從馬航空難說起
2014年三月七日國際標準時間(UTC)17:19，
馬來西亞航空370號班機在吉隆坡機場起飛，準備前往北京。
一個鐘頭後，它從雷達圖上消失了，當時，上面載有227名乘客。
馬來西亞軍方記錄到的最後雷達位置，很奇怪的偏離了原本的航線(如圖一a)。
飛機失聯的可能海域，是馬六甲海峽。
然而，跨國搜索進行了多日，卻一無所獲。
於是，搜索地點轉移至印度洋、中西亞和非洲東部沿海，
直至澳洲，但仍然毫無蹤跡。
網路上於是謠言四起。
有人認為這是一次劫機行動，
有人認為失聯班機早已降落秘密地點，正在和馬來西亞政府談判，
亦有駭客遠端控制了馬航，
有人認為是恐怖組織密謀攻擊吉隆坡雙子星大樓...
好了，眾說紛紜，哪個才貼近事實?
「飛機墜海了!」
幾位中國科學技術大學的地震學家，說出這番驚人之語。
利用兩個測站的波形，他們看到一起造成衝擊波的海底事件，發生的時間，
就在馬航370起飛後一個半小時(UTC 18:55)。
這個事件的地震波形，就如圖一 b。
清楚的P波和S波初達波相，提供震央所需的”到時”資訊。
兩個測站，決定了兩個可能的震央位置，其中一個非常靠近失聯地點，
另一個則在印尼蘇門答臘島。
如果這起海底事件和飛機墜海有關，
這些科學家說，「這個墜海應該是災難性的」。
在這眾說紛紜的爭論裡，這是當時唯一有科學根據的推論。
然而這一番說法，卻引起了科學界的強烈關注和批判。
美國地質調查所於是調出了世界地震觀測網的紀錄，這時用了四個地震測站。
他們發現，這是一起規模2.7的地震，深度僅有10公里，
位置恰恰符合了中科大發表的兩個可能震央之一(圖一a紅色星號)。
這一個發現，雖然證實了中科大的說法並非空穴來風，
但同時也是個打臉文:
這是構造地震，不是飛機墜毀的造成的地動訊號!
為什麼構造地震，長得特別不一樣?
圖一、(a) 馬航起飛、失聯及最後通訊位置示意圖。 起飛後一個半小時的規模2.7地震則以紅星號表示。 (b)中科大地震學家發布的可能海底事件，其地震波形如下方所示， 測站由藍色三角標示。黑色星號為馬航370失聯位置，而藍圈則是可能的海底事件位置。 圖b出處: http://seis.ustc.edu.cn/News/201403/t20140314_191123.html.
構造地震?
斷層錯動對應到的地震，就是構造地震。
這樣的地震，和「非構造地震」最大的差別，就是有個明顯的S波波相。非構造地震最經典的例子，就是核爆。
1996年在聯合國大會，《全面禁止核子試驗條約》壓倒性地通過了。
這是一個全面防止和裁減核武器的國際條例 - 已經擁有核武的，限制你繼續發展; 沒有核武的，叫你「想都別想」、連測試也別談。
然而，地下核爆仍然持續發生。
已經簽署這個條例的國家，一致的擔憂就是，有誰在秘密進行核武準備?
國際性的核爆監測網於是成立了。
這個包含了337個測站的全球監測網，可以「包山包海包地」，
記錄著在地球內部傳播的地震波、
在空氣中傳播的次聲波 、
水底下傳播的聲納，
更能用放射性核素探測法， 來檢測大氣中含有哪些分子與氣體。
目的就是，全-面-監-控。
然而，核爆監測是怎麼辦到的?
核爆監測第一招，初達波特性
在地震發生後，
地震學家創造一種方法，來描述對應的斷層錯動方向，稱作斷層面解。
這個方法，是利用了第一個到達波的初動方向。
如果震源想要把地面”推”出去，波峰會先到(初達波就是「上動」); 如果它想要把地面”拉”向自己，波谷則先到(初達波是「下動」)。如圖二所示。
斷層錯動，兩側塊體向相反方向運動的結果，
就是區域中有些被壓縮(體積微微縮小)、有些則伸張(體積微膨脹)，
使得地表上的測站有的看到上動、有的看到下動。
核爆發生時，”推”的力充斥了整個區域，於是，你只會看到上動。
圖二、斷層錯動與地下核爆發生時，地表上我們會看到的初達波特性(上動或下動)。
哇塞! 這道理真簡單。
然而，很不幸的，上下動的分辨，需要很密集的地震測站。
這樣的條件對於規模不夠大的核爆，幾乎是不可能的。
第二招，S波特性
2006年十月九日，在高調宣布「我們已經準備好」一周後，北韓首度進行地下核子試爆。這個核爆，雷聲大雨點小，比各國初次核子試爆的規模來的小，對應到規模四的地震(Bowers and Selby, 2009)。
仔細比較真正地震的波形和核爆的波形(圖三)，你看出差異了嗎?
和核爆不同，斷層面上快速錯動所輻射的地震波，因為是剪切變形，會有發育良好的S波，如圖中的藍色波形。
在這裡，我們可以直接把「訊號開始出現」時，定作P波的時間窗口(如圖三 "P-waves")，而在第二波更大的波動進來時，S波就出現了！(圖三 "S-waves")。
圖三、2006年北韓核子試爆與鄰近地震位置與波形比較圖。
本圖出處:Walter, K. (2009), Sleuthing Seismic Signals, Science & Technology Review, pp. 4-12.
然後，簡單地，再把P波最大振幅，除以S波最大振幅。
核爆的S波比較微弱，有較大的振幅比;
地震的S波發育好，有小的振幅比。
這個差異，在高於6Hz的頻率，最為顯著，如圖四a-b所示。
圖四、於(a)巴基斯坦(b)印度與(c)蘇聯核子試爆與地震波形比較圖(濾波6-8 Hz)。
本圖出處:Walter, K. (2009), Sleuthing Seismic Signals, Science & Technology Review, pp. 4-12.
第三招，頻率特性
和近地表的核爆不同，大多數的地震事件，都發生在我們腳底下數公里至數十公里。
在這麼深的地方，從震源跑到了地表測站， 一路上穿過的介質特性不僅讓高頻能量耗盡，也讓S波的能量大大衰減了，怎麼辦?
飽含水的岩層可以給我們這樣的條件，岩漿庫也行。
在這種情況下，糟糕! 波形對照就會像圖四c，根本無法區別核爆和構造地震啊!
沒關係。
危機就是轉機。
富含低頻訊息的地震，可以和「高頻被保留著」的核爆事件區分開來。
同時，爆炸源因為有大部分的能量進入大氣，能持續在地表附近匍匐前進的「表面波」，於是較弱，
也因此利用表面波振幅大小所估計的「表面波規模」(Ms) ，就會低一些。
這是為什麼在圖五，你看到了這個: 和同樣體波規模(mb)的一般地震比，核爆事件(紅星)有較低的表面波規模。
圖五、地震與核爆事件的表面波規模與體波規模關係圖。核爆事件以紅星表示，而一般地震事件以藍色點表示。體波和表面波規模分別由P/S波及表面波波列內的最大振幅所決定。本圖出處: Bowers, D. and N. D. Selby (2009), Forensic seismology and the comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, Annu. Rev.Earth Planet. Sci., doi:10.1146/annurev.earth.36.031207.1241343.
咦，等等!
爆炸源一定是極靠近地表的，對吧!
難道沒人想過用「定位」來確認嗎?!
第四招，地下速度構造
地震定位準不準，完全取決於我們知不知道這個:
地震走哪一條路的時候，跑得特別快?
這個特性可以用三維速度構造做最佳描述。
如圖六a-b，地震波在地底下傳播，如果是四面八方等速的 (一維速度構造)，產生的地震波輻射，會像同心圓狀向外擴展，就好像小石頭丟進湖中間一樣。
真實的地下構造，當然不是如此!
向上向下向左向右走一點，就應該撞到不同的介質特性，把這個特性用「震波跑過這裡，速度是多少」來描述的話，從震央往遠方傳播能量的趨勢，會像圖六c-d一樣，扭扭曲曲的。
圖六、利用簡單的一維地下速度構造(1D)和三維速度構造(3D)，在(a,c) 發震後30秒 (b,d) 發震後35秒時， 模擬的震波傳播快照圖。 橘色亮帶代表初達的能量在哪裡到達。(e,f) 利用一維和三維速度構造，推估的核爆(震央)點與真實位置的比較圖。 本圖出處:Walter, K. (2009), Sleuthing Seismic Signals, Science & Technology Review, pp. 4-12.
再拿2006年北韓核子試爆當例子。
跟真實核爆位置比，過度簡化和不精確的速度構造，使得定位的結果和真正的試爆點一比:
哇! 差了至少20公里遠!就像圖六e所示。
當你有非常密的測站，能收集夠多的震波到達時間，那麼，你就能掌握三維速度構造。
這時候，就萬事俱備，只欠東”爆”了。
「定位」可以準，核爆才能無所遁形阿。
到這裡，是不是不難想像，為什麼任何重大爆炸災難的發生時間、地點和能量大小，都能被一一解密了。
地震儀，記錄著天上地下的祕密活動。
法醫地震學，則訴說著地震學家搖身變成偵探的故事，帶你解開核爆、礦坑塌陷、飛機墜毀等等災難事件的謎團。
你說，地震學家酷不酷呢?!
參考文獻
Walter, K. (2009), Sleuthing Seismic Signals, Science & Technology Review, pp. 4-12.
Bowers, D. and N. D. Selby (2009), Forensic seismology and the comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, Annu. Rev.Earth Planet. Sci., doi:10.1146/annurev.earth.36.031207.1241343.
中國科技大學溫聯星研究組研究動態: http://seis.ustc.edu.cn/News/201403/t20140314_191123.html.
台灣地震學園，第六單元法醫地震學: https://www.youtube.com/watch?v=cPWQ3yemReA
2016.9.13
臺灣師大 地球科學系 陳卉瑄 撰
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