• 921以來的地震地質研究回顧
        李建成  中央研究院地球科學所

        前言
        台灣地球科學界在1999年集集地震前,地震地質的研究著墨不多,大概僅有一些非常初步的探討,例如1)槽溝開挖古地震分析(如六龜的潮州斷層活動分析),2)航照地形的斷層崖判釋(楊貴三,1986)等。然而當時得到的成果相當有限,也許受限於槽溝分析技術,或者是定年技術,以及遙測影像的解析力。當然另外有一個外在因素是,921的前一次台灣大型災難地震是1951年的花蓮及台東地震,及更早一些的1935年苗栗台中地震;在1999年之前的二、三十年間,是個沒有大地震的時期,對於地震地質學的研究,似乎並沒有特別的急迫性及需求。
        1999年集集地震引發了車籠埔斷層全面性的逆衝滑移,造成長達100公里的地表斷裂,沿著車籠埔斷層,到處可見高度2-5米的斷層崖。地震後,國內地質學界大團結,數天內就組織了地震地表破裂調查團隊,十幾個小組各自負責2-3公里長的斷層區段,在幾個星期內,完成了地表地震破裂的全線位置分佈圖。車籠埔斷層的地震地表破裂,也吸引了國際知名的地震地質學家來台,進行研究分析;同時也帶動了台灣地震地質研究的國際化,很快地在幾年內便跟上了世界的研究腳步。但是其中的過程卻也經過相當的努力及辛苦,值得記錄下來。

        槽溝開挖及分析技術發展
        在地震地質研究上,槽溝開挖工作及分析,大概可以算是最具有代表性的工具及方法之一。地球表面板塊的交互作用在地殼中造成岩石斷裂並引發地震,板塊長期持續作用使得岩石的斷裂一再的發生,「斷裂」逐漸形成了「斷層」。在地質時間的孕育下,斷層代表了累積數十次,甚至上百次的地震斷裂滑移。地質學家了解到地震的發生,多半指示某條斷層的再次錯位。而921集集地震也不例外,指示了車籠埔斷層的再次活動,因此研究分析車籠埔斷層過去的活動歷史及記錄,勢必非常有助於了解「車籠埔地震」過去的時空背景。斷層帶的槽溝開挖,是1980年代美國地質學家研究加州聖安德烈斯斷層地震特性及週期,所發展出來的一套研究古地震的技術及方法,其中Kerry Sieh教授是這方面的始祖及佼佼者。
        集集地震造成地表車籠埔斷層長達100公里的破裂,及許多災難性破壞與人員的傷亡,消息很快地傳到當時任教於加州理工學院Sieh教授的耳中。在同樣是加州理工學院畢業的台灣旅美鄧大量院士的穿針引線下,Sieh教授組了一個小組,到台灣進行野外勘查。而台灣地球科學界也因此和Sieh教授建立了之後多年的合作關係及友誼。
        在Sieh教授的引薦協助下,台灣學者很快地學習了如何進行高解析力的槽溝開挖分析。其中包括陳文山教授團隊及李錫堤教授團隊等為首的學術界研究小組,與美國華盛頓中部大學、美國地質調查所、日本京都大學等,有非常密切的交流、經驗傳承及共同合作,陸續在車籠埔斷層帶,進行了數個大小不同規模的槽溝開挖,分析斷層在近地表的斷層帶錯移褶皺的地層,及交錯的各種斷層分支構造,加上不同年代層位的同位素定年(以碳十四定年為主),來嘗試得到古地震的地表錯位量(再嘗試換算成規模)及地震發生時間年代。在數年內,綜合這些槽溝結果,包括了豐原、南投、霧峰、名間、竹山等地點,重建了車籠埔斷層過去數千年來的古地震活動歷史,及平均300-400年的大地震再現週期(Lee et al., 2001; Chen et al., 2004; Lee et al., 2002)。
        集集地震後方興未艾的台灣槽溝開挖古地震研究成果豐碩,不但為學術界地震地質研究打了一劑強心針,同時也訓練不少學生獲得寶貴的研究技術,並間接技術移轉到業界工程顧問公司及政府單位。車籠埔斷層的研究吿一段落後,在中央地質調查所的遠見及經費大力支持下,開始全面有系統的對台灣所有可能的活斷層進行槽溝開挖的古地震分析研究。當然學術界也有一些從個人興趣出發從事的斷層槽溝古地震研究。基本上從1999年集集地震後,幾乎每年都有一些新的斷層古地震的工作及成果;921迄今二十年期間,全台四、五十條活動斷層,有超過一半都實施了槽溝開挖工作,成果算是相當豐碩。

        地形分析及光達高精度地形模型
        在921地震前,台灣構造地形的分析,從1980年代起就開始有相當規模的研究,特別是師大地理系的團隊,進行了全台階地的分類及活斷層形成的地形崖,當時分析的資料基本上是採用航空照片,包括了航照立體對的地形判釋。而當時的航照的地面解析度大約是數公尺。另外1980到1990年代也有一些零星的遙測影像分析,例如全台雷達影像的線型繪製及構造分析(劉進金,1981)。此外遙測影像的分析,也從類比式(照片紙本分析)漸漸進入到數位式(電子檔電腦處理)。各種快速及多樣化的電腦數位分析,讓地表影像的地質或構造分析,進入到了另一個階段。
        集集地震後,美國加州理工的Sieh教授為台灣學術界帶來了一陣數位地形模型(DEM, Digital Elevation Model)構造地形電腦分析研究的旋風。利用當時太遙中心剛完成不久的全台四十米解析度數位地形模型,Sieh教授指導了當時在加州理工學院攻讀博士的徐澔德(現為台大教授),展示了地形崖如何清楚地表現出活斷層的構造特徵,包括了集集地震前的地形,就顯示了車籠埔斷層極端清晰的活斷層地形崖。同一時間,Sieh教授也帶領著徐澔德教授(當時為博班學生),進行全台(尤其是東部縱谷)的構造地形及古地震研究,陸續獲得很好的科學成果(Shyu et al., 2005, 2008)。
        數位構造地形的研究風潮,不但帶動了國內學者的積極學習及跟進研究,另外也間接促成了更新及增進台灣更高解析度的數位地形模型的建立,而其中最重要的是光達高精度地形模型(LiDAR DEM)。省略細節不談,促成台灣能夠建立自己的光達1米(或2米)高精度地形模型資料的先驅者,包括了交大史天元、中央研究院詹瑜璋、中央地質調查所等關鍵人物及經費支持者,當然還有他們團隊下的許多成員及相關人員。從2003?年的車籠埔斷層沿線地形模型、2004年新竹工業園區地形模型及活斷層構造分析,到2005-2009年大台北及宜蘭地區地形模型計畫,及2010-2015全台光達高精度地形模型計畫。集集地震後的20年間,光達計畫已經將台灣構造地形分析的基礎資料的解析度,提升到另一個高度。
        另外值得一提的,集集地震帶動並提升了台灣學術界在遙測影像及構造地形分析的層級,在隨著無人機技術這幾年來的成熟及快速進步,高精度地形模型的地面解析度,在最近這二、三年,台灣學界已經可以做到數十公分解析度的地形建模,無論在科學及實用上,都有很大的應用價值。

        構造地質上的分析研究
        地震及斷層在地殼中長期重覆地活動,成就了斷層帶及周邊地區獨特的地質構造,例如台灣西部分佈了許多的活斷層,而整體而言,就是發育在台灣山脈的「褶皺逆衝帶」(fold-and-thrust belt)。構造地質的研究及分析,對於了解斷層及地震有相當程度的幫助,例如建立斷層的幾何形貌,近地表斷層分支,斷層的長期滑移運動學特性等,都與地震長期的多次特徵有密切關連。
        引發921集集地震的車籠埔斷層,是山脈褶皺逆衝帶的一個典型的前緣帶逆衝斷層。構造地質學的分析顯示逆衝斷層的上盤岩石是相對比較主動變形的塊體,過去在世界各地類似的地質背景有不少研究,也建立了一些定律及理論,包括斷層褶曲變形(Fault-bend fold)、斷層遷移褶皺(Fault propagation fold)、三角剪力變形帶(trishear)等與斷層帶變形相關的想法及實證。集集地震100公里長的地表斷層帶破裂及地形崖,吸引了不少國內外學者進行車籠埔斷層的構造地質分析,包括李錫堤、盧佳遇、李元希、李建成、詹瑜璋等學術界構造地質學家,外國學者有安朔葉(Jacques Angelier)等。野外地質露頭的觀察及詳細分析,配合槽溝的斷層剖面、地質鑽井(淺井或深井)、震測剖面、地表同震與間震變形的測量分析(包括GPS、水準、航照影像處理分析、InSAR等),地質學家解析出集集地震地表的斷層滑移運動學的特性(Angelier et al., 2003),也以區域大向斜構造解釋了為什麼車籠埔斷層北端的地震破裂呈現大角度彎曲的現象(Lee et al., 2002),車籠埔斷層北段的地下幾何及與三義斷層的關係(Hung et al., 2007)。
        集集地震將美國普林斯頓大學教授John Suppe“帶回”台灣。Suppe教授年輕時在台灣從事多年的研究工作,對台灣西部褶皺逆衝帶的構造有非常深入的探討,其中最膾炙人口的是他以台灣為例,提出了斷層褶曲變形(Fault-bend fold)的幾何建構理論(Suppe, 1983),是國際公認的構造地質大師。Suppe教授在台灣組成新的研究團隊,除了更精細的探討車籠埔斷層的地表破裂構造特性,例如區分地表斷層崖和褶皺崖的不同特性(Suppe et al., 2000)、新社背衝撓曲(Le Beon et al., 2014)等,也深刻影響了台灣其他學者利用「斷層褶曲變形」理論來推導解釋台灣其他斷層的地下幾何,例如縱谷斷層(Shyu et al., 2008)及後甲里斷層等。

        結語
        921集集地震是台灣近百年來災害最嚴重的大地震,確實對台灣社會民生帶來了很大的衝擊。從另一個角度來看,藉由這樣的災難事件引發了科學家對地震有更積極的研究及了解,同時也得到國家政府額外的經費支持,及國際學者一流學術觀念的挹注交流,再短短的幾年內,台灣地球科學界對於地震科學的了解,及更清楚台灣活斷層及其他可能的孕震構造的特性。在地震地質的這個研究分支領域上,也同樣搭上了這個研究列車,讓台灣的地震地質快速地進入了世界領先的地位中。
引用文獻
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