隱沒區的地震成因可望有解

Storyteller/蓋瑞王 Painter/蓋瑞王

1979年，著名的氣象學家勞倫茲先生在一次演講中提到了一件事：在巴西拍動翅膀的蝴蝶是否能引起美國的ㄧ場龍捲風？「蝴蝶效應」是一件迷人的現象，描述著動態系統中的微小變化，可能會引起巨大的改變。（就像大英雄天團中，企業家格利刻意忽略了時空洞微小的參數變化，而送了卡拉漢教授的女兒進去，然後發生時空洞變化、卡拉漢教授變壞、阿廣變成英雄…對不起我扯遠了。）

姑且不論巴西的蝴蝶與美國龍捲風的關係，地質學上，倒是有類似蝴蝶效應的現象存在：你能想像地底下微小的礦物破裂可以引發驚為天人的大地震嘛？布朗大學的地質學者們就是發現了這個有趣的現象！且讓我娓娓道來…

隱沒帶是地球上最容易發生地震的地區之ㄧ（臺灣也是座落在一個隱沒帶上）。若該區的地震發生在近表面處，就具有破壞性，像是2011年引發福島核災的311大地震；但地震也會發生在地下70至300公里深處。這些中源地震（intermediate depth earthquakes），較不具破壞性，但也足夠將地表建築物搖到嘎嘎作響了。

中源地震的成因一直被地質學家視為一個謎。

「它們的成因非常神秘，因為在那個深度下，高壓使得一般造成地震的摩擦滑移機制（frictional sliding）不復存在。也就是促使斷層滑移的力在那裡根本不存在！」布朗大學地球、環境及行星科學的教授Greg Hirth表示。但藉由一系列的實驗，Hirth與博士後研究員Keishi Okazaki發現硬柱石（lawsonite）在高溫高壓下的脫水過程中，容易產生脆性破裂，並可能引發地震。

「Keishi是第一個以這些地震發生環境為基準做實驗的人，這真是第一次有強烈證據指出這種脫水碎裂作用（dehydration embrittlement）具影響性」Hirth說。

整個實驗在一具名為Grigg apparatus的儀器裡進行。Okazaki將硬柱石晶體放入一個柱體中，並持續加熱直到晶體內的水分呈現不穩定的狀態；接著經由活塞增加柱體內的壓力，直到礦物開始變形。在儀器旁另裝有一臺小的地震儀，負責偵測硬柱石瞬間破裂時產生的訊號。

Okazaki也針對葉蛇紋石（antigorite）做了類似的實驗，過去文獻指出，葉蛇紋石可能是影響中源地震的因子之ㄧ。但相對於硬柱石的實驗結果，該研究顯示葉蛇紋石並沒有破裂的特徵，而是以擠壓的方式變形，說明葉蛇紋石應該不是可能因子。「而這是研究結果中最酷的地方！」Hirth表示：「過去五十年來，儘管沒有明確證據，大家仍相信中源地震的發生因子來自葉蛇紋石。而現在，我們有明確的實驗結果顯示硬柱石的脫水現象才是主因。」

若硬柱石真是造成中源地震的兇手，它可以解釋為何此種類型的地震常見於某些隱沒帶，而較少出現在其它地區：硬柱石生成於高壓低溫的環境，這種礦物常見於較「冷」的隱沒帶，日本西北方的隱沒帶就是其中一例，因為此處隱沒中的地殼較為古老，溫度也較低；但較「熱」的隱沒帶，如華盛頓州岸外的卡斯卡迪亞隱沒帶，就不利於硬柱石生成。「在熱隱沒帶中的地震較少，因為硬柱石較少；但在冷的隱沒帶，硬柱石較多也較容易產生地震。」Okazaki說。

總的來說，Hirth表示這類研究能幫助科學家們釐清，地震為何在不同的狀況下發生在不同地區：「我們不只想了解這類奇怪型態地震的發生原因，而也想知道所有的地震發生成因。我們對地震循環的原理還有很多不解之處，地震預測是最終目標，但我們仍處在了解哪種狀況引發哪類地震的階段。而我們的研究提供了其中一種原因。」