"潛移斷層" ，安全嗎?
家鄉在台東的我，小時候沿著卑南鄉的頂岩灣到市區，開著彎彎的山路下去時，爸爸就會跟我講這個故事。
『山下有個小學，上課的時候，腳下的地層一直在滑動呢!』
他指的遠方的惡地泥岩地形，有聲有色的跟我說，這一大塊都是抓不住樹根的泥岩，一下雨，整塊地都會咕溜溜地滑。
直到進入地球科學系，我才漸漸理解，地表一直在滑動的地方真是可怕，大片的坡地可以在數秒間就崩塌。而，如果滑動的地方，從地表一路延伸到了地底下呢? 那我們在講的，可就是活動度非常高的斷層了。
動盪的地球: 地震與斷層
如果將地球剖開一半，你看到的是活躍的地球內部，有軟流圈以下的熱對流和上方緩慢的板塊運動，每一處，都在默默地累積應力。在剛硬的板塊內部或邊界，哪裡可以累積長期應力的區域，就是遲早會”破裂”的區域，這就是斷層; 而斷層錯動時釋放的能量，會造成地震。
斷層有的在動、有的不動，一萬年內活動過的，是第一類活動斷層。它們無所不在，可能就在你家、學校附近，可能就在你親友們的生活圈周遭。它們，可以是平常在動、但每次都以小地震草草了事的; 可以是平常不動、但蓄勢待發的; 也可以是平常緩慢滑動，但卻沒有地震發生 -- 這樣的斷層，叫做潛移斷層(creeping fault)。
如果我們可以找到一個相對安全的地方 -- 零震災區，那裏應該是:
(1) 很常發生小地震的地方 (鄉民說: 能量一直在釋放嘛!)
(2) 沒有過大規模歷史地震的地方 (鄉民說: 沒有發生過，擔心甚麼啊!)
(3) 沒有地震就在一直動的潛移斷層 (鄉民說: 沒聽過潛移斷層，這很重要嗎?!)。
真的是這樣嗎?
事實上，小地震釋放的能量和大地震比起來，只是冰山一角，如圖一所示。
圖一、不同規模地震釋放能量的大小，正比於斷層面積。
要填得滿一個規模六地震的斷層面積，你要有約30個規模五的地震，或是約1000個規模四的地震，或是三萬多個規模三的地震。這樣算起來，常常發生小地震的地區，仍無法降低規模七以上地震發生的可能性哪!
而過去幾年全世界的大地震，往往發生在令專家跌破眼睛的地方，例如: 應力累積非常緩慢的四川盆地周邊(2008年汶川大地震)、以及從未有同等規模紀錄的日本東北地震。但是前面提到的第三點，就是這一次要來和大家來說說的: 潛移斷層，安全嗎?
惱人的潛移斷層
在加州大學柏克萊分校旁的足球場，正巧被潛移斷層切穿(圖二紅線)。這個平常一直緩緩移動的斷層使得足球館的西側以每年0.47公分的速率，緩緩向北移動，造成台階、牆壁等硬體設施錯位，翻新的總金額高達32億! 而台灣的潛移斷層，因著它的高速滑動和特殊的斷層型態而世界聞名。這個潛移斷層，就是每年以平均2.4公分的速率抬升的池上斷層，在我的家鄉台東 (圖三上)。有個住在池上的友人，每隔個5年，他家就得重新修補台階 (超過10公分高差)，更不用講斷層在底下默默經過的房舍了。逐漸累積的地面錯位，對路面、牆壁、管線甚至建物都造成了顯著的破壞，如圖三下所示。
圖二、潛移中的Hayward fault。這個斷層切穿了加州大學柏克萊分校足球館(Berkeley Memorial Stadium)。虛線標示了斷層線，而箭頭指示著斷層兩側相互運動的方向(右移斷層)。圖片來源: Roland Burgmann。
圖三、潛移中的池上斷層。這個向東傾的逆衝斷層，是目前全世界最活躍的逆衝型潛移斷層。上圖黑線指出了池上斷層的位置，黑色三角形則說明這是一個向東邊傾的斷層。下圖1-4分別是這個緩慢移動的斷層周遭(位置符合上圖的數字)，長期受到損壞的排水管 、路面和磚牆。上圖來源: 朱傚祖，下圖來源與圖之製作: 牟鍾香。
有沒有安全的斷層?
一推就動的潛移斷層，和推不動的鎖定斷層(locked fault)，是兩種截然不同的斷層特性。過去研究指出，潛移斷層的發生，是由於斷層帶的岩石組成成分(像蛇紋石、黏土礦物和鹽等等)，大大降低了它在承受變形時的強度，於是在緩慢的板塊運動所供應的大地應力下，斷層面上的錯動穩定地、不間斷地發生。這樣的滑動，又稱作穩定滑移(stable sliding)。和穩定滑移相反的鎖定區(locked)，則有足夠的強度，平常”零變形”的它，正累積著應力，等待”大破壞”的一天。
這樣說來，潛移斷層，一推就動，應力無從累積，也就不會有地震了?
這一個說法很像對，但是我們可不能小看斷層面的複雜度呢!
斷層面的性質，並不是完全均一的。
在數公里長、寬的斷層面上，有的地方在穩定滑移、有的在鎖定狀態。這是為什麼潛移斷層仍能發生規模六以上的地震。
要怎麼解析複雜的鎖定 vs. 穩定滑移的分布呢? 你需要有很多的地表位移測量，越多點位，越能推測複雜的斷層行為。圖四就表現了: (a)整段都在潛移 (b) 部分鎖定部分潛移 (c) 整段都在鎖定三種斷層模型。潛移的區塊(白色區)，每年以數公分或公釐的潛移速率D緩緩地移動著; 鎖定區(灰色區)雖然目前不動，但是它可是蓄勢待發的! 它的活動性，可以向前追溯前幾次在這個區塊發生的地震，把當時的滑移量和發震時間作圖如(d)，拉出一條斜率為L的斜線，這就是這個鎖定區長期的滑移速率。
如果L算出來，是每年三公分。那它跟你說的是: 嘿! 雖然我不動，但這100年我就存了300公分的位移量，在哪裡存呢? 就說在圖四(c)的鎖定面積裡吧! (30 km x 65 km ), 那麼，當我”想”動了，可以製造一個規模8.7的大地震啊！ (算法請參照參考文獻1)。
但是，別忘了我們還有潛移區塊每年釋放的能量呢!
當你用L代表鎖定區的滑移速率，用L-D代表穩定滑移區的滑移速率，這時候估計出來的「可能地震規模」就會變小，這是為什麼過去一直常認為潛移斷層是相對安全的。
但是，隨著大地測量、地震儀架設的點位越多，斷層的哪一個部分在穩定滑移/鎖定?怎麼滑? 隨時間有沒有變化? 漸漸地都有了答案，對於斷層行為的了解越多，科學家們卻發現了另一件隱憂…
圖四、地底下斷層在任兩個觀測時間點的位移(震間變形)，可以忠實地被沿著斷層面擺放的GPS所記錄下來。(a)整段都在潛移的斷層。潛移的方向如灰色箭頭所示，而地表GPS記錄到的位移場方向，則由黑色箭頭所示。(b)部分潛移、部分鎖定的斷層。當斷層面有某一塊區域被鎖定，則其上方的GPS就會紀錄到幾乎不動的地表位移。(c)整段都被鎖定的斷層，上方的位移場幾乎為0。(d) 一個鎖定的斷層，幾百年才錯動一次，每次錯動的滑移量和時間作圖，就可以描述這個斷層長期的滑移速率。
潛移斷層vs.大地震
如果斷層面上的破裂可以延伸多遠，控制了地震可以”長”多大，那麼，這些穩定滑移區，會控制”大地震發育”嗎?
利用斷層模型進行模擬，科學家們發現，這些多為「穩定滑移區」的潛移斷層，在地震發生時，讓斷層面上的錯動更無障礙的穿越，也就是，潛移斷層可以讓大地震更「大」 ! (參考文獻2) 。而有許多的觀測證據都陸續發現，在鄰近有大地震發生而伴隨著斷層面的高速滑動時，「穩定滑移區」潛移區可能會轉換成「鎖定區」 ( 參考文獻3)，而使得鎖定區域範圍加大、大地震潛勢增加。這樣的發現，是對身處潛移斷層區的居民敲了警鐘，「沒有不危險的斷層」，專家如是說。
身處活動斷層密集區的我們，更需要知道地底下的變形、斷層面的特性隨時間一直在改變，沒有絕對安全的所在，也沒有「地震周期可以預測」的具體證據。唯有高密度的監測儀器，能幫助我們釐清各種不同斷層特性，如何影響著大地震的行為。
事實上，全世界不少地方有潛移斷層的發現: 美國、墨西哥、義大利、土耳其、以色列、阿富汗、巴基斯坦、中國、菲律賓、日本和台灣 (全世界潛移斷層的分布和證據請見參考文獻4)。可惜的是這些被文獻所紀錄的潛移斷層，絕大多數都是走向滑移斷層，僅有一例為正斷層型態(菲律賓的Alto Tiberina Fault)，一例為逆衝斷層(台灣的縱谷斷層)，不同斷層型態的潛移特性，所知仍然非常有限，"潛移斷層和大地震的關係" 這個重要的課題，尚待更多研究人員的投入和充分探索。
台灣地震科學中心(TEC)的活動構造小組，針對正在潛移的池上斷層有密集的討論會，期能綜合不同領域專家的研究成果和腦力激盪，深入理解潛移斷層的時間空間特徵。
身為地科人，解密地球事!
希望能有更多年輕學子，一起加入我們的行列喔~
後記與致謝
感謝『震識』發起人馬國鳳教授的強力邀稿，讓我把自己和Roland Burgmann五月發表在Review of Geophysics的評論文章之精華，謄成了這篇科普短文。這裡的圖一和圖二就是源自該文。這篇文稿，是一夜無眠的戰果。感謝我的兩位熱血碩士生陳耀傑和陳奕尹、細心助理陳淑俐的寶貴意見，和黃大銘學長的熱心編修。後經由『震識』主編潘昌志先生編修，成為更為一般大眾接受的版本，將發表在『震識』部落格，還請大家多多支持地震科學的推廣!
參考文獻
1) http://katepili.pixnet.net/blog/post/427778105 (附錄一)
2) Noda, H., and N. Lapusta (2013), Stable creeping fault segments can become destructive as a result of dynamic weakening, Nature, 493, doi:10.1038/nature11703.
3) Uchida, N., K. Shimamura, T. Matsuzawa, and T. Okada (2015), Postseismic response of repeating earthquakes around the 2011 Tohoku-oki earthquake: Moment increases due to the fast loading rate, J. Geophys. Res. Solid Earth, 120, 259–274, doi:10.1002/2013JB010933.
4) Harris, R.A. (2017), Large earthquakes and creeping faults, Rev. Geophys., 55, 169–198, doi:10.1002/2016RG000539.
5) Chen and Burgmann (2017), Creeping faults: Good news, bad news?, Review of Geophysics, 10.1002/2017RG000565. (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017RG000565/full )
師大地科 陳卉瑄，2017年5月31日完稿。
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