php?news_id=1397

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