由集集地震探索巖石圈強(qiáng)度的時空演化 揭露臺灣造山帶下部地殼的流變學(xué)行為

九二一集集大地震是臺灣歷史上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，曾在一夜之間奪走數(shù)千條寶貴的生命，更造成後續(xù)高達(dá)數(shù)千億元的經(jīng)濟(jì)損失。因其對社會的衝擊甚鉅，集集地震長期以來一直是地球科學(xué)界投入大量人力與物力的研究焦點(diǎn)，期望對地震孕震過程有更多了解及認(rèn)識，能夠在未來達(dá)到地震防災(zāi)與減災(zāi)的目的。

巖石圈強(qiáng)度及其隨時間的演化在地震災(zāi)害風(fēng)險評估中是一個重要的指標(biāo)參數(shù)。然而，巖石圈的強(qiáng)度受到如應(yīng)力、巖石組成、結(jié)晶粒徑、含水量、巖壓與溫度等諸多物理條件的控制，使得了解巖石在自然環(huán)境及地質(zhì)時間尺度下的受力變形行為一直是一大挑戰(zhàn)。

為了探索臺灣造山帶巖石圈強(qiáng)度的時空演化過程，中央研究院、臺灣大學(xué)、中央大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)及美國南加州大學(xué)組成國際研究團(tuán)隊，開發(fā)新的演算方法，並透過集集地震震後長達(dá)十年以上由全球衛(wèi)星觀測定位系統(tǒng)（GPS）量測的地表位移時間序列，解析臺灣造山帶下部地殼變形特性。研究發(fā)現(xiàn)下部地殼的巖石在受力變形時，應(yīng)力和應(yīng)變速率呈現(xiàn)非線性關(guān)係，有別於過去所認(rèn)為的線性關(guān)係；暗示巖石的強(qiáng)弱在地質(zhì)時間尺度上有橫跨好幾個數(shù)量級的變化，而大地震過後短期內(nèi)大量及快速的變形對臺灣造山運(yùn)動亦有顯著的貢獻(xiàn)。

大地震過後，地殼會經(jīng)歷一段暫態(tài)變形，其時間長短因地震而異，一般可以持續(xù)數(shù)年至數(shù)十年不等，我們稱之為「震後變形」。震後變形的成因包含地震過後斷層上的持續(xù)滑移及地殼深處受同震應(yīng)力所觸發(fā)的塑性變形。透過臺灣高精度的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測網(wǎng)，集集地震過後大量且長期的震後地表位移被完整記錄，幫助我們深入剖析臺灣造山帶下部地殼的變形特質(zhì)。

在過去傳統(tǒng)的震後變形研究，巖石圈內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)係通常被認(rèn)為呈線性相關(guān)。然而，包括在美國加州、蘇門答臘、日本以及智利，隨著越趨完整的觀測資料，越來越多的證據(jù)顯示應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的比值隨時間並非一恆定值。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，集集地震後十?dāng)?shù)年的觀測資料無法由單一的線性變形來解釋。取而代之的是，集集地震的震後變形很有可能涉及地殼的暫態(tài)蠕變行為，以及後續(xù)的非線性變形。這樣的結(jié)果顯示，地殼內(nèi)部的塑性變形是由礦物晶體的錯位攀移所控制的運(yùn)動，這種變形容易在地殼中產(chǎn)生許多小裂縫，並使得礦物結(jié)晶朝著特定方向排列，而這樣的變形特徵和地震學(xué)觀測資料不謀而合。

除此之外，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室?guī)r石試驗(yàn)測量到的巖石蠕變參數(shù)，研究團(tuán)隊估算由臺灣西部平原到中央山脈的地溫梯度，大致由20°C/km向東遞增為30°C/km，與過去利用地質(zhì)與地球物理方法所推算的數(shù)值相去不遠(yuǎn)。這個發(fā)現(xiàn)說明，雖然實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與大自然之間在時間與空間尺度存在巨大的落差，巖石的流變特性似乎並沒有因?yàn)槌叨炔町惍a(chǎn)生大幅度的偏差。此研究表明大地測量資料有可能彌合實(shí)驗(yàn)室以及巖石圈時空尺度之間的差異，用來研究地殼流變學(xué)和大地構(gòu)造的演化過程，進(jìn)而估算合適的物理參數(shù)做為未來地球動力學(xué)建立模型的參考依據(jù)，為地震孕震過程及臺灣造山運(yùn)動提供新的見解與思維。

這項研究由臺大地質(zhì)系博士生唐啓賢（同時為中研院地球所研發(fā)替代役）、中研院地球所許雅儒研究員（同時為臺大地質(zhì)系合聘教授）、美國南加州大學(xué)地球科學(xué)系Sylvain Barbot助理教授、新加坡南洋理工大學(xué)地球觀測中心James D. P. Moore博士以及中央大學(xué)地球科學(xué)系張午龍副教授共同完成，並於2019年2月27日發(fā)表於美國科學(xué)發(fā)展協(xié)會下的頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)前緣》（Science Advances）。