2024 花蓮地震的前兆行為：無震滑移與群震的交互作用

2024 年 4 月 3 日規模7.3花蓮大地震前，深部斷層早在三年前即出現無震滑移的加速行為，顯示出潛在的地震前兆特徵。這項研究成果發表於《Nature Communications》，提出了無震滑移現象的監測和特徵化，能提供孕震過程的關鍵線索，揭開東台灣深部斷層活動與主震觸發機制的秘密。

利用 2000 至 2024 年間的地震資料，我們分析了「重複地震」（註1）與「群震」（註2）分布。這兩類事件通常與斷層深處的「無震滑移」或「高孔隙流體壓力」有關，顯示斷層並非總是以劇烈破裂的方式釋放能量。在花東縱谷北段，這些地震集中於中央山脈斷層；南段則主要發生在池上斷層。如圖一所示，台灣東部是菲律賓海板塊隱沒至歐亞板塊的聚合帶，形成南北總長約一百公里長的中央山脈斷層（向西傾）和縱谷斷層（向東傾），他們肩靠肩地並列著，主導了絕大多數該區規模6以上的地震、及廣泛的無震滑動（即斷層以極慢速度滑動，不產生震波），使其成為研究地震觸發過程的理想場域。

圖一、(a) 2000 年以來台灣東部發生的規模 Mw ≥ 6 主震分布，空心圓標示主震後一個月內的餘震。重複地震序列以棕菱形表示，顯示無震滑移帶發生在南段縱谷斷層(近地表至 25 公里深) 及北段中央山脈斷層（ 10–25 公里深）。(b-c) A–A’ 與 B–B’ 剖面圖，剖面寬度為 25 公里（對應圖 1b 灰色虛線），顯示東傾的縱谷斷層（LVF）、西傾的中央山脈斷層（CRF）的大致構造形態。背景顏色為 P 波與 S 波速度比（Vp/Vs）分布。藍色陰影帶表示 CRF 與 LVF 的粗略斷層幾何。

2021 年在壽豐地區，連續四個月的群震顯示大多地震活動逐漸往淺部遷移，其推估出來的流體擴散速率高達每秒 5–6 公尺，遠超過孔隙中流體壓力的擴散(一般為每秒0.01~1公尺)，暗示此過程除流體作用外、亦伴隨著深部斷層的「緩慢滑動」。GNSS（全球導航衛星定位系統）資料同時也觀測到地表約1–2 公分的位移，支持深部無震滑移與流體孔隙液壓升高的聯合作用。圖二描繪了花蓮主震前，2021~2024年的四階段演化：

    ◦ 階段 1 (2021 年 4-8 月)： 無震滑動加速和地震群活動，伴隨著淺層地震活動的急劇增加。

  ◦ 階段 2 (2021 年 9 月至 2022 年底)： 一連串規模6以上地震發生縱谷南側、加劇了該區的整體地震活動率，然而縱谷北部的地震活動卻處於低值。

  ◦ 階段 3 (2023 年至 2024 年初)： 較深的重複地震數量變多、地震矩率逐漸增加、對應之斷層滑動速率亦微幅增加; 而淺部的背景地震活動率（ ≤15 公里）顯著上升，且 a 值和 b 值同時增加。這表明在主震發生前，深處慢滑動和淺處脆性破裂同步發生。

  ◦ 階段 4 (2024 年4月3日以後)：規模7.3主震發生！伴隨著兩個規模6.0以上之大規模餘震。

圖二、地震、無震滑移與 GNSS 觀測時間演化圖。 (a) 群震事件時間演化，發生窗口由黃色區域表現。 (b) 由重複地震序列推算的無震滑移速率，不同顏色代表採用不同的移動平均視窗。(c) 重複地震事件的累積數量。彩色虛線表示估算的發生率。(d) 重複地震事件的累積地震矩。彩色虛線表示估算的地震矩速率。(e) 地表位移記錄在不同站的表現。紅色虛線表示研究期間內五起規模 6 以上地震的發生時間，灰色虛線則標示南段兩起規模 6 以上地震的時間。整體結果顯示，2021 年群震期間的深部無震滑移加速、重複地震活動增強與地表位移異常同步發生，代表深部滑移與流體壓力變化的共同作用。(f-i)為各項背景地震統計值，顯示淺層（比15公里更淺，深藍色）和深層（比15 公里深，淺藍色）地震活動率、a 值和 b 值的變化。

然而，要如何用物理模型解釋階段1的「無震滑移加速」和三年後的主震，真的有關係？

研究團隊利用靜態庫侖應力模型，首先發現2021年的慢滑移事件對於階段2的地震觸發扮演關鍵角色。而結合2021-2023年間的慢滑移事件以及2022年三起規模六以上地震（含關山–池上地震），總共累積了約 30 kPa 的應力變化，相當於三公尺水柱的壓力！ 這個應力變化，足以達到觸發 2024 年花蓮大地震的條件。

這項研究結合地震學與大地測量觀測，清楚表現了「深層滑動—流體壓力—地震觸發」的連鎖關係，圖三為這個連鎖過程的概念模型：

2021 年的群震事件與更深的無震滑移連動、伴隨著快速地流體擴散，可能導致了斷層弱化。連同隨後的幾起大地震，在最終的破裂面上累積了高達 30 kPa 的庫侖應力增加，這被認為是足以顯著提前花蓮主震發生時間的應力累積。這個研究提供了理解台灣地震孕震過程的新線索，也突顯無震滑移在大規模地震孕震過程中的重要角色。

圖三、地震滑移與無震滑移交互作用之概念模型。紅線與藍線分別代表中央山脈斷層不同的滑移型態。紫色、橘色與黃色虛線分別標示 2019、2021 與 2024 年之群震分布範圍；黑色虛線則表示重複地震序列的分布區域。2021 年群震期間的雙向流體遷移路徑以箭頭表示。背景顏色為 P 波與 S 波速度比（Vp/Vs）分布。東傾的黑線表示 2024 年 M7.3 主震的假設破裂面。

註1：重複地震群，為長期在同一個重複地發生地震的地震序列，波形幾乎一模一樣，其事件間的間隔和事件規模，受到斷層無震滑移大小變化所掌控，因此可以用來推求重複地震「鄰近區塊」的無震滑移速率。相關說明請參考該團隊的科普文章。

註2：群震為短時間之內密集發生、空間亦高度集中的地震群，由於其規模和發生的數量並不隨著規模最大的主震而有太大的變化，被認為和餘震有完全不同的驅動機制。相關說明請參考該團隊的科普文章。

本文已發表於Nature Communications: Peng, W., Chen, K.H., Bürgmann, R. et al. Aseismic slip and seismic swarms leading up to the 2024 M7.3 Hualien earthquake. Nat Commun 16, 9066 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64117-3 https://www.nature.com/articles/s41467-025-64117-3