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May. 02 2019

GPS不只是路痴救星,也能幫地球科學家觀察地殼變形!

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  • 位於七彩湖的GPS連續觀測站(中研院蘇宣翰先生提供)

你知道GPS除了能幫你輕鬆地找到想要去的地方之外,也被地球科學家用來觀察地殼變形嗎?

GPS的定位精度只要達到「公尺級」,即可滿足日常生活中大多數的需求。然而,板塊移動速度緩慢,一年僅僅移動數公分,必須透過長時間的連續觀測來提升精確度。當GPS定位精準至「公釐級」,藉由觀測站座標隨時間的變化,地球科學家便可得知地殼在何處變形,並推測地底下的斷層活動與岩石的物理性質。

地殼變形與地震之間存在著密不可分的關聯。九二一集集大地震迄今已邁入第二十個年頭,大地震後長達十年以上的地表位移時間序列,隱含源自於斷層以及深層地殼的變形資訊。這些長期的觀測有助於我們解析臺灣造山帶下部地殼的岩石變形特性,對於理解地震如何發生以及地震的再現週期而言是十分重要的一個課題。

地殼岩石的變形速率,與地殼內部能量累積的過程息息相關。板塊運動會造成地殼不斷變形,上部地殼變形行為像木板,呈現「脆性變形」;下部地殼因為溫壓條件的改變,變形行為像年糕,能量容易以「塑性變形」的形式釋放,而不易發生地震。受到下部地殼持續變形的影響,上部地殼內部及斷層帶不斷累積能量,承受不住時便引發地震。假設斷層帶下部每年位移5公分,且地震能量每100年釋放一次,當地震發生時便會伴隨產生5公尺的位移量。

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下部地殼的岩石變形行為受到岩石組成、結晶粒徑、流體、岩壓與溫度等諸多物理條件控制,使得了解岩石如何在自然環境下受力變形一直是一大挑戰。然而,透過長期的GPS衛星觀測資料,我們有希望突破傳統上的限制。

大地震過後,地殼會經歷一段短暫且快速的變形,藉此來釋放掉地震當下尚未釋放完的能量,其持續時間因地震而異,一般為數年至數十年不等,我們稱之為「震後變形」。震後變形的成因涉及地殼內部許多複雜的變形機制,但一般認為斷層面上的持續滑移、以及下部地殼受地震激發的塑性變形是最主要的兩個原因。臺灣高密度的GPS衛星觀測網完整記錄了九二一集集地震過後大量且長期的震後地表變形,幫助我們深入剖析臺灣造山帶下部地殼的岩石變形特性。

岩石的受力與變形速率通常被認為是一個簡單的線性關係。也就是說,當岩石受到兩倍的力,變形速率也會相應增加為兩倍。然而,我們的成果發現,集集地震後的GPS資料無法以單一的線性關係來解釋;相反地,受力和變形速率之間為非線性關係。換句話說,岩石受力只要增加為兩倍,岩石就可能會以八倍以上的速率產生形變。這告訴我們地殼岩石的強弱在大地震過後有顯著的變化,短期內快速的大量變形對臺灣造山亦有顯著的貢獻。

除此之外,我們也結合實驗室岩石試驗測量到的岩石參數估算「地溫梯度」,代表地殼溫度隨深度增加的比值,這對於研究山脈隆升的歷程十分重要。地溫梯度越高,暗示山脈抬升速率快,使深層較熱的岩石來不及冷卻就往上隆起。從臺灣西部平原到中央山脈的地溫梯度,大致從20°C/km向東遞增為30°C/km,顯示中央山脈為主要隆升區域的地溫特徵,與過去利用其他方法所推算的結果相去不遠。

這說明,雖然實驗室環境與大自然之間在時間與空間尺度存在巨大的落差,岩石的變形特性似乎並沒有產生大幅度的偏差。換言之,GPS衛星大地測量資料有可能彌合實驗室以及大自然之間的差異,用來研究岩石變形行為和大地構造的演化過程,進而估算合適的物理參數做為地球動力學建立模型的參考依據,為地震孕震過程及臺灣造山提供新的思維與見解。

 

文章來源:Tang, C.-H., Y.-J. Hsu, S. Barbot, J. D. P. Moore, and W.-L. Chang (2019), Lower-crustal rheology and thermal gradient in the Taiwan orogenic belt illuminated by the 1999 Chi-Chi earthquake, Sci. Adv., 5, eaav3287.

延伸閱讀:一場持續了50天的地震,為何眾人一無所悉?地震分布圖應該是何種模樣?

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