110 科學人 2009 . 10

颱風與地震是台灣的兩大天然災

害，1999年的九二一大地震與

2009年的八八水災都給台灣帶

來重創，然而這兩種天然災害之間可能有

任何關聯嗎？

相較於在大氣中形成的颱風，科學家對

發生於地底下的地震行為，了解得實在非

常有限。例如地球板塊如何擠壓碰撞？地

震時斷層如何破裂？特別是地震發生時還

有一大部份無法解釋的能量損失，這些問

題都像是黑箱子裡的秘密。因此若能有辦

法更仔細了解斷層的活動，或許有助於找

出上述問題的答案。

地震學裡的暗能量

「地震」就是「地殼的震動」，然而要

震動到什麼程度才算地震？剛好發生在某

一地震儀旁邊的小震動算不算？因山崩產

生的震動算不算？許許多多的疑問，卻也

讓「地震的定義」越來越清楚：中央氣象

局將其地震網儀器中有三部以上儀器同時

記錄、且能定出震央位置的，才列入「地

震目錄」中。然而過去40~50年來，地震

學家也發現有一種輕微的地震活動，在地

震儀器上完全記錄不到，可是其產生的機

制完全和正常地震相同，也釋放了原本斷

層上所累積的能量，那麼它是否應該算是

「地震」呢？

地震學家將這種地震稱為「慢地震」，

見文生義，就是斷層破裂得比較慢，或是

發生時間比較長的地震。一般而言，典型

的地震大約用數秒到數十秒來釋放其所儲

存的能量，但慢地震卻花費數十分鐘、數

小時，甚至數天到一星期來釋放其所累積

的能量。例如1978年日本伊勢半島大地

震後就有一連串慢地震；1992年美國聖

安地列斯斷層於加州中部持續約一星期在

應變儀上造成的一連串奇怪訊號，已證實

為慢地震；甚至1960年南美智利大地震

之前，也證實隱沒帶上發生過慢地震，並

且在接下來發生大地震的震源區增加了額

外的應力。

另外，在全球的幾個隱沒帶，如日本海

溝、南海海槽隱沒帶，以及北美西岸的卡

斯卡迪亞隱沒帶，都發生過多次慢地震。

近年來，也有幾個報導證實GPS所觀測到

地球科學

重點提要■ 1970年代，地震學家

發現了一種發生機制完

全和正常地震相同的

「慢地震」。它也會釋

放原本斷層上所累積的

能量，只是斷層破裂得

比較慢，或是發生的時

間比較長。

■ 台灣海岸山脈東邊的板

塊擠壓，並未完全以地

震或抬高海岸山脈的方

式來釋放能量，可能正

緩緩發生著慢地震。

■ 科學家發現，颱風的低

氣壓可引發台灣東岸的

慢地震，為地殼能量的

累積與釋放，提供了一

個重要的均衡管道。

影像來源：劉啟清／影像合成：科學人

合成示意圖

sa.ylib.com 科學人 111

的地殼變形，或應變儀所觀測到的變形，

都未在地震儀上留下任何記錄，這些都被

歸類為「慢地震」或「靜地震」。

慢地震在最近數十年來陸續發現、證實

並逐漸受到重視，這也可以解釋在過去估

計板塊碰撞過程中所產生的能量累積與能

量釋放，為何經常無法達到平衡，慢地震

可能可以解釋其中部份的能量缺失。

發現台灣的慢地震

為了研究台灣的地體構造環境，中央

研究院地球科學研究所自2002年底開始

陸續在台灣東部裝設井下應變儀，做為

「台灣板塊邊界實驗室」（Plate Boundary

Observatory, Taiwan; PBOT）的重要實驗儀

器，期望能掌握發生在此地的菲律賓海板

塊與歐亞大陸板塊間碰撞擠壓、產生變形

的物理現象。

會選擇台灣東部做為研究對象的另一個

原因是，經由GPS觀測的速度場發現，台

灣海岸山脈東邊（即海邊）的板塊位移速

度，大約比海岸山脈西邊（縱谷）的速度

快上約每年兩公分（見右圖），亦即來自

菲律賓海板塊的擠壓，應該經由某些方式

吸收掉了。最一般的方式是由地震消耗大

部份的能量，或是部份能量用來抬高海岸

山脈，儲存於位能之中；然而實際的情況

並非如此。

颱風引發慢地震前一陣子，台灣地震似乎特別多；颱風不來則已，一來就造成嚴重災情。

理論上這兩件事應該沒有關係，可偏偏又讓人心生聯想。如今科學家可找到

颱風與地震之間的某種關係了：颱風可以引發「慢地震」，

而悄悄釋放地殼裡的能量……

撰文／劉啟清

資料來源：劉啟清／電腦繪圖：姚裕評

由GPS觀測站所測得的速度場可看

出，台灣海岸山脈（菲律賓海板

塊）以每年約6 ~ 8公分的速度向西

移動（白色箭頭），而縱谷（歐亞

大陸板塊）只以每年約4公分的速

度向西移動（藍色箭頭）。這速度

的差異顯示此地地殼的快速擠壓，

但這些擠壓的能量跑到哪裡去了？

黃色三角形的頂點是本研究埋設井

下應變儀的三個測站：猴子山、奇

美與樟原。

猴子山 奇美

樟原

花蓮

豐濱

成功

0 5 10公分／年

112 科學人 2009 . 10

若仔細計算台灣東部的地震活動，小地

震的發生次數遠少於四周地區；若是觀察

大地震的次數，在整個板塊邊界，雖然板

塊相對縮減率高達每年八公分，卻在百年

內完全沒有規模大於8的地震，規模大於

7的地震也只有六次。在日本，相同兩個

板塊邊界的南海海槽，板塊相對縮減率為

每年四公分，同樣的百年內卻有兩次規模

大於8的地震，與八次規模在7.0 ~7.9間

的地震。相較之下，台灣東部的地震發生

頻率實在太低了，能量跑到哪裡去了呢？

累積起來準備來一次超級大地震嗎？

當然，在台東玉里到池上間的地段，雖

然在1951年有一次規模約7.0的地震，但

大部份能量仍以蠕動（creeping）的方式

釋放，在這一區以北的瑞穗、奇美地區卻

未見有明顯的蠕動現象，因此中研院選擇

井下應變儀的測站位置時，即首先考慮瑞

穗、奇美地區，以尋找花東地區地殼微量

變形的蛛絲馬跡。

果不其然，在2003 ~2007年間的觀測

中，我們共偵測到20次慢地震，更令人

意外的是，其中的11次慢地震發生在颱

風接近台灣之時。為了解釋這樣的現象，

我們經由「錯動理論」的電腦模擬，確認

了斷層的錯動可以解釋井下應變儀所記錄

到的「慢地震」，而颱風期間氣壓降低，

有利於引發這些慢地震。

颱風如何引發慢地震？

這次研究中引用到的三個井下應變儀觀

測站，分別位於瑞穗的猴子山、奇美與樟

原，各站相距5~11公里。井下應變儀長

約3公尺，鑽孔深度為200公尺（選擇岩

層較為完整的深度），安裝時得先注入水

泥，再將儀器垂直置入，讓水泥連結儀器

與四周岩層，使儀器可以感應岩層的應

變。井下應變儀的敏感度高達10-11（應變

是一種比例，因此沒有單位，而且數值越

小越靈敏），它不僅能記錄地殼岩石的微

小變形，也能偵測大氣壓力的變化（見右

頁〈井下應變儀的原理〉）。

我們發現2004年12月初南瑪都颱風來

襲期間，在12月1日 ~ 2日三個測站所記

錄到的應變量有相當一致的潮汐變化，當

2日下午氣壓降低時，應變儀也有正常的

膨脹現象，但3日凌晨氣壓持續降低，儀

器卻沒有膨脹。三個站同時記錄到的應變

雖然大小不同，但重要改變的時間卻都一

致，這表示三個站是同時受到同一事件的

影響，只是因為地理位置不同，才會在應

變量上有差異。

影像來源：劉啟清

劉啟清是中央研究院地球科學研

究所副研究員，早期在美國加州

大學洛杉磯分校以精密水準測

量中的系統誤差來解釋南加州棕

櫚谷快速隆起並即將發生地震

的說法，登上《科學》。後來致

力於台灣地區的垂直地殼變動、

GPS研究與台灣地區坐標系統之

訂定、造山運動與板塊邊界活動

等研究，今年開始投入空載光達

的應用研究，以監測快速變化的

山崩、土石流、河床、海岸等地

區，希望在這全世界變化最劇烈

的地區，人與自然能和諧共存。

錯動理論與模擬計算

自從1906年美國舊金山大地震以

來，科學家發現地震所造成的地殼變

形，並不是雜亂無章、東倒西歪的。

在舊金山地震之後，田地中原本排

列整齊的植物，竟呈現反正切函數

（arc tangent）的分佈，就如同晶體

內部格子錯動而在晶體表面產生的變

形。研究此錯動與地表變形間關係的

理論，就稱為錯動理論（dislocation

theory），也就是把地底下斷層面的相

對運動看成一種結晶格的錯動，可有

效計算地表的變形量。

這次的研究中，我們就是以此理

論來計算並解釋三個觀測站的井下應

變儀所記錄到的應變量。在我們的模

式中，所用的變數為斷層的參數與位

置，以及各井下應變儀觀測站的位

置，其中斷層的參數包括寬、高、

走向（strike）、傾角以及兩邊的錯動

（相對位移）量。透過這樣的計算我

們發現，一個地底下的錯動會在地表

不同位置有不同的應變量，而同樣大

小的錯動量，會因為深度的不同，會

使同一個測站的應變由壓縮變到伸

張，或反過來變化。

由於我們並沒有足夠的井下應變儀

資料來計算所有的相關斷層參數，因

此需要利用歷史地震分佈來找出可能

的斷層位置、大小及傾角（詳見114

頁〈重現斷層破裂過程〉）。

我們的模式僅致力於估計錯動的深

度與破裂的延展速度，單一個斷層錯

動的時間序列，必須同時滿足三個不

同位置觀測站的應變量時間序列。更

重要的是，這些錯動量的時間序列在

深度與時間上還必須有關聯性，也就

是說，要能符合錯動理論的「斷層是

由某一深度、以固定速度往下破裂，

而非在斷層面上雜亂無章地發生」。

sa.ylib.com 科學人 113

由錯動理論所發展的電腦模擬，可以有

效計算地表的變形量，也可計算出井下

應變儀所在位置的應變量。透過這樣的計

算，我們提出了一個三階段的斷層破裂模

式，可大致符合12月2日~3日三個觀測站

的記錄，並描述斷層面破裂過程的細節。

（詳見114頁〈重現斷層破裂過程〉）

在這個錯動理論模式中，前兩個階段的

破裂速度大約在斷層面上以每小時0.3公

里的速度發展，這相對於正常斷層的破裂

速度為每秒2~3公里，差了三萬倍；而第

三階段的破裂稍微變快，但是也只有每小

時1.2公里。這個模式也證實了那幾天中

此地發生的斷層破裂，是一次不折不扣的

「慢地震」！

當一個地震的破裂速度如此之慢，表示

它將大部份的能量消耗在位能及熱能上，

其餘可傳播出去的振動能量就很有限，高

頻能量也非常少，因此一般的地震儀才

無法記錄到，或僅記錄到較低頻的震顫

影像來源：劉啟清／電腦繪圖：姚裕評

在地震學及其相關的研究工作

中，最重要的量測工具就是地震儀

（seismograph），它能忠實記錄當地

球受擾動時所傳出去的波動的地殼位

移量或其微分量。現在最常使用的有

運動地震儀，包括速度、加速度地震

儀等；但是若想量測兩點之間的相對

運動，也就是位移量的空間微分，就

必須使用「應變地震儀」。

著名地震學家班尼奧夫（H u g o

Benioff）在1935年設計了膨脹應變

計（dilatation strainmeter），是現今

井下應變儀的最初始模型。班尼奧夫

的設計概念，是將一個充滿離子溶液

的圓形容器置於地底下，與岩層結

合，當岩層變形，容器的體積也跟著

改變，因此也改變了液體中的離子濃

度。若在井口固定距離加電壓量測電

流，就可推算容器體積的變形量。

到了1965年，美國華盛頓卡內基

學院的薩克斯（I. Selwyn Sacks）將

德州大學奧斯丁分校艾佛森（Dale W.

Evertson）設計的離子濃度感應器，

應用在井下應變儀上。1968年8月，

第一個改良式的井下應變儀就裝設在

華盛頓卡內基學院內約50公尺的地底

下，並在幾天之內記錄到一個微震，

這時候，結合儀器與岩石的水泥都還

沒完全凝固呢！這個井下應變儀大約

可以量測到低於10-12的變形量。其後

的持續改良，包括將離子溶液改成較

穩定的矽油、換用直流電壓輸出的壓

力感應器，終成為現代的薩克斯–艾

佛森（Sacks-Evertson）井下應變儀。

目前所使用的井下應變儀則會將容

器分成三個水平方位的獨立空間，以

量度不同方向的應變量，因而可以計

算出水平面積應變與水平面上的兩個

剪斜應變，對於地殼變形的解釋有很

大的幫助。

井下應變儀的原理

大清水觀測站裝設井下應變儀的現場。照

片中垂吊在井孔上方的是水泥輸送管，可

將「不收縮水泥」送至井底，之後再慢慢

放下井下應變儀（照片左下置於地上的金

屬物），使儀器與岩石間有一層薄薄的水

泥做緊密的結合，讓儀器可以感覺岩層的

微小應變量。

這是井下應變儀的內部構造圖。儀器下方

有一大部份是較輕的填充材料，僅有薄薄

一層空間充滿矽油，當管壁感受岩石擠壓

而變形時，會改變矽油的壓力，而由感應

器1量測出來。感應器1與感應器2之間由

兩個閥門控制，感應器 1的敏感度是感應

器2的10倍，透過閥門調控矽油在中間緩

衝區域的流動，可以得到最高敏感度與最

大感應容量。閥門 2外的空間可儲存因壓

力變化而流出的矽油。

7公分

3公尺

填充材料

感應器2

閥門2

感應器1

閥門1

矽油

具彈性的不鏽鋼管壁

地殼應變

預留空間

儲備區

114 科學人 2009 . 10

重現斷層破裂過程台灣東部猴子山、奇美與

樟原三個埋有井下應變儀的

觀測站，於2004年12月第一

個星期記錄到颱風與岩層應

變量有奇特的相關性（右方

上圖）。

資料上可看出各站在12月1

日~2日都有相當一致的潮汐

變化，應變約為0.05×10-6；

2日下午因颱風接近、氣壓降

低，應變儀有正常的膨脹，

記錄到氣壓降低了 5毫巴，

儀器膨脹0.02×10-6；但3日

凌晨氣壓持續降低，儀器卻

沒有膨脹。

為了以錯動理論來解釋這

三個測站所記錄到的數據，

我們自原始資料中移除三個

測站的潮汐與氣壓影響的變

化；同時因為三個測站的資

料不足以獨立反應斷層的參

數，我們參考台灣東海岸過

去地震的分佈，選用了走向

N190°E、向西傾斜60°、長

度 3公里的斷層為模擬對象

（右方中圖）。經由電腦計

算，我們模擬出斷層破裂三

個階段的詳細過程（下圖）。

影像來源：劉啟清

台灣東岸的歷史地震

分佈剖面圖。圖上顯

示了一個向西傾斜

的逆斷層（白色線

條），由於其朝向地

表的延伸線接近於海

邊，因此我們選擇此

斷層面為測試模式的

斷層。

2004年12月初南

瑪都颱風侵襲台灣

東部地區時所記錄

到的地底應變與氣

壓變化。當時最低

氣壓（994毫巴）

大約比正常氣壓低

了25毫巴，井下

應變儀的膨脹只有

0.05 ~0.02x10-6。

（隔年2005年7月

16日海棠超級颱風

來襲時，氣壓降低

50毫巴，應變儀膨

脹約0.2x10-6。）

第一階段：持續約12小時（2日20:30 ~3日

8:30），自地表以下3.8公里開始往下破裂，

共破裂了3公里長，斷層兩邊的位移量（即

錯動量）為10公分（逆斷層錯動，西邊往

上）。在這階段由於錯動位置越來越深，在

距離較遠且位於東南邊的樟原站於3日7:00

左右反向由壓縮轉變成伸張的變化，這是

在斷層與測站相對位置選擇的一個重要關鍵

處。第一階段結束後，斷層破裂停止三個半

小時。

第二階段：自3日12:00開始持續三個小時，

後斷層活動停止一個小時。在這階段中，自

深度3.7公里處沿斷層面破裂0.8公里，斷層

面的相對移動量為15公分。

第三階段：自 3日16:00開始至4日01:00為

止，自地底下3公里處開始破裂，沿斷層面

共破裂11公里，斷層面上相對位移量為10公

分。由於這個階段的活動位於地下深處，各

站在不同時間由壓縮轉變成伸張的應變，與

各測站的相對位置有關。

Vp/Vs

0 10 20 30 40 50 60距離（公里）

0

5

10

15

20

25

30

35

深度（公里）

2

1.8

1.6

1.4

應變

（x10-6

）

1 2 3 4 5 6 7（日）時間（2004年12月）

0

-0.05

-0.1

-0.15

-0.2

-0.25

-0.3

-0.35

-0.4

-0.45

-0.5

-0.55

-0.6

-0.65

1025

1020

1015

1010

1005

1000

995

990

大氣壓力（毫巴）

2 3 4 5（日）

時間（2004年12月）

0

-0.05

-0.1

-0.15

-0.2

-0.25

-0.3

-0.35

-0.4

-0.45

-0.5

-0.55

-0.6

-0.65

應變（

x10-6

）

氣壓

樟原

猴子山

奇美

第一 第三第二

移除潮汐及氣壓效應後的資料第一階段

第二階段

樟原

猴子山

奇美

破裂方向

破裂方向

3.8公里深

3公里

0.8公里

11公里

第三階段

滑動10公分

3.7公里深

滑動15公分

3公里深

滑動10公分

破裂方向

sa.ylib.com 科學人 115

（tremor，近年來地震學家也開始注意地

震儀中震顫的記錄，希望能藉此更了解地

震的物理現象）。

一切肇因於壓力變化！

但是，我們還是要追究一個最根本的問

題：為何颱風能在台灣東海岸引發慢地

震？這可以用基本的物理原理來解釋。當

大氣壓力降低時，井下應變儀可以很清

楚記錄到伸張的反應，這表示地底下各深

度的壓力都會降低。然而，如果你常去海

邊，當可注意到，低氣壓時的海平面會稍

高，這是因為水壓的準靜平衡：在水中，

相同的深度水壓一定要相等，否則水就會

由高壓處往低壓處流動，直到壓力達成平

衡為止。

當台灣東部的氣壓降低時，海水就會由

颱風範圍之外的遠處流往台灣海岸，直至

海水面升高到能使每一深度的壓力都等同

於較遠海域。於是在颱風來臨時，海域底

下的地殼中壓力大致不變，而陸地底下的

岩層則受壓減少（如右上圖），斷層若在

海邊向西傾斜，則斷層上盤的壓力減小，

而下盤不變，會使斷層面上產生一個上下

的張力。這對引發此處的逆斷層活動有兩

大幫助：其一是在沿著斷層面方向，上盤

的地層會相對於下盤有往上的力量，即較

易引發逆斷層活動；其二是在垂直斷層面

上的是個張力，會降低斷層面上的正壓

力，也就是會降低斷層面上的摩擦力，也

有助於引發此處的逆斷層活動。

颱風的低氣壓有助於引發此處逆斷層的

活動，但斷層面上累積的應力也必須達到

破裂的臨界值，否則斷層活動還是不會被

引發。反過來說，假如斷層累積應力已經

在破裂臨界值，縱使沒有颱風到來，持續

累積的應力還是會使斷層破裂。這也是為

何在2003~2007年觀測期間，中央氣象局

雖然共發佈25次颱風警報，但並不是每

次颱風來襲都會引起慢地震，也並非每次

慢地震都必須由颱風引發；而引發慢地震

的颱風也不一定是要最大的，超級颱風也

不一定會引發慢地震。

這是在台灣第一次發現的慢地震，也是

世界上第一次明確觀測到由外力引發的慢

地震，因此獲得學界的重視，並在今年6

月登上《自然》。對台灣東部擠壓的板塊

邊界而言，慢地震更重要的意義是，它為

地殼能量累積與釋放間的平衡，提供了重

要的均衡管道，也降低了這裡必然發生大

地震的疑慮。陸續的慢地震觀測，將有利

於地震引發過程與破裂過程的物理研究。

台灣東部板塊邊界在不同地區有不同的

特性，中研院已陸續在往北太魯閣區域的

板塊隱沒帶上方，設置另一個井下應變儀

觀測網，並正在往南的池上、成功的板塊

蠕動邊界地區設置另一個觀測網，希望能

在未來提供更多的地震研究資料，揭開板

塊邊界的各種奧秘。

當台灣東部的氣壓降低時（例如颱風來襲），遠處的海水會流過來以維持海面下各點壓力

的平衡，海底地殼的壓力維持不變；但此時陸地岩層所受的壓力降低，卻沒有海水可以補

充，因而引發此處的逆斷層活動。

延伸閱讀Slow earthquakes and stress redistribution. I. Selwyn Sackset. al, in Nature , Vol. 275, pages 599-602; 1978.

Typhoons trigger slow earthquakes. Liu, et. al, in Nature, Vol. 459, pages 833-836; June 2009.

台灣GPS固定站所測得的正常速度場，線

上動畫：http://gps.earth.sinica.edu.tw/images/ppt/horizontal_velocity_s01r_2007-2008.gif

電腦繪圖：姚裕評

低氣壓

外圍海水流進，使海平面上升

海水

海底岩層（上方壓力未發生改變）

陸地岩層（因低氣壓使壓力降低）

引發逆斷層活動

斷層破裂方向