徐明同（現任職於中央氣象局）的地震见解

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地震發生之機制山崩地裂　日月無光　道是何方神聖在作怪
前言
最近幾年，大家都感覺大地震特別多。例如1975年2月4日瓜地馬拉曾發生地震規模（earthquake magnitude，簡稱M）7.5的大地震，死2萬3千多人，傷7萬7千多人，無家可歸者達100萬人之多。1976年7月28日中國大陸唐山附近發生了M為7.5之大地震，死傷可能超過10萬人，災情慘重。接著菲律賓南部、日本，以及土耳其東部都發生類似的大地震。報紙上的許多報導，使大家逐漸關心地震的問題。本文將介紹地震發生之機制（mechanism）以供讀者參考。
地震發生之機制或其原因，自古以來就有很多臆說。在神話時代，多數傳說地下有某種動物或神明移動時，就發生地震。例如在台灣，古老的說法認為地下土牛運動而產生地震；日本則用鯰魚替代土牛。
在文明發祥地的中國及希臘，有許多關於地震的解釋，其中一部分傳到阿拉伯。在十世紀左右，一般的想法是「地震乃地中的火山」。也有把地震原因歸諸地球以外的，此說法一直繼續到十九世紀初。
十八世紀地質學興起，人們開始從地形變動現象的觀點來考慮地震。1835年，達因（Dawin）提倡「岩漿貫入說」；1883年，斯偉斯（Suess）發表「斷層說」，認為地震是因斷層的生成而發生的。
1907年，霍夫斯（Hoffs）假設地殼均衡（isostasy）而提出「均衡地震說」。1910年，雷度（Reid）為了說明聖安得列斯（San Andreas）大斷層而提出「彈性反跳說」（elastic rebound theory），且認為1906年的加州大地震不能以構造地震說、均衡地震說或火山爆發說來解釋。因為此大斷層在大地震以前就已存在，並非新造。他假定大斷層兩邊的地殼有相對運動，其結果彈性應變增大，超過彈性界限時，斷層兩邊突然反跳，乃發生地震。
本文將引用最近十幾年迅速發展的地球物理為根據，以「新的地球觀」來解釋地震發生之機制。
淺層地震與深層地震發生地之別
並不是地球上任何地方都會發生地震，只有狹長的地帶或區域才有可能，一般稱為地震帶或地震區。圖一表示1961年至1967年震源深度（h）小於一百公里的淺層地震分布，圖二表示震源深度大於一百公里的深層地震及海溝的分布。兩者的分布有相當大的差別，淺層地震大部分發生在海底，形成狹長的線狀分布，深層地震大多數發生在沿海溝靠大陸邊緣部分，兩者均構成帶狀。從整個分布來看，深層地震比淺層地震稍偏大陸，由其與海溝成垂直的剖面圖（如圖三）觀察震源分布，更容易明瞭：即震源面有向大陸傾斜的趨勢。
地殼內或地函上部受到某種應力，慢慢蓄積到超過岩石的彈性界限時，會發生破壞（fracture）現象，這種現象就是地震。在震源所發生的破壞，變成彈性波經過地球內部傳播到地球表面時，我們感到地的震動，就知道發生地震了。因此地震有兩個條件：一為經常發生地震的區域必有應力在緩慢地作用；另一為此區域的岩石強度能支持相當大的應力。地震通常發生於某些固定區域，顯示這些區域具備上述兩種條件。
根據各種地球物理學證據，已知地函上部（深度數十公里乃至數百公里的部分），是由對緩慢作用的應力具黏性的岩石所組成，不容易發生破壞。所以地函上部很少發生地震，若發生也只限於沿海溝靠大陸一帶。下面將討論其道理。
海底擴張說與板塊構造學說
威格拿（Wegener）在六十多年前，曾經根據南美大陸與非洲大陸海岸線之相合（參照圖四），以及其他地質、生物和氣候學的證據，提倡有名的大陸漂移（continental drift）學說。這種雄偉的構想吸引了很多人。但當時無法說明促成大陸移動的原動力；有一部分人想歸諸於用以說明造山作用的地函對流（mantle convection）。
最近二十年來，地球物理學的觀測技術進步神速，海底地形、熱流量、地磁、重力以及岩石定年等的觀測資料相當可觀。而電子計算機之資料處理能力，更使整個地球物理學有著驚人的發展。海底地形的觀測結果，顯示地球各大洋中有綿長的海底山脈（即洋脊　ocean ridge），其頂上附近有裂口，而沿洋脊有淺層地震帶如圖一。
圖五表示通過大西洋中心的大西洋中洋脊垂直剖面圖。在洋脊附近觀測到的熱流量即從地球內部向外流出的熱量，和其他地區相差數倍以上。因此看出地函對流以洋脊為上昇口，高溫地函物質在此冷卻，誕生新的冷硬板塊（名為岩石圈lithosphere,厚度約七十至一百五十公里），然後向左右分流，大陸塊浮在岩石圈上恰如在傳送帶（belt conveyor）上的移動。海底為一張板塊（plate），大陸則固定於板塊上，洋脊誕生後，海底每年以數公分的緩慢速度載著大陸向左右移動。有時海底板塊在大陸塊周緣海溝附近下衝（under-thrust）而返回地函，構成一種環流，在下衝部分形成海溝──島弧系及造山帶。以上所述就是海底擴張學說或板塊構造學說的概要。地震即發生於這種板塊的兩端，或者板塊與板塊之相接處。
圖六表示海底擴張說的模型。下面將介紹這種板塊以及其運動是怎樣發現的。此問題和古地磁學（paleomagnetics）有密切關係。
古地磁學就是收集世界各地的岩石，測定和調查殘留在岩石中的磁性強度和方向的學問，雖然比較冷門，但在此方面研究發現的種種事實，卻使地球物理學有突破性之進展。岩石在地表面上冷卻時其內含有順磁性的礦物，當溫度下降至居禮點（Curie point）以下則受當時地球磁場的影響而磁化，即岩石磁場方向和當時磁場一致。這種殘留磁性（residual magnetization）很穩定。另一方面，岩石中放射性物質的半衰期，可以決定岩石凝固的年代；由這種「磁性化石」可以推定出過去的地球磁場。
根據大陸上岩石古地磁的研究，知道極移動及大陸移動的事實。後來調查的對象移到海底。自海上和空中觀測殘留磁性的技術進步後，發現了在陸上不能看到的事實，即海底顯示振幅數百伽瑪（γ），幅度二十至三十公里的地磁異常（magnetic anomalies）的斑馬線，對於洋脊形成對稱（如圖七）。
想瞭解地磁斑馬線的謎題，必須知道古地磁學上另一個驚人的事實，即地球磁場在數百萬年來曾反轉過好多次，如圖八。這種過去正場──反場的變遷歷史，將其時間作適當的縮小，如圖七所示，把洋脊兩邊的地磁異常斑馬線相對時，很顯然兩者非常符合。謎題因此解開了：即地下的岩漿（magma）從洋脊出來，而在海底冷卻凝固。當然，此時在岩石中所含的順磁性體，隨著當時地球磁場的方向和強度而磁化；而此新生海底隨地函對流向洋脊兩邊移動。因此，斑馬線的黑白表示地球磁場強度的變化，更進一步表示反轉的歷史。黑白幅度又告訴了我們海底的移動速度。
由洋脊誕生向兩邊擴張的海底，究竟到那裡去了？蔡古斯（Sykes）分析東加（Tonga）列島的震源分布，發現地殼和地函上部有一層厚度五十至一百五十公里的板塊（如圖九及圖十所示），向島弧邊傾斜；震源都分布在層內，在圖十中以A表示。他發現，經過這一層A的地震波包含短週期的震波，且其波速也較大。這種事實顯示這一層的岩石比周圍B的岩石堅硬。宇津在日本也發現同樣的事實。
這一從海溝附近傾斜下衝，厚度五十至一百五十公里的堅硬層，就是從洋脊誕生而擴張海底層的結果。如上面所述，洋脊之下的地函物質誕生後變成板塊，向洋脊兩邊移動擴張，到達島弧或大陸邊緣後往大陸方向下沈，其深度最深者可達七百公里，在此地再變回地函物質（如圖六所示），因此海洋地殼的壽命較短。事實上在大陸上已發現數十億年古老岩石，但在海底的最古岩石不超過二億年。地震只發生在此堅硬板塊的起點及終點。
沿破碎帶（fracture zone）發生的地震
在1960年代的前半，海底地球物理及地質調查在各地陸續進行。由其結果知道過去以為是連續的洋脊，實際上不是連續的，而是到處錯開的，這種橫方向錯開的裂痕叫做破碎帶。圖十一表示東太平洋及大西洋的洋脊及破碎帶；數字表示海底的年齡，以百萬年為單位。在破碎帶的海底地磁異常斑馬線亦顯示出明顯的錯開。
這些相當大的錯開並不是地震所引起的；破碎帶早在海洋底由洋脊向兩邊擴張以前已經存在。破碎帶兩邊洋脊所夾的區域（見圖十二），因兩邊的海底板塊移動方向相反，形成換形斷層（transform fault），橫剪應力容易在此帶蓄積。因此在此一範圍內容易引起橫剪斷層活動，而產生淺層地震。
換形斷層範圍以外的破碎帶因兩邊的海底運動方向相同，沒有相對運動，無法蓄積橫剪應力，因此不會發生地震。圖十三表示大西洋中洋脊周圍的震央分布。黑點表示已知發震機構的地震；從其兩邊箭頭的方向，可知所有地震都顯示是由前述斷層活動所引起的。
如圖十一所示，從東南太平洋，有一洋脊伴隨著很多破碎帶到達北美太平洋沿岸。圖十四表示其詳細狀況。在北美沿岸的地震，都是橫剪斷層活動引起的地震，其中最著名的就是1906年的舊金山大地震。此大地震發生在聖安得列斯大斷層，也就是破碎帶上橫剪斷層活動的結果。此外，加州半島是洋脊離開北美大陸向太平洋移動的一部分，阿拉伯半島是從非洲離開的，而紅海及阿丹灣則是剛開始擴張的海。
沿海溝發生的地震
如圖三及圖九，東加及日本列島下的震源面以約四十五度的優角向大陸邊緣傾斜。前面說過，這一厚度約一百公里的部分即是岩石圈，下衝深度，最深可達到地下七百公里處。板塊下衝時，較周圍冷而硬，故在此板塊上到處發生地震，由淺層地震至深層地震。圖十五表示各地深層地震發震機制與震源面之關係。從此圖可知由何種應力引起地震，與深度無關；地震最大應力的方向與板塊下衝的方向大約是一致的
，但主壓力方向及主張力方向的分布相當複雜。板塊在下衝處，吸引對面的板塊而形成海溝，更遠處則發生隆起而形成島弧和山脈。依照海溝的深度H和當地最深地震深度h之間有線性關係，
H=1.06h+3.77　　　　　　　　　（9.1）
上式中H用公里，而h用一百公里表示。另外上式中常數相當於海洋的平均深度，直線之勾配相當於100左右。圖十六表示H與h之關係，圖十七表示世界海溝之分布。在圖十六中有黑點不在線上，此乃因波多黎各、獅子山（Sierra Leene）和吉曼（Cayman）等海溝與「現在」板塊運動沒有關係之故；此外，爪哇和阿特卡馬（Atacama）海溝不符合之理由尚待研究。
板塊的運動
板塊構造學可以說是岩石圈的運動學。下面將討論有關板塊的運動。如圖十八所示，地球上有六大板塊，即歐亞、太平洋、美洲、非洲、印度及南極板塊等。板塊與板塊的邊界或相接處是洋脊、海溝、年代淺的褶曲山脈或大斷層。地球上板塊的相對運動，可歸納為三種：一為板塊分離，接著產生新的板塊；二為板塊相衝，兩者之一向下俯衝，或隆起形成山脈；三為兩個板塊錯過，此時雙方面積不變。第一種例子為大西洋中洋脊；第二種例子前者如日本海溝，後者如喜馬拉雅山脈；第三種例子為聖安得列斯大斷層。前面述及的地震大多數在這些板塊邊界或鄰接處發生。
另外，為了能順利在地球面運動，板塊的運動必須是以某旋轉軸為中心而旋轉。靠近此軸的赤道部分，板塊移動速度必然較大。前節所述切斷洋脊的許多破碎帶就是調節不同板塊移動速度所產生的。圖十九表示其情況。
從巨視的觀點看，地球上有前述六大板塊，但實際上大塊裡可能有中塊，甚至於小塊。中塊目前已知者有菲律賓、加勒比（Caribbean）、哥哥斯（Cocos）及那世阿（Nazea）板塊等，亦稱為副板塊（Subplate）。筆者提倡的菲律賓板塊西邊的模型如圖二十：菲律賓板塊在琉球列島向歐亞大陸下衝，形成海溝、島弧及台琉地震帶，其深度約可達三百公里；在台灣附近兩者衝突，形成台灣的山脈及東部與西部淺層地震帶；在台灣南端以南歐亞板塊向菲律賓板塊下衝，形成台灣至菲律賓的一連串小島；再向南有馬尼拉海溝，其深度大約二百公里。
引起地震的根源
我們觀察世界上地震地理分布，發現絕大部分的地震發生於板塊的出入口附近及兩個板塊錯過處──即破碎帶。也有例外的情形，如喜馬拉雅山週邊的地震，可由印度板塊上印度大陸和亞洲大陸的衝突來解釋；南美哥侖比亞北部的地函地震可以根據過去不同板塊運動應力的痕跡來解釋。至於中國大陸內部的地震，是由於印度大陸和亞洲大陸衝突，應力蓄積在大陸內部裂縫（斷層），一旦釋放而引起的。根據上面的看法，板塊運動消失時，地震就不會發生。
過去解釋地震發生現象，常這樣說：因某種理由，地下會蓄積應力，當蓄積應力超過岩石能支持的限度時，就發生破壞，引起地震。現在我們知道這「某種理由」是指從洋脊誕生，而在海溝消失的板塊運動，換言之，引起地震的根源是板塊運動。
若進一步探討板塊運動的原動力為何，則未獲定論，人們比較相信的學說是地函對流。因為構成地球的岩石熱傳導率不良，地球內部僅靠熱傳導不能維持熱的平衡，必須以對流排出內部熱量，使熱量平均分布，達到平衡。地函對流也許就促成了板塊運動。
徐明同現任職於中央氣象局。

tanlilin

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