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。
