用 GPS 觀測地殼變形
因斷層活動而無時無刻都在變化的地殼狀態，與地震、海嘯、山崩等現象的發生息息相關，因此「地殼變形」便成為了地震學家無法忽視的觀察標的，換句話說，地殼變動就像是地球在表露情緒一樣，不注意它可是會出大事的。那麼「地球的情緒測量師」又是在做哪些事？肩負了哪些任務呢？讓我們一起來看看吧！
地球情緒量測師──許雅儒
中研院地球科學所許雅儒研究員主要的研究項目，是利用全球衛星定位觀測系統 （GPS）、地震及井下應變儀觀測資料，綜合分析陸地及隱沒帶斷層在地震周期中不同時段之地表變形。簡言之，她是一位「地球情緒量測師」。
中研院地球科學所的許雅儒研究員。攝影／張語辰
談起踏入這一行的由來，許雅儒表示從碩士畢業後，起初其實沒有繼續進修打算；但在中研院地球科學所擔任研究助理期間，恰巧碰上了台灣地震史上的重大事件： 921 地震。親眼目睹了斷垣殘壁和慘重傷亡，許雅儒決定步上探索地球科學之路，深入探討那些災害背後的真正成因。於是，接下來的故事我們都知道了：她成為了地科研究員，成為了能看懂地球情緒起落的人。
今天地球心情如何？觀察「地殼變形」就知道
位於臺灣汐止的 GPS 固定觀測站。半圓形遮罩是為了避免蟲鳥、外力等因素造成天線損毀。 圖片來源／許雅儒提供
發生地震時，避難是當務之急，但地科所的研究員們最先想到的卻是：
全臺超過 400 個 GPS 固定觀測會往哪個方向位移？
GPS 觀測是經由衞星量測地表測站的座標位置，並加入時間變化數據計算位移速度，藉以推測地底斷層的活動情形。也因為它由衛星量測的特性，GPS 固定觀測站的設立位置需具備良好透空度（仰角 10° 以上無遮蔽物）、地質穩定、遠離電磁波干擾源等，臺灣目前設置有 400 多座GPS 固定觀測站，大抵沿著主要斷層帶擺放，與斷層垂直及平行方向皆有設置測站。
日常 GPS 導航的量測精度頂多是「公尺」，而 GPS 觀測地殼變形卻精準至「毫米」。
地球的板塊移動十分緩慢，一年僅移動幾毫米至幾十毫米，必須透過長時間的連續觀測以換取精度。研究員收集的資料，藉由觀測測站的位置隨時間之變化，取得測站的位移速度，反推出地下斷層的滑動情形（如下圖）。
分析全臺各地 GPS 測站的座標變化，得出 2003-2010 年間臺灣地區的地殼變動。 圖片來源／臺灣地震科學中心
以地殼變形最顯著的「地震」為例，平常測站會呈現長期、穩定的線性運動；而一旦發生地震時，時間序列上就會出現不連續的狀態（如下圖）。藉由計算地震震央附近測站的「位移量」，便可得知地殼何處出現變形，並推測斷層如何活動、滑移。
GPS 測站的座標時間序列。縱軸的 U 為垂直分量、 N 為南北分量、 E 為東西分量。線條錯開處為地震造成的不連續。 資料來源／許雅儒提供
臺灣位處隱沒帶、地震頻繁，地球的「情緒」時常在地表數十秒震動、板塊幾公分的移動間展露無遺。所以，地震正是觀測「地殼變形」的重要時機啊！研究員們當然第一個先想到的是「觀測」！
斷層滑移 ≠ 地震
講解「斷層滑移」之前，許雅儒表示我們應先建立一個觀念，才能正確的看到斷層活動的全貌：
了解斷層活動不能只看當下，因為斷層滑移歷史很長，可能長達數萬年。斷層活動是能量累積的結果。
我們對於「斷層滑移」的認知通常只想到地震；但其實斷層隨時都在累積、釋放能量，而其中伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。
隨著板塊運動，地殼會不斷變形，而「地殼變形」分為兩種：「脆性」變形與「塑性」變形。上部地殼一般為脆性變形；下部地殼則因為有地球內部的溫壓，所以是塑性變形。上下部地殼也因為各自的變形特性，有不一樣的能量承接方式：上部地殼可以積聚能量，並承受下部地殼的推擠，當上部地殼承受不住便引發地震。舉例來說，若下層每年推進 5 公分，假設 100 年後地震能量才一次釋放，便會產生位移 5 公尺的地震。另一方面，下部地殼因為其質地宛如年糕，通常不會造成大地震。
知道地殼形變的種類與對能量的因應方式後，許雅儒說，接下來要注意的就是斷層滑移的「歷程」了。斷層滑移有三個階段──間震期、孕震期與震後期，如下圖：
同震滑移、震後滑移、間震期滑移，可描述斷層累積及釋放能量的歷程。 資料來源／Scholz, 1998
而這三個階段滑移事件如下：
間震期滑移：上部地殼沒有大地震發生，主要能量由深處斷層緩慢釋放的斷層滑移。
同震滑移：伴隨地震的斷層滑移稱為「同震滑移」。
震後滑移：若在同震滑移後，地殼能量未釋放完全，而於地震時產生破裂的周遭發生斷層潛移、慢慢釋放能量，稱為「震後滑移」。許雅儒說，通常潛移是一種緩慢釋放能量的方式，時間可能長達一、二年以上。不過震後滑移還是有可能引發較大餘震。
為了更了解地震滑移的特性，許雅儒近期也進行了「山崩」的研究。她說，研究斷層難度較高，因為斷層所在的位置很深層，訊號傳到地表已經很微弱了，反之，滑動特性和斷層活動有部分類似的山崩事件，卻因山坡滑動面淺，在地表就可以接收足夠的訊號以了解滑動行為隨時空如何演變，因此，研究山崩也許就能推測地震孕震的過程。
（編按：關於山崩的相關研究成果，讓許雅儒獲得 2017 年臺灣傑出女科學家「新秀獎」。）
陸地之外，藏在海底的地球脾氣
除了陸地觀測，隱沒帶海底斷層活動也是不容忽視的一環。
海底監測同樣透過 GPS 定位系統，不過因為衛星訊號無法穿透海水，所以必須同時使用聲波定位。觀測時，陸地的 GPS 站會先跟船的位置做一般 GPS 相對定位，船的位置再跟海床聲波回應器做聲波定位，由此得知海床聲波回應器相對陸地 GPS 站的位置及位移速度。
海床聲波回應器，將之放入海中。 圖片來源／許雅儒提供
許雅儒說，近年的研究成果顯示，隱沒帶的地震規模相當驚人，如較為人所知的 2004 年蘇門答臘地震與 2011 年日本 311 大地震。許雅儒在蘇門答臘隱沒帶的研究成果（註一），首次收集到了近海溝的 GPS 觀測資料，並且驗證了隱沒帶淺層有「速度強化」此一摩擦性質；亦即隨著斷層的滑動速度增加，其摩擦強度也隨之增加，並有顯著的「震後滑移」。
此外，臺灣的鄰近海域還有許多大型的隱沒帶海溝值得進行觀測，包括琉球海溝（長約 2200 公里）與馬尼拉海溝（長約 1100 公里）。她說，雖然自 16 世紀至今馬尼拉海溝未曾記錄到大規模的地震，但因為無法排除未來發生的可能，仍需持續監測；如同在 2004 年發生大地震之前，蘇門答臘也沒有相關紀錄，地震發生後斷層破裂卻超過 1000 公里。
臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，有可能發生隱沒帶大地震。周遭海域有二大主要海溝：琉球海溝、馬尼拉海溝。 圖片來源／許雅儒提供 圖說重製／張語辰
海床監測面對的障礙較多，相較於陸地監測可以隨時驅車前往測站；海床監測受限於臺灣研究船少，有時只能租用漁船出海。海床監測工作不僅要搶船期，還得避開海象洶湧的冬天與颱風季；這項工作一年出海二次，一次一星期，期間研究人員需要 24 小時輪班。而且海床監測的定位誤差比陸地監測大，所以監測海床更需要長時間的觀察，平均需要五、六年才能累積出研究成果。
海洋研究船、漁船的海床監測工作景象。 圖片來源／許雅儒提供
GPS 測站守護者的野外挑戰
各地的 GPS 測站肩負感測地球一舉一動的任務，而研究者的野外工作就是守護這些測站。許雅儒表示，海床聲波回應器可能會被海底泥流掩埋而失聯、難以回收，除非派機器手臂下潛維護。而陸地上的觀測站則容易遭雷擊損毀，在非常嚴重的情況下，一年會有三座測站遭損毀。
許雅儒的野外研究，始於中央大學應用地質研究所時期於南橫測站的工作經驗。她說，觀測站大多位於人煙稀少的地區，分為固定站和野外站。固定站每天都會回傳資料，野外站則靠研究者平均每年一到二次野外工作收集資料。觀測工作的主要內容乍看單純，不外乎設置腳架、量測、紀錄等，但在野外進行研究就是一場場的冒險，許多時候得學會砍草、劈樹、挖地等技能，才能找到測站點完成工作。
許雅儒與團隊前往宜蘭太平山野外觀測站，進行研究工作。 圖片來源／許雅儒提供
野外工作充滿各種出乎意外的時刻。許雅儒分享，有次劈草開路，不小心與草堆中的墳墓照片四目相交，瞬間背脊發涼。也曾發生野外測站所在處山路險峻，車子踩滿油門居然還是因為太陡峭往後滑。更甚者還包括，設置好的測站因學校整地而被掩埋，必須親自拿鏟翻掘。野外活動也免不了與蟲蟻過上幾招，許雅儒曾於菲律賓野外研究，但因站點偏遠，僅有零星住家燈火，因此必須架燈擺站；殊不知燈一架，蟲黑壓壓地鋪天蓋地趨光而來，一張口吸進不少隻，還外帶了幾隻回旅店。
許雅儒強調，觀測地殼變形對其實對預警災害有著實質貢獻。例如監測一路延伸至菲律賓的馬尼拉海溝的狀況，可以告訴我們這條海溝是否可能發生地震、從而引發海嘯；這項資訊對整個南海，包括印尼、馬來西亞、越南等東南亞國家都至關重要。而若馬尼拉海溝附近的斷層發生地震引發海嘯，因臺灣西部海岸海底深度較淺，海嘯放大後也機會對臺灣造成嚴重災情。
預測地震很難，但有正確防災概念就可以減少地震損害
地震與海嘯的破壞力固然讓人恐懼，但並不若諸多影視文本可怖。
電影都太誇張了，每次看都覺得導演很有想像力。
許雅儒笑著說，民眾對地震了解不夠深入，而地震電影也時常「誇大」地震形象；例如地表嚴重破裂會讓人直墜地心，根本是無稽之談。她轉而正色且科學地解釋：地殼的確會破裂，但隨著深度增加，岩壓就越大。所以不管地震時地殼發生了張裂或聚合，深度增加時岩壓也會變大，因此最終深處裂面都會閉合。人們對地震缺乏透徹了解，因而帶來了諸多錯誤的災難想像。
至於地震觀測研究是否能達成「預測」、減少傷害？她坦言：
地震預測難度很高，因為地震孕震週期長，目前對地震觀測頂多百年以內，但是地震周期可能長達千年，從小窗口看出去，難以窺其全貌。
許雅儒說，各種預測方法不同，目前可感測的程度也不同。目前科學面推測可能可從地球化學、地震活動度、電離層、地球磁場等方法著手，不過要達到有效預測，需要長期研究排除其它非地震因素可能造成的擾動，最終才可能達成目的。最常被謠傳的生物表現其實也還需要嚴謹的測試，才能知道引發鳥鳴、馬陸大規模逃出地面的唯一原因是不是地震。
「就像這棟樓不久前才測得傾斜 2 公分啊」許雅儒手指天花板表示，中研院地球所頂樓就有一個 GPS 測站，後方新建大樓挖地基，在尚未建造連續壁時，頂樓的測站資料顯示地球所向南傾斜 2 公分。她說，若不曉得測站附近正在施工興建大樓，可能會誤判為其它因素。
預測難度高，主要由於斷層訊號傳到地表都很微弱，必須排除很多不相關的因素，因此要判斷地震前兆還有一段艱辛的路要走。
然而，面對地震的風險，具備防災觀念可能比追求預測地震更加更重要。許雅儒說，預測或改善現有的預警系統都還在努力中，但要真正減少地震的損害，其實不如從小教育地震防災的正確觀念；如此災害來臨時，才能將傷害減至最低。舉例來說，在地震如此頻繁的地區，臺灣仍然並非家家戶戶都備有最簡單的地震包。
不只是紙上談兵的「地球情緒測量師」
「地球情緒量測師」的研究並不是只限於「紙上談兵」的基礎研究，更深具社會責任、對防災做出貢獻。運用現今的科學技術，善用 GPS 和其她方法覺察地球的情緒起伏，雖仍不足以全面「預測」地震的發生，卻已能掌握地殼如何變形及斷層活動的情形。她也將量測方法、研究方法應用至了解滑坡、降雨及地下水位之關聯（註二），藉以瞭解大規模崩塌潛勢區域之滑坡活動，供防災與避難疏散之用等等。
在訪談最末，因為想到正身處傾斜的中研院地球所之中，我的眼神似乎透露出「傾斜 2 公分頗嚴重」的訊息，許雅儒連忙笑說：「還好啦，已經建造連續壁，不會再傾斜了」。對這件事的輕描淡寫不是忽視，而是許雅儒長期觀測地殼變形培養而來的淡定；「地球情緒量測師」慣於感測隨時隨地都在變動的地球情緒，靠的是正是準確定位、細心觀察、再下結論的紮實研究功夫。
延伸閱讀
- 許雅儒的個人網頁
- 【演講影片】隱沒帶大地震與海嘯，講者：許雅儒
- 《科學月刊》在熱誠之中追尋人生理想－許雅儒專訪
- 2017 年臺灣傑出女科學家獎－「新秀獎」得主許雅儒簡介
- （註一） Hsu, Y. J.*, M. Simons, J.-P. Avouac, J. Galetzka, K. Sieh, M, Chlieh, D. Natawidjaja, L. Prawirodirdjo and Y. Bock (2006), Frictional afterslip following the Mw 8.7, 2005 Nias-Simeulue earthquake, Sumatra, Science, 312, 1921-1926.
- （註一） Briggs, R. W., K. Sieh, A. J., Meltzner, D. Natawidjaja, J. Galetzka, B. Suwargadi , Y. J. Hsu, M. Simons, N. Hananto, I. Suprihanto, D. Prayudi, J.-P. Avouac, L. Prawirodirdjo, and Y. Bock (2006), Deformation and slip along the Sunda megathrust in the great 2005 Nias-Simeulue earthquake, Science, 311, 1897-1901.
- （註二） Hsu, Y. J.*, Y. S. Chang, C. C. Liu, H. M. Lee, A. T. Linde, S. I. Sacks, G. Kitagawa, and Y. G. Chen (2015), Revisiting borehole strain, typhoons, and slow earthquakes using quantitative estimates of precipitation induced strain changes, J. Geophys. Res., 120.
- （註二） Hsu, Y. J.*, R. F. Chen, C. W., Lin, H. Y. Chen, and S. B. Yu (2014), Seasonal, long-term, and short-term deformation in the Central Range of Taiwan induced by landslides, Geology, 42, 991-994.
- Chen, Horng-Yue, Ryoya Ikuta, Cheng-Horng Lin, Ya-Ju Hsu, Takeru Kohmi, Chau-Chang Wang, Shui-Beih Yu, Yoko Tu, Toshiaki Tsujii, Masataka Ando (2018), Back-Arc Opening in the Western End of the Okinawa Trough Revealed From GNSS/Acoustic Measurements, Geophysical Research Letters, 45(1), 137-145.
- Wu, W. N., Y. T. Yen, Y. J. Hsu, and W. M. Wu (2017), Spatial variation of seismogenic depths of crustal earthquakes in the Taiwan region: implications for seismic hazard assessment. Tectonophysics, 708, 81-95.
- Hsu, Y. J.*, S. B. Yu, J. Loveless, T. Bacolcol, R. Solidum, A. Luis Jr, A. Pelicano, and J. Woessner. (2016), Interseismic deformation and moment deficit along the Manila subduction zone and the Philippine fault system, J. Geophys. Res., 121, 7639–7665.
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