環境保護

Plate Tectonics on North America and the Big One
– (B) San Andreas Fault

文 : 陳肅霖

一、緒論

2015年上映的一部由巨石強森主演的災難電影”加州大地震(San Andreas)”，以極震撼的影音效果，敘述聖安德里亞斯斷層的走滑，造成芮氏9.6級的大地震，進而引發超級大海嘯，帶起了如日本畫家北齋的浮世繪”神奈川衝浪裏”般戲劇性的滔天巨浪。

“加州大地震”電影的故事，並非空穴來風，對加州的居民而言，聖安德里亞斯大地震(the Big One)一直是人們生活的陰影。最近的一次災難發生在1906年，那次大地震的震幅高達芮氏7.7-7.9級，使加州陸地從曼鐸西諾角(Cape Mendocino)到聖黃柏提斯塔(San Juan Bautista)，瞬間產生了長達477公里的斷裂帶。由於震央位於陸地，造成沿線的城市舊金山及聖荷西等極為嚴重的災情。統計超過3,000人死亡、225,000受傷，以及當時幣值40億美元的財產損失。

二、聖安德里亞斯斷層的形成

聖安德里亞斯斷層，是北美板塊西緣的一段。北美板塊，是當今地球上僅次於歐亞板塊的第二大。它的覆蓋範圍，東起大西洋中洋脊(Mid-Atlantic Ridge)，向西延伸到西伯利亞的切爾斯基山脈。幾乎整個北美洲陸地，都是這個板塊的一部分。但是，加州在聖安德里亞斯斷層以西一帶的陸地卻與北美板塊無關–它屬於太平洋板塊。太平洋板塊東起聖安德里亞斯斷層，西至日本外海。聖安德里亞斯斷層，就是北美板塊與太平洋板塊的分界線。它南起加利福尼亞灣(Gulf of California)的北端，以S型向北經過舊金山，延伸1,200多公里直至曼鐸西諾角。圖一所示的紅色曲線即為聖安德里亞斯斷層之所在。

八千萬年前，北美板塊自盤古大陸(Pangaea Plate)裂開後，一路向西漂移，並與太平洋底向東移動的法拉龍板塊(Farallon Plate)對撞。法拉龍為海洋板塊，而北美板塊為大陸板塊，前者因此而俯衝至後者的下面，並一寸寸地下潛進入地函融成岩漿，回歸地函。在俯衝沒入北美板塊的下方的同時，法拉龍上面的島嶼依序併入北美板塊，並堆疊成了當今加州在聖安德里亞斯斷層以東的大部分陸地。

法拉龍的俯衝運動持續地進行著，經過了數千萬年，如今僅剩曼鐸西諾角以北近海的黃迪夫卡(Juan de Fuca Plate)、探險者(Explorer Plate)、及高爾達(Gorda Plate)等殘餘小板塊。而在法拉龍沒入地函的同時，隨之而來的太平洋板塊於兩千萬年前開始與北美板塊接觸、互動。其在加州境內的接觸線，即為聖安德里亞斯斷層。

三、板塊錯動與加州大地震

當太平洋與北美兩大板塊接觸時，並未發生板塊俯衝而沒入地函的現象。由於太平洋板塊的漂移為西北走向，而北美板塊為西向偏南，兩個板塊以水平方向相互摩擦、偏移。此種互動方式的板塊界線是一種典型的”轉形板塊界線(transform plate boundaries)”，或稱之為”錯動型板塊界線”。錯動的結果，雙方的相對位置理應沿著斷層線平移錯開，但在板塊的粗糙表面相互鎖住的狀況下，北美板塊前緣承受到太平洋板塊運動的扭力而作順時鐘方向的偏移變形。圖一的綠色弧線箭頭，大略展示這種板塊扭轉運動的走向。這樣，造成了北美板塊在這區段的前緣每年向西北位移約3公分。每一公分的位移，都為這兩個大板塊的互動累積巨大的張力。當變形累積的張力越過臨界點，能量瞬間釋放、板塊快速滑動彈回錯移之前–再扣去板塊本身漂移的位差–的位置，造成大地震。

1906年發生的聖安德里亞斯斷層錯動的地震，使斷層沿線的北美板塊向東南向位移，而太平洋板塊則相對向西北向移。根據美國地質調查局(USGS)的報告，沿斷層線兩邊的地理位置的瞬移，在舊金山附近達到20呎(6公尺)的距離。圖二及圖三分別為有關加州大地震後，田園圍籬以及溪流在斷層線上斷開並向右錯離的照片及谷歌衛星圖片。

四丶大海嘯？

2015年的”加州大地震”電影敘述的主題，為由聖安德里亞斯斷層走滑導致的9.6級地震及其觸動的大海嘯所引發的大災難。

根據統計，已知芮氏9級以上的強震，都發生在”聚合型板塊界線(Convergent Plate Boundaries)”，也就是板塊俯衝帶。而聖安德里亞斯斷層卻屬於錯動型板塊界線，其所造成的地震，根據USGS的報告，約在7.5至8.5級之間，所釋放的能量不及電影所述9.6級的三十分之一。另外，這條斷層位於加州陸地，縱然有一小段穿過舊金山灣，但基本上，對海水所能造成擾動，比較像是透過地震所造成土石崩塌及小滑坡的間接效應，其幅度相對較小，較難觸發大規模的海嘯。

然而，儘管震幅較小，卻不是意味著聖安德里亞斯地震所造成的災害會比俯衝帶地震為輕。這是因為前者為水平向的震動，加上發生在陸地上，鄰近丶甚至還縱穿過人口聚集的都會，其對建築物所造成的損害，比位於海底、且為垂直向震動的俯衝帶地震更為嚴重。

五、大地震何時會再發生?

USGS依據板塊飄移模型計算，聖安德里亞斯斷層大地震的發生頻率為每200年一次。最近一次的大地震發生於1906年。據此推測，在2100年之前，加州受到這個斷層7.5級以上災難性大地震侵襲的機率，應是相對較低的。儘管如此，斷層帶上的其他地點仍然會發生芮氏6級左右的中型地震。其發生頻率大約為30年/次。

另外，沿這個錯動型界線所伴生較小的斷層，也相當活躍；例如：位於舊金山灣東岸的黑華德斷層(Hayward Fault)，於1989年發生了6.9級的地震。紀錄顯示，這條斷層的活躍的間隔期大約是150年，地震震幅約在芮氏6.8至7.0級。

六、大斷層與溫哥華

溫哥華與聖安德里亞斯斷層的北端曼鐸西諾角的直線距離約1,000公里。因此，溫哥華居民對這條斷層引發的大地震是無感的。但這並不意味溫哥華與聖安德里亞斯斷層毫無緣分。由於太平洋板塊每年往西北漂移7至11公分，北美板塊向西南前進2.3公分；粗略計算，聖安德里亞斯斷層將在八百萬至一千萬年之後，前進到溫哥華。也由於曼鐸西諾角地處於北美丶太平洋丶及高爾達等三個板塊的交會點，這裡同時會發生喀斯克地亞俯衝帶大地震丶以及聖安德里亞斷層大地震。屆時，溫哥華很可能也會成為類比於現在曼鐸西諾角的地震活躍地帶。籲請溫哥華的居民要為自家的子孫的子孫的…..子孫們，留個推背圖，做為啟示錄，警示他們早作準備。

事實上，當代溫哥華的居民，最該耽心的地質災變，並非這條斷層。除了黃迪夫卡俯衝帶帶來的9級大地震及大海嘯之外，還可能有來自華盛頓州雷尼爾火山(Mt. Rainier)噴發的火山灰。地質界推測它的規模將為聖海倫斯火山(Mt. St. Helens)在1980年噴發規模的百倍；而且，其在數十年內噴發的機率為95％。另一個比雷尼爾百倍級數更大的火山灰災難，是位在懷俄明州的超級火山(caudera)：黃石公園。

Plate Tectonics on North America and the Big One
– (A) Cascadia Subduction Zone

一、緒論

2023年10月15日，溫哥華太陽報(Vancouver Sun)引用UBC教授Tony Yang的論述，地質界預測位於溫哥華島外海150公里處的板塊俯衝帶(subduction zone)發生芮氏9級的大地震(the Big One)已經超過期限，溫哥華外海隨時可能發生這個大災難。有關大地震的新聞與傳聞，每隔數年就會在北美太平洋岸地區熱炒一陣。每次的報導，都會引起正反兩極的反響。但隨著報導次數的累積，對大地震無感的人越來越多。其實，這事件就像是放羊孩子寓言的番外篇：不是狼會不會來，而是狼何時來?以及，如果狼來了，會造成多大的損害?

根據地質調查，造成北美西海岸大地震的板塊運動(Plate Tectonics)有兩種，其一為斷層走滑(strike slip tectonics)、其二為板塊俯衝(subduction)。這兩種運動源自於三個相撞板塊–太平洋板塊(Pacific Plate)、北美板塊(North America Plate)、及黃迪夫卡板塊(Juan de Fuca Plate)的交互作用。其地理位置如圖一所示。

二、喀斯克地亞俯衝帶(Cascadia Subduction Zone)

喀斯克地亞俯衝帶(圖一的黃色曲線)是黃迪夫卡板塊與北美板塊相撞下潛而形成與北美海岸平行1,100公里長的帶狀地質擾動區。北美板塊的運動方向為西南走向(圖一右中的藍色箭頭)。其西鄰的黃迪夫卡板塊則受到兩個作用力而向東北方向運動。此二作用力分別為來自西北走向(圖一下方藍色箭頭)的太平洋板塊的推擠、及由黃迪夫卡中洋嵴(Juan de Fuca Ridge)所產生的玄武岩塊的擠壓。中洋嵴是地殼的裂縫，地函(mantle)的岩漿從此裂縫湧出，冷卻成玄武岩並向中洋嵴兩側伸展(圖一中上灰色小箭頭)，迫使黃迪夫卡板塊向北美大陸推進，最終在俯衝帶與北美板塊碰撞並向下俯衝。俯衝的黃迪夫卡同時咬住北美板塊的前緣，將之往下並往大陸方向捲。此種下壓及後捲所產生的應力，迫使北美板塊鄰近前緣的陸塊向上彎曲弓起。這條弓形帶的寬度大約在50-100公里(圖二)。

三、大地震及其效應

當陸塊變形所蓄積的能量釋放時，會造成強度高達芮氏九級的地震。此時，下捲的北美板塊前緣會回彈，導致陸塊做垂直方向的顫動，以及水平方向的舒展滑動。此種上下顫動與水平滑動的結果，會使前緣陸塊最終回到上次大地震後的高度與經緯位置。而弓起的地面，則驟降回其本來的海拔高度。簡言之，一次俯衝帶的能量釋放，除了造成垂直向的震動外，震區地面也會發生水平與垂直方向的位移：俯衝帶前緣的地面會上翹、離俯衝帶外一段距離的地面會下沉，而整個陸塊又會往太平洋方向水平滑動。這樣的板塊顫動會持續長達五分鐘以上。震幅越大，地震持續的時間越長。

海底板塊上下晃動的結果，製造了超級巨浪，形成海嘯，距離震源最近的溫哥華島西岸首當其衝。由於海岸的地形為陡峭岩岸與河口三角洲交互分佈，低平的漏斗形狀的河口，承接了所有被高岸擋回的巨浪，再又遇上淺平的海底，更疊加地放大了海嘯的效應(圖三)。其對陸地造成的衝擊，可引用過往同類型的地震作參考。2004年的南亞9.3級大地震及2011年的日本福島9.1級大地震，皆屬俯衝帶能量釋放的性質。兩次大地震引發海嘯潮水湧入河口低地潮水的高度，前者達15-30公尺，後者達13-14公尺；而海水衝入內陸達海平面50公尺高、10公里遠。

北美大陸上一次因俯衝帶能量釋放引發的大地震，發生於1700年1月26日深夜。估計震幅達芮氏8.7-9.2級，使奧立岡州海岸的陸地下沉2公尺，並滑動了20公尺遠。地震所掀起的海浪，雖然在此岸沒有準確的紀錄，但遠在太平洋對岸的日本，則有歷史文獻報導在相對應的時刻發生無震兆的9公尺浪高海嘯，日人將之稱為孤兒海嘯(みなしご津波)。

四、地震預測

俯衝帶能量釋放時，震央周圍的板塊會發生位移，並回到上次釋放後的經緯度與高度。因此，預測地震的第一個方法，是利用衛星定位測量敏感地帶距離其初始位置的位移距離及弓起高度，以預測下一次能量釋放的可能日期。然而，在上一次大地震發生前後，人類還沒有發展出衛星定位及其他地理測量技術，無法獲得當時精準的地理資料，因而目前尚無法藉此科技做地震預測。 第二個預測大地震的方法，是地質鑽探。華盛頓大學地質研究教授布賴恩·富蘭克林·阿特沃特（Brian Franklin Atwater）鑽探奧立岡州海岸潮間帶的泥層，用碳十四追蹤歷次因大地震造成泥層劇烈變動的年代。研究的結果為喀斯克地亞俯衝帶發生大地震的年代分別為西元前950年、550年、及西元400年、700年、1700年。這幾個地震的間隔分別為400年、950年、300年、1,000年。若以最短間隔來預測，則1700年之後的大地震應該發生在2000年。但這顯然是最悲觀的預期值。根據地質界的計算，喀斯克地亞大地震的頻率，平均應為300-500年。也就是說，2023年才是剛剛進入大地震可能的活動期，但並非逾期。