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地震可以預測嗎?

地震可以預測嗎?

王卓瑤、林靜芝
2024年5月

地震是其中一種能造成廣泛影響的自然災害,在發生前可以毫無預兆。地震發生時,能量由震源釋放出來,以不同頻率及波幅大小(或強度)的地震波向四方八面傳播,引致地殼運動。釋放能量愈多,震級便愈大。震級相差兩級,能量就相差1,000倍。統計顯示2000至2023年期間全球由地震及其衍生災害引致的死亡人數超過78萬[1],為所有自然災害中最多。以現今科技,地震學家只能根據某個地方過去的地震事件、地球物理、地球化學和地質等觀測數據計算出該處在一段年期內發生強烈地震的機率[2]和估計未來可能發生大地震的位置及震級上限。近年雖然有研究利用大數據、人工智能等技術就不同時間尺度的地震風險作出預測,但目前還未能預測地震確實的發生時間、震中位置及強度(統稱「地震三要素」)。有見及此,各國地震機構皆積極研究及推動利用高密度的地震監測網絡增強監測能力,儘量提供快速地震訊息服務,務求爭取訊息可在破壞性地震波到達前傳播到受影響群眾,保障生命安全。

跟地震波「鬥快」的地震「預警」
如何解讀地震參數?」一文中簡單介紹了不同類型的地震波(P波、S波及面波),並提及它們的傳播速度不同,所以地面上的地震儀可記錄到它們不同的到達時間,並可在時間序列的數據分析出來。P波的速度(約每秒6至8公里) 比S波(約每秒3至5公里) 快,而S波所帶的能量是P波的幾倍到幾十倍(見圖一),隨後的面波振幅更大,能量也就更大。當地震發生時,震源附近儀器密集配套高速數據傳輸的地震監測網絡先把所測到的P波傳至地震機構,以P波快速估算地震三要素,再利用不同地震波速度上的差異及數學模型估算地震波(主要指S波)到達周邊地區的時間,以及在該區的地殼震動程度(亦即「地震烈度」)。對於一些距離比較遠及顯著的地震,在配套許可下,地震機構就有機會爭取於較具破壞力的地震波到達前的數秒至十數秒前,利用電磁波(波速約每秒300,000公里)及快速通訊技術向公眾發布地震訊息(見圖二),發出預警提醒有機會受影響的市民及時採取行動,儘量減低傷亡的風險。
圖一   由P波和S波造成地殼震動的示意圖。)
圖一    由P波和S波造成地殼震動的示意圖。
圖二   示意圖解說地震機構如何快速傳遞地震訊息及/或地震預警。)
圖二    示意圖解說地震機構如何快速傳遞地震訊息及/或地震預警。
為何地震預警需要用高速傳輸及儀器密集的地震監測網絡來「鬥快」呢?首先,在一個或多個地震儀偵測到P波後,相關波形數據透過快速通訊技術實時送回地震監測機構,以作即時自動分析並計算地震位置,機構方可有機會超前地震波,儘早將地震訊息傳播出去。第二,地震訊息傳遞的快慢與估算地震位置及強度的準繩度取決於地震儀的佈局及密度。箇中原因不難想像:地震波從震源向四方八面傳播,如果在震源附近有地震儀,便可儘快偵測到地震波,自然爭取到更多時間傳遞地震訊息。此外,在短時間內要處理愈多地震波形數據,對自動地震分析系統造成愈大負荷,但估算出來的地震三要素及地震烈度會較為準確,可減低誤報機會。
建立密度高的地震監測網絡、進一步發展實時地震監測技術,以及提升先進通訊科技的應用有助增強地震訊息服務,但城市發展發達,不容易找到合適地點建設地震站。在成功建設高密度地震監測網絡後,亦需要安排足夠人手及資源進行維修工作,以維持網絡24小時的正常運作。另外,現時的科技也有一定限制。首先,S波在訊息發出時很有可能已到達非常接近震源的地區,快速訊息變相沒有預警作用。這些地區被稱為「盲區」,一般距離震中約20多公里以內出現。震中發出訊息所用的時間愈長,盲區的範圍便愈大。可是,當追求速度時,估算地震位置及強度的準繩度方面就需要取捨。如地震儀受非地震因素如人為因素、天氣、機器故障等影響而產生雜訊,也有可能作出誤報。此外,地震烈度估算是以統計模型推斷的,並需要使用當刻分析估算的地震參數,烈度模型準繩度及地震數據多寡皆會影響估算結果的誤差大小。最後,餘震頻生時地震波也會變得複雜,未必能夠及時判定P波的到達時間,因此較難就此發出快速地震訊息或地震預警。
現時中國、日本[3]、墨西哥、美國西岸等地設有地震預警通知當地可能受顯著影響的居民。當這些訊息送到公共事業機構,它們可用於制定減慢行駛中的火車、控制升降機、暫停機械運作或手術等決策方案,以策安全。香港並非位處活躍地震帶上,距離板塊邊緣頗遠,最近的地方亦相距約600公里,發生大地震的機會很低。若果震中於香港境內,在十數秒鐘之內,地震波已經傳播到香港各處,就算用自動程式發出預警,也難以做到預警效果。況且根據天文台的記錄,過去40多年間震中位於香港境內所引發的有感地震皆屬輕微,亦只偶然發生(自1979年至2024年 3月 為止只發生過9次輕微地震,震級為1.4至3.1級),烈度均在修訂麥加利地震烈度V (五) 度或以下,只有在震中附近的市民才有較明顯的感覺。輕微的地震對一般樓宇結構沒有影響,市民不須作出應變措施, 因此預警在這些情況下亦起不了實際的作用。至於震中在本港以外的地震,由於香港位於華南沿岸,在香港以外地區,特別是南面海域的地震數據密度不足。這先天性限制令到天文台很難實施有效的地震預警系統,在重大地震發生前向公眾發出預警。無論如何,當遇上大地震時都必須保持鎮定,並緊記三個重點:趴下、掩護和穩住(見圖三)。
圖三   遇上大地震時避險三式。)
圖三    遇上大地震時避險三式。