台灣的古地震研究
資料來源經濟部中央地質調查所前言
台灣島是受到菲律賓海板塊上的火山島弧與歐亞大陸產生碰撞後，擠壓形成的島嶼，在強烈的推壓作用下，產生許多東北走向的逆斷層與褶皺，以及東西走向的平移斷層。構造活動時引發許多大大小小的地震，但是大地震發生的同時，地表經常產生破裂與移動。百年以來台灣島就有五次的大地震造成地表破裂，如1906年嘉義大地震產生的梅山斷層、1935年中部大地震的屯子腳斷層、獅潭斷層與神卓山斷層，1946年新化地震的新化斷層，1951年花東大地震的米崙斷層、玉里斷層與池上斷層，以及1999年集集地震的石岡斷層、車籠埔斷層與大尖山斷層。數百萬年以來台灣島就在地殼變動與無數次的地震下，持續的擴張與升高。從近百年來規模大於7.0的地震共有7次，就可以了解台灣是世界上地震最為活躍的地區之一。
現今台灣人口密度約650人/平方公里，從人口密度與大地震的頻率來看，大地震來臨時造成的傷亡與災害，可能是世界上最為嚴重區域之一。尤其，近年來台灣經濟急速發展，大規模開發土地，迫使居住空間逐漸擴及活動斷層沿線。因此「活動斷層位置精查」、「斷層活動性研究」以及「地震災害研究」等工作更是迫在眉睫。雖然目前針對地震的發生時間、地點與規模都無法做準確預測，但是近三十年來地質學家都希望能經由槽溝挖掘來尋找古地震證據，從古代地震發生的時間與變動量，進一步了解地震的成因與斷層構造的關係，而以此推估大地震的發生週期或機率。因此，古地震研究是目前地震預測研究領域中最重要與最直接的方法。因此921地震之後，中央地質調查所從訂定的41條活動斷層中選擇其中較重要與有意義的25條活動斷層作先期的古地震評估研究。 古地震研究，如何進行槽溝開挖
地質學家研究地震已有百年以上的歷史，但是在進入科技先進的21世紀之時。現今科學家其實還無法了解許多自然現象，地震就是其中之一。地質學家雖然極力想要了解地震成因，但相信在未來50年之內還是無法達到準確的預測地震。之前地質學家想從地震產生的地震波的特性來揭開地震之謎，但目前還是徒勞無功。近二十幾年來轉向嘗試以研究古代地震來解開地震之謎，從斷層的挖掘研究來了解過去發生大地震的時間，以此來看數千數萬年以來大地震發生的時間是否具有規律性，而以此推估下一次大地震的時間。雖然古地震研究也尚未能準確預測大地震發生的時間、地點與地震規模；但是目前則著重於作為大地震的預警，提供國家在執行重大建設時的安全評估。
古地震的研究內容是利用槽溝挖掘方法開挖地下斷層剖面，藉由構造（斷層或褶皺）與地層的交集關係來認定斷層活動的年代（受到構造作用擾動的沈積層）；最後利用碳十四或螢光定年方法測定受擾動地層的年代，來得知大地震發生的年代（古地震事件）。因此，古地震研究的目的是了解斷層活動（大地震）年代，並深入探討大地震的週期與未來的大地震發生機率。古地震的研究方向主要有二：一、利用槽溝開挖研究數百年至數千年期間斷層的活動性，二、利用河階地形與定年資料探討數千年至數萬年以來斷層長期的活動性。 過去30年以來，地質學家對於古地震以及地震再現週期的研究已有初步成果（Sieh, 1978; Matsuda et al., 1978; Jacoby et al., 1988; Sieh et al., 1989; Rundle, 1988; Chen et al., 2003），尤其聖安地列斯斷層研究非常的詳細（Sieh and Johns, 1984; Schwartz and Coppersmith, 1984）。古地震的研究主要著重於槽溝的挖掘研究，台灣數十年以來雖然也進行古地震研究，但在921地震之後才開始進行系統性的古地震，本所於過去五年當中相繼完成約二十餘處的槽溝挖掘研究，已有相當之成果（Chen et al., 2001a, 2001b; 陳等, 2003a, b, c, d）。目前槽溝挖掘的研究已針對車籠埔斷層（Chen et al., 2001a, b, c, d; 陳等, 2003d），九芎坑斷層（陳等, 2003a）、梅山斷層（陳等, 2003b）、新城斷層（陳等, 2003c）、新化斷層（陳等, 2004a）、花東縱谷斷層（陳等, 2004b）都有初步的古地震研究成果。 槽溝開挖作業 a.場址調查 b.地形測量 c.槽溝挖掘 d.安全設施 e.清理溝壁 f.設網線 g.照相與描述 h.討論 首先進行斷層沿線的調查，目的為尋找槽溝開挖適當的場址，同時配合調查相關新期構造。此項工作主要乃針對活動斷層的古地震研究，以下簡單敘述槽溝挖掘步驟。 a.場址調查：確定斷層位置，依據地形調查與歷史地震斷層記錄，標示在1/25000或1/5000地形圖，並紀錄GPS座標值。 b.地形測量：槽溝開挖前進行地形測量，必須清楚顯現槽溝附近的地形，測量範圍至少涵蓋40公尺平方（以槽溝為中心），地形圖比例尺不得小於1/500（圖一）。 c.槽溝挖掘：槽溝的大小規模視可挖掘的面積與堆土區的範圍來決定槽溝大小，依照選定地點的用地環境，一般槽溝寬約8-10公尺，深約3-5公尺（2-3階），長約20-30公尺（圖二），每一階槽溝的高度約2公尺，階面寬約1.5公尺。 d.安全設施：為維護調查過程中的安全，設鐵絲網圍籬、抽水、土方須以防水布覆蓋，並設立告示牌及警示牌(警示標語)。 圖一、花蓮光復鄉安定橋槽溝地表測量地形圖。 圖二、花蓮光復鄉安定橋槽溝北牆照片。 e.清理溝壁：以刮刀清理，讓細部的斷層與沈積構造顯現。並以不同顏色的鐵釘標示斷層線與層面位置。 f.設網線：在溝壁上設有水平與垂直的網線，垂直線間距為1公尺，水平線間距為0.5公尺。假若沉積層為礫石層時可以改為垂直線間距為2公尺，水平線間距為1公尺。 g.照相與描述：每一網格拍照，照片拼貼後現場描述與記錄。之後將照片掃描為數位檔後拼接。剖面描述內容包括地層分布、斷層位態、定年標本採樣位置（圖三）。 h.討論：招集相關人員共同勘查並討論公開展示初步成果供各界參考。若尚有疑問則在場址選擇地點再進行二次或多次的挖掘。 圖三、花蓮光復鄉安定橋槽溝北牆剖面圖。 1.台灣的天候春夏季多雨，尤其3-4月的春雨、5-6月的梅雨、7-9月的颱風。一般開挖調查的時間約為一個月，因此經常面臨下雨造成溝壁的坍塌且增加工作的危險性。所以最佳工作的季節是秋冬季，10月至2月。加州常年較為乾旱，因此沒有季節性雨季的問題，工作環境較佳，成本較低。 2.台灣地區地下水位較高，尤其在夏季，經常造成溝壁坍塌，增加工作的困難度，所以選擇場址須評估當地的地下水位。 3.台灣處於造山帶環境，沈積物較粗經常以礫石與砂為主，溝壁較不穩定，須呈斜面。加州是以土壤層與含泥量較高的沙層為主，溝壁可呈垂直，以油壓鋁板固定溝壁即可穩定。 4.台灣的沈積與侵蝕速率較大，且以逆衝斷層為主要，以4公尺深的槽溝為例，在台灣最多只能觀察到1-3次的古地震記錄。同樣大小的槽溝，加州聖安地列斯斷層（平移斷層）的挖掘最高可以發現8次古地震記錄。因此，台灣要研究古地震須挖掘較深的槽溝，因而困難度較高，成本亦高。 5.台灣的沈積物較粗，碳質不易保存，造成古地震的定年較為困難。因此選擇場址時預先研判選擇具有厚層砂泥層的沉積環境。 以上種種因素是造成台灣地區槽溝挖掘的費用高、危險較大、調查研究的時間較短；另一最為困擾的問題是土地的租用，私有地的補償費用較高且不易取得，尤其較深的掘溝須有大面積的土方堆積區與載運土方的車道。 定年法 l 碳14 可利用碳十四法定年的樣本，必須是曾與大氣中二氧化碳充分交換後的含碳物質，所以地質工作上我們常用來定年的樣本是生物遺骸，生物活著的時候會藉著各種生化作用，與自然界作碳之交換，然而當生物死亡後停止與自然界作碳之交換，遺骸就成一封閉系統，因為碳十四是一個放射性核種，封閉系統中的碳十四總量會隨著時間進行衰變作用而減少，因此透過樣本中尚存碳十四的量，即可以換算出生物停止與外界碳交換的年代，如果這個時間與沈積時間沒有太大的差別，年代結果也可視作沈積年代，一般可用來測定年代的樣本包括動物之皮、毛、骨；植物之根、莖、種子、貝類殘骸…等，碳十四定年法因目前儀器的測定的限制，其年代上限約為五萬年。 l 螢光定年法 礦物螢光現象導因於非理想結晶格的不同缺陷，由於地層內長半衰期之放射性元素（主要為238U、235U、232Th、40K）及宇宙射線（Cosmic Ray）的長期輻照，使得電子被激發而在導帶能階上游離，後被因結晶缺陷而產生的電子雲捕捉，再於實驗室中經由加熱或光照的步驟，使礦物釋放光子（Aitken, 1985; 1998）。在取得欲測定之標本後，於暗房中進行自然螢光強度的測定，再配合外加人工輻照劑量的模擬回歸，推得此礦物於地層中所累積之等效劑量（Equivalent Dose; De），同時測定標本的放射性元素含量，即可求得每年周圍環境提供此礦物之年劑量（Annual Dose; D），則欲測標本的螢光年代為:
地震再現週期分析：簡介臺灣的古地震研究案例 車籠埔斷層（圖四、圖五、圖六）：目前研究結果大致可以解析出5次的古地震事件（不含921集集地震），發生的年代為西元1999年、西元1650-1520年、西元1270-1160年、西元1060-1030年、西元570-400年、西元240-50年（圖七; Chen et al., 2001a, b, 2004, 2005）。從上述的研究來看，車籠埔斷層每一次的地表破裂的隆起高度約1-2.5公尺之間，這個高度變化大致與921集集地震時產生的隆起高度相當，所以從這些古地震的資料分析，之前的古地震規模可能都在7.0以上。另外，由N-3古地震至921地震的地震時間間距來看，每次地震相距時間約300-400年。另外可以由古地震的特性可以推演下次發生大地震的可能發生時間約在西元2340±90年。 圖四、在竹山鎮針對車籠埔斷層的槽溝挖掘研究。 圖五、921地震發生之前（1997年）的車籠埔斷層。 圖六、竹山槽溝，車籠埔斷層位在照片的右側，左側水平地層向右側延伸轉為褶皺的交會處。 圖七、二千年以來車籠埔斷層古地震發生的時間，以及推估下次大地震發生的時間可能在西元2340±90年。 玉里斷層或池上斷層（圖八、圖九）：由槽溝地層與構造特徵分析，古地震事件計有兩次，而斷層兩側地層高差約為2.5公尺。第一次古地震事件為西元1951年11月花東地震所造成的地表破裂，地表隆起高度為0.75公尺。第二與第三次的地震時間都相當年輕，發生在西元1600年以來，地表隆起高度為1.75公尺，預測其地震規模在7.0以上（陳文山等人, 2004a）。大約四百年以來，花東縱谷斷層（中段地區）共發生了三次大地震，可以想見大地震的時距約為百年左右，其週期非常的短。所以花東縱谷斷層是我們急迫更進一步須進行評估的斷層。 圖八、古地震研究的槽溝挖掘全景。 圖九、地層呈現褶皺扭曲，表示大地震發生時地表產生變動所造成。 九芎坑斷層（圖十）：九芎坑斷層是由卓蘭層逆衝至六雙層、紅土礫石層及階地礫石層之上。從斷層傾角以及與觸口斷層的關係來看，九芎坑斷層可能是觸口斷層斷坡向前（向西）的分枝斷層。從斷層截切近代階地沉積層以及晚更新世沉積層（圖十一; 碳14定年約47,100±1,750BP）的關係，顯示九芎坑斷層應屬於第一類的活動斷層（陳文山等人, 2003a）。 圖十、紅色線為九芎坑斷層的位置，上盤（左側）的上新世卓蘭層逆衝覆蓋在近代的沖積層之上。 圖十一、右側為卓蘭層向西逆衝在左側晚更新世的礫石層（碳14定年約47,100±1,750BP）的上面。 新城斷層：從槽溝剖面（圖十二）以及野外剖面（圖十三）來看，新城斷層都已截切至紅土階地的地表以及未紅土化階地，而最近一次的地震發生約於300以來（碳14定年），比對台灣歷史地震紀錄，此期間在桃竹苗地區發生的大地震共有三次，分別為西元1811年、西元1815年與西元1881年，這些地震的受震範圍均可以遠至福建及台灣南部）並於桃竹苗地區造成重大傷亡。若以受震範圍評估地震規模，西元1811年與西元1815年地震可能都屬於規模7以上的大地震（蔡義本, 1978; 徐明同, 1983；鄭世楠與葉永田, 1989）；而新竹地區於西元1871年撰寫淡水廳志，假若西元1881年是造成地表破裂的大地震，應有傷亡與建築物破壞的詳細記載。因此，可以排除西元1881年地震，而西元1811年與西元1815年兩者之一可能與新城斷層最近一次的活動有關（陳文山等人, 2003b）。新城斷層的長期活動性或週期尚未有足夠的資料，但以目前資料可評估最近一次地震活動造成的地表抬升量，約為1.3-1.85公尺之間。此種規模的地表變形量可以比擬於集集地震的地表變動，因此新城斷層上次活動的地震規模可能大於7.0。 圖十二、兩側不同岩性的地層界面就是新城斷層的，右側卓蘭層逆衝在晚更新世的砂礫層之上。 圖十三、頭前溪的南岸也可以發現新城斷層的露頭，顯示左側卓蘭層逆衝在近代河階礫石層（＜300年前）之上。 新化斷層（圖十四、圖十五）：本研究共發現三次的古地震紀錄，最早一次形成時間約在西元前7500-6600年，第二次發生時間約為西元前20-360年。第三次就是西元1946年，斷層結構來看屬於右向平移斷層，且斷層已經切穿至地表（陳文山等人, 2004b）。從淺層震測剖面以及野外調查，顯示新化斷層帶是由數條正斷層構成寬約數百公尺的變形帶，表示長期以來新化斷層帶是呈現拉張的構造環境（石瑞銓, 2003; 黃勝群, 2004）。因此，目前針對新化斷層的古地震研究僅有一處槽溝，所呈現的古地震事件是不足以代表全新世以來完整的古地震時序，因為每次事件產生的地表斷裂位置極可能不在同一斷層，以此而言每處槽溝的研究結果都無法呈現完整的古地震層序。 圖十四、新化斷層屬於平移斷層，槽溝研究除了從垂直剖面的調查外，還必須從事水平剖面的調查，為了研究斷層在水平方向是如何移動。 圖十五、新化斷層屬於平移斷層，所以斷層面的角度幾呈垂直狀態，而且呈現分岔的現象。 從現今台灣活動斷層的古地震研究結果，與其他國家所調查的活動斷層週期相比較，似乎台灣活動斷層的地震再現週期（或再現率）都非常短，目前日本的活動斷層研究，最短的再現週期大約在700-1000年之間。但以台灣目前的初步研究而言，再現週期較為清楚的斷層為車籠埔斷層，兩千年以來計有6次，再現週期約300-400年；花東縱谷斷層在近400年以來至少發生三次大地震。為何台灣的活動斷層的再現週期較短（再現率較高）？雖然有待更近一步研究，但可能與快速的板塊擠壓活動有密切的關係。 延伸閱讀與後記 Aitken, M.J. 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